北京時間2月11日消息，據(jù)國外媒體報道，在人類中，左撇子的比例大約為十分之一，是名副其實的少數(shù)。但毫無疑問的是，從亞原子粒子到生命本身，宇宙其實很青睞“左撇子”。事實上，如果沒有這種基本的不對稱性，宇宙將會是一個非常不一樣的地方——平淡無奇，大部分空間充滿了輻射，而且沒有恒星、行星或生命。盡管如此，物理科學中盛行著一種將事物在數(shù)學上推向完美的美學，這種完美就表現(xiàn)為對稱性。而且，我們往往會迷失在一個虛假的二元性問題中，必須選擇陣營：你是選擇支持“一切都是對稱的”，還是選擇做一個不完美的標新立異者？
我們都喜歡濟慈的名言“美即真理，真理即美”。但如果你堅持將濟慈所說的“美”與數(shù)學對稱性等同起來，將其作為尋找自然法則，即“真理”——比如在理論物理學中很常見的定律——的途徑，就會遇到某些麻煩。這種將對稱與“真理”聯(lián)系在一起的方式，使得我們在物理學中用來描述宇宙的數(shù)學方法需要反映出數(shù)學上的對稱性：宇宙呈現(xiàn)美麗的對稱性，而我們用來描述宇宙的方程必須揭示這種對稱之美。只有這樣，我們才能接近真理。
引用偉大的物理學家保羅·狄拉克的話：“在方程中包含美，比進行合適的實驗更為重要。”如果是其他不太知名的物理學家說過這句話，他們可能會被同事們嘲笑，被認為是贊同宗教的柏拉圖主義者，或者是庸人。但狄拉克和他那些建立在對稱概念上的美麗方程，確實預言了反物質(zhì)的存在，即每一個物質(zhì)粒子（如電子和夸克）都有一個伴生的反粒子。這是一項驚人的成就，將對稱性的數(shù)學運算應(yīng)用到一個方程中，引導人類發(fā)現(xiàn)了一個完整的平行物質(zhì)領(lǐng)域。難怪狄拉克如此忠誠于“對稱之神”，是它引導他的思想取得了這一驚人的發(fā)現(xiàn)。
請注意，反物質(zhì)其實并沒有像聽上去的那么古怪。反物質(zhì)粒子在引力場中并不會上升，只是它們的一些物理性質(zhì)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，最顯著的便是電荷。因此，帶負電荷的電子的反粒子就叫做正電子，帶正電荷。
在這里，我們遇到了一個狄拉克并不了解的問題。支配自然界基本粒子行為的物理定律預言，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)當同樣豐富；也就是說，它們應(yīng)該以1：1的比例出現(xiàn)。一個電子應(yīng)當對應(yīng)一個正電子。然而，如果現(xiàn)實中存在這種完美的對稱性，那么在大爆炸后的幾分之一秒內(nèi)，物質(zhì)和反物質(zhì)就應(yīng)該湮滅，變成輻射（主要是光子）。但事實并非如此。大約十億分之一的物質(zhì)粒子作為多余的部分存留了下來。這意義重大，因為我們在宇宙中看到的一切——星系及其內(nèi)部的恒星，行星及其衛(wèi)星，地球上的生命，以及各種物質(zhì)團塊，包括有生命的和沒有生命的——都來自這些過剩的物質(zhì)。這就是物質(zhì)與反物質(zhì)之間基本的不對稱。
與人們所期待的宇宙對稱性之美相反，科學家們在過去幾十年的研究表明，自然法則并不同樣適用于物質(zhì)和反物質(zhì)。究竟是什么機制創(chuàng)造了這種微小的物質(zhì)過剩？這種最終導致我們存在的不完美，是粒子物理學和宇宙學中最重大的未決問題之一。
在物理學中，有一種量子操作可以將物質(zhì)粒子轉(zhuǎn)化為反物質(zhì)粒子。這種運算被稱為“電荷共軛”，用大寫字母C來表示。C對稱即電荷共軛對稱，表述的是物理定律在電荷共軛轉(zhuǎn)換中的對稱性。物理學家觀測到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱意味著自然界并不呈現(xiàn)電荷共軛對稱：在某些情況下，粒子和它們對應(yīng)的反粒子不能相互轉(zhuǎn)化。具體來說，C對稱在弱相互作用（即弱核力，是導致放射性衰變的力）中被破壞了，而電磁力、引力和強相互作用等現(xiàn)象都遵守C對稱。中微子是所有已知粒子中最奇怪的一種，被稱為“幽靈粒子”，因為它能夠在不受干擾的情況下穿過物質(zhì)（每秒大約有一萬億個來自太陽的中微子穿過你的身體）。
想要了解為什么中微子違反了C對稱，我們還需要了解一種稱為“宇稱”（parity）的內(nèi)在對稱，用字母P來表示。“宇稱變換”可以將一個物體變成它的鏡像。例如，你的身體就不是宇稱不變的；你的鏡像心臟位于右側(cè)。對于粒子而言，宇稱與它們的自旋方式有關(guān)。但是，粒子是量子物體，這意味著它們的自旋不是任意的。它們的自旋是“量子化的”，只能以幾種方式旋轉(zhuǎn)。對于電子、夸克和中微子這樣的基本粒子，自旋是與質(zhì)量、電量一樣的內(nèi)稟性質(zhì)。我們說它們的自旋量子數(shù)為1/2，意即可以是+1/2或-1/2，這兩個選項對應(yīng)于兩個旋轉(zhuǎn)方向。一個很好的理解方法是彎曲你的右手，大拇指朝上；逆時針方向為正自旋，順時針方向則為負自旋。
對一個左手性的中微子應(yīng)用C運算，應(yīng)當會得到一個左手性的反中微子。沒錯，即使中微子這樣的電中性粒子，也有其對應(yīng)的反粒子，也是電中性的。問題是，自然界中并沒有左手性的反中微子。我們只觀察到左旋中微子。弱相互作用——中微子唯一能感覺到的相互作用（除了引力）——違反了電荷共軛對稱。這給執(zhí)迷于對稱之美的人提出了難題。
讓我們更進一步。如果我們將C（電荷對稱）和P（宇稱）同時應(yīng)用于一個左旋中微子，應(yīng)該會得到一個右旋的反中微子：C使中微子變?yōu)榉粗形⒆樱籔使左旋中微子變?yōu)橛倚形⒆印]錯，反中微子是右手性的。弱相互作用分別違反了C對稱和宇稱，但顯然滿足了CP對稱組合的運算。在實踐中，這意味著左手性粒子的反應(yīng)應(yīng)該與右手性反粒子的反應(yīng)以相同的速度發(fā)生。所有人似乎都松了一口氣。人們希望大自然在所有已知的相互作用中都是CP對稱的。對稱之美回來了。
這種興奮并沒有持續(xù)太久。1964年，詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在一個K介子衰變的實驗中，發(fā)現(xiàn)了CP對稱破壞的跡象。本質(zhì)上，K介子及其反粒子并不像CP對稱理論預測的那樣以相同的速率衰變。物理學界震驚了。對稱之美再一次消失了，而且直到今天仍沒有恢復。CP破壞是自然存在的事實。
CP破壞有著更深層和更神秘的含義：粒子也會選擇一個首選的時間方向。時間的不對稱性——宇宙膨脹的標志——也發(fā)生在微觀層面上。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。
此外，還有另一個關(guān)于不對稱的重要事實。生命也是“手性的”：從變形蟲到葡萄，從鱷魚到人類，所有生物體內(nèi)都具有左旋的氨基酸和右旋的糖分子。在實驗室里，我們將左旋分子與右旋分子以50：50的比例混合，但自然界中看到的情況并非如此。生命幾乎一邊倒地偏好左旋氨基酸和右旋糖分子，究竟為何如此，目前尚不得而知。
本文來自“新浪科技”，作者：任天，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
