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【科学大唠嗑】十亿分之一的幸运

 悦读读书 2020-08-04

科学大唠嗑


张 喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

这个世界是完美的吗?

这一次咱们从两个中国的年轻人聊起。

李政道和杨振宁

1956年的时候,有两个来自中国的年轻人,一个叫杨振宁,一个叫李政道,他们发现在我们这个世界上,镜子里的物理学,应该跟真实世界里的物理学不一样。他们这个说法解决了困扰当时物理学界的一个谜,除了他们两个谁也没往这个角度想。然后过了不到一年,另一个中国人吴健雄女士做实验证明了他们的理论。杨李二人据此拿到了诺贝尔物理学奖。杨振宁和李政道的获奖发现是,“弱相互作用的宇称不守恒”。

这个问题确实有点怪,咱们先来举个例子。

如果有一个物理学家,他从来不直接观看这个世界,而是通过一面镜子来观察世界,他看到的一切物理现象都是真实世界的镜像。那这个物理学家总结出来的物理定律,跟我们总结的物理定律是一样的吗?

在大多数物理学家眼里这也许根本就不是一个问题。镜像里的世界当然应该跟我们是一样的。热气一样往高处走,水一样往低处流,牛顿定律和爱因斯坦相对论、包括量子力学从来都没有过关于“左”和“右”的规定,左右都一样,和镜子没有什么关系。我们遇到的大多数人都是右撇子,但那只是一个习惯,跟物理定律没有关系。把任何一个视频节目通过镜子看,只要你不说,谁也看不出来里面的物理学过程有什么不对的地方。

再来说“宇称”,简单地说就是镜像对称性,英文叫Parity,用字母P表示。一般的物理定律都是“宇称守恒”的,也就是说在镜子里看没区别。

一个让泡利火冒三丈的实验

前面提到过的吴健雄用实验证明了杨李二人的实验可不是走到镜子里去做的,她设计了两个互为镜像的装置。在杨李二人的建议下,吴健雄选择了考察钴-60原子核的衰变。她用磁场控制原子核,并且把温度降到接近绝对零度,这样原子核的姿态很稳定。在一个装置里,她让钴-60原子核“左旋”,也就是绕着自身左转,而另一个装置则是“右旋”,这样两个装置正好互为镜像。

关于左旋和右旋是这样的。伸出你的右手,做一个挑大拇指的手势。用你的大拇指指向粒子前进的方向,这时候如果你的其余四个指头环绕,指尖的方向正好是粒子自旋转动的方向,那么我们就说这个粒子具有“右手征(right chirality)”,也叫“右手性”。反之,则是左手性。这个手势跟在中学学的那个“右手螺旋定则”很相似。右手性和左手性,正好互为镜像

现在我们有了一堆右手性的钴-60 原子核和一堆左手性的钴-60 原子核,看看它们的衰变有什么不同。钴-60原子核会衰变成一个镍-60原子核、一个电子、一个反电子中微子和两个光子。而吴健雄的实验结果中,那个电子出来以后,有一个明显倾向的方向,而这个方向,不是镜像对称的,让原子核衰变的都是弱相互作用。而吴健雄的实验证明,弱相互作用在“左”和“右”之间,有一个明显的倾向性,左右并不平等!

据说这个结果让泡利火冒三丈,他说这绝不可能,实验应该重做!但是泡利说的没用,镜子里的世界就是不一样。事后人们进一步分析,弱相互作用之所以宇称不守恒,应该是跟中微子有关系,我们这个世界里的中微子总是左手性的,而反中微子则总是右手性的。

这就是杨振宁、李政道和吴健雄当年那个工作的意义。

沃尔夫冈·泡利

物理学家对这件事儿感到很不安,这完全不符合直觉!于是有人提出一个新的对称性。如果我们把这个世界里的东西变换到镜子世界的同时,再把每一种粒子,都变成它的反粒子,这个世界里的中微子总是左手性,镜子里的世界的反中微子总是右手性,这样是不是就对称了呢?

每一种物质都有它的反物质。电子带负电,反电子带正电;质子带正电,反质子带负电。反物质的质量什么的各种物理参数都跟物质一样,唯一区别就是把电荷的正负号反过来,以及中微子的自旋不一样。物质变反物质,这个操作可以叫做 “C变换”,C是电荷(charge)的意思。那么物理学家这个猜想就是,宇称,也就是P,虽然不守恒,那CP联合起来,总该守恒了吧?

但是大自然再次给了物理学家一个意外的答案,CP也不守恒。1964年,詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现,在K介子衰变这个弱相互作用的过程中,CP也被破坏了。这个发现也得了诺贝尔奖。

如果物理学家们再退一步,在C和P之外又加上了一个T,也就是时间反演变换。物理学家有充分的理由相信,如果把宇称左右颠倒一下、把正反物质互换、同时再让时间倒着走,那么那个世界里的物理定律应该跟我们这个世界是完全一样的。这叫做“CPT对称”。目前来说,CPT是守恒的。

前面说的都是一些背景知识,真正的内容来了。讲这些对称性的意义就在于,它事关我们这个宇宙中的万事万物,为什么会存在。

因为CP不守恒!

有一个简单的常识,正反物质是不能在一起的,一碰到一起就会发生湮灭,变成光子,所有的质量都成了光子的能量。如果你在实验室里制造了一点反质子或者反电子,需要非常小心地保管它们,比如用磁场把它们约束在空间中,它们一旦跟普通的质子和电子接触,就会发生爆炸。霍金在《时间简史》中说过,如果你在现实生活中遇到一个反你,千万不要和他握手,因为你和反你碰到一起就会发生爆炸,变成能量。

设想一下,假如这个宇宙的物理定律是CP守恒的,这就意味着反物质除了手性跟正物质不一样以外,其他都一样。根据宇宙大爆炸模型,在宇宙最初起源的时候,并没有任何粒子存在。粒子们是在大爆炸开始一万亿分之一秒之后,才出现的。既然 CP 守恒,正物质和反物质是对称的,那么每生产一个正物质粒子,就应该相应地产生一个反物质粒子,而正反物质粒子产生之后就会立即发生碰撞,彼此湮灭。

结果就应该是不管生产了多少正反粒子,它们也是正好一半对一半,最后就应该全部互相湮灭掉,只剩下一大堆光子。也就是说,如果物理定律是CP守恒的,我们这个宇宙里应该只有光子。而值得庆幸的是,物理定律真不是CP守恒的!

根据科学家们的推测,以及理论证据表明,在极早期宇宙中的一段时间,某种作用力分离之时,赋予了宇宙一种非同寻常的不对称性,其中物质粒子的数量略微超过反物质粒子,比例为十亿零一比十亿。正粒子只比反粒子多这么一点点。而就是这一点点,最终积累下来,才使得我们这个宇宙里现在到处都是正粒子,而几乎没有反粒子剩下来。也就是说我们每个人身上每一个粒子都是当初十亿分之一的幸存者。这意味着物理定律是高度CP守恒的,只有那么一点点不守恒,才恰好允许万事万物的存在。

正是因为物理定律不是绝对完美的,才导致我们这个世界是现在的这个样子。至于这一点点CP不守恒,是多大的一点点,到底是哪个方程的不守恒导致的,现在还不知道。

为了研究这件事,物理学家们又盯上了中微子。有人猜想,中微子震荡这件事儿,对正中微子和反中微子是不一样的。中微子可能是最奇特的基本粒子了,它们非常轻,质量几乎就是0,但也不是绝对等于0。它们以接近光速的速度在宇宙中穿行,几乎不跟任何物质发生相互作用,它只参与引力和弱相互作用,否则我们就探测不到它们了。

中微子有三种,分别是“电子中微子”、“μ子中微子”和“τ子中微子”,再算上它们各自的反物质,也可以说一共有六种。这些名称都不用管,中微子有个奇特的性质非常重要。中微子会自己改变类型!比如一个来自太阳的电子中微子,在漫长的宇宙空间中行走,没有任何东西干扰它,走着走着,就变成了一个 μ子中微子。然后这个μ子中微子走着走着,又变成了一个τ子中微子,或者变回了电子中微子。这就好像一只猫走着走着就变成了狗,狗走着走着变成了兔子,三种动物互相之间都能变。

现在世界上至少有三个超级中微子实验装置正在准备探测这件事,分别是日本的“顶级神冈”(Hyper-K)、中国江门中微子实验(JUNO)装置和美国“深部地下中微子实验”(DUNE)。这些实验的基本原理就是从一个地方分别发射一束正μ子中微子和一束反μ子中微子,看看它们变成电子中微子的比率是不是一样的。而最近的一个新消息是日本的顶级神冈刚刚运行起来,就发现了正中微子比反中微子略微胜出的证据。

我们一直认为对称是美的,直觉上总觉得物理定律应该满足完美的对称性,所以世界才会如此井井有条。但是,绝对的完美也不行。因为“什么都没有”才是最完美的!正是因为有了几个小到不能再小的漏洞,才有了这个多姿多彩的世界,我们应该感谢这十亿分之一的幸运!

这一次就先唠这么多吧,咱们下次再聊。




“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于天文爱好者,此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们,这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新!



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