对称虽美,但不对称才是宇宙和生命存在的原因

新浪科技 2022/2/11 10:50:04 责编:潇公子

北京时间 2 月 11 日消息,据国外媒体报道,在人类中,左撇子的比例大约为十分之一,是名副其实的少数。但毫无疑问的是,从亚原子粒子到生命本身,宇宙其实很青睐“左撇子”。事实上,如果没有这种基本的不对称性,宇宙将会是一个非常不一样的地方 —— 平淡无奇,大部分空间充满了辐射,而且没有恒星、行星或生命。尽管如此,物理科学中盛行着一种将事物在数学上推向完美的美学,这种完美就表现为对称性。而且,我们往往会迷失在一个虚假的二元性问题中,必须选择阵营:你是选择支持“一切都是对称的”,还是选择做一个不完美的标新立异者?

反物质:物理学家为什么喜欢对称?

我们都喜欢济慈的名言“美即真理,真理即美”。但如果你坚持将济慈所说的“美”与数学对称性等同起来,将其作为寻找自然法则,即“真理”—— 比如在理论物理学中很常见的定律 —— 的途径,就会遇到某些麻烦。这种将对称与“真理”联系在一起的方式,使得我们在物理学中用来描述宇宙的数学方法需要反映出数学上的对称性:宇宙呈现美丽的对称性,而我们用来描述宇宙的方程必须揭示这种对称之美。只有这样,我们才能接近真理。

引用伟大的物理学家保罗・狄拉克的话:“在方程中包含美,比进行合适的实验更为重要。”如果是其他不太知名的物理学家说过这句话,他们可能会被同事们嘲笑,被认为是柏拉图主义者,或者是庸人。但狄拉克和他那些建立在对称概念上的美丽方程,确实预言了反物质的存在,即每一个物质粒子(如电子和夸克)都有一个伴生的反粒子。这是一项惊人的成就,将对称性的数学运算应用到一个方程中,引导人类发现了一个完整的平行物质领域。难怪狄拉克如此忠诚于“对称之神”,是它引导他的思想取得了这一惊人的发现。

请注意,反物质其实并没有像听上去的那么古怪。反物质粒子在引力场中并不会上升,只是它们的一些物理性质发生了逆转,最显著的便是电荷。因此,带负电荷的电子的反粒子就叫做正电子,带正电荷。

人类的存在归功于不对称

在这里,我们遇到了一个狄拉克并不了解的问题。支配自然界基本粒子行为的物理定律预言,物质和反物质应当同样丰富;也就是说,它们应该以 1:1 的比例出现。一个电子应当对应一个正电子。然而,如果现实中存在这种完美的对称性,那么在大爆炸后的几分之一秒内,物质和反物质就应该湮灭,变成辐射(主要是光子)。但事实并非如此。大约十亿分之一的物质粒子作为多余的部分存留了下来。这意义重大,因为我们在宇宙中看到的一切 —— 星系及其内部的恒星,行星及其卫星,地球上的生命,以及各种物质团块,包括有生命的和没有生命的 —— 都来自这些过剩的物质。这就是物质与反物质之间基本的不对称。

与人们所期待的宇宙对称性之美相反,科学家们在过去几十年的研究表明,自然法则并不同样适用于物质和反物质。究竟是什么机制创造了这种微小的物质过剩?这种最终导致我们存在的不完美,是粒子物理学和宇宙学中最重大的未决问题之一。

在物理学中,有一种量子操作可以将物质粒子转化为反物质粒子。这种运算被称为“电荷共轭”,用大写字母 C 来表示。C 对称即电荷共轭对称,表述的是物理定律在电荷共轭转换中的对称性。物理学家观测到的物质-反物质不对称意味着自然界并不呈现电荷共轭对称:在某些情况下,粒子和它们对应的反粒子不能相互转化。具体来说,C 对称在弱相互作用(即弱核力,是导致放射性衰变的力)中被破坏了,而电磁力、引力和强相互作用等现象都遵守 C 对称。中微子是所有已知粒子中最奇怪的一种,被称为“幽灵粒子”,因为它能够在不受干扰的情况下穿过物质(每秒大约有一万亿个来自太阳的中微子穿过你的身体)。

想要了解为什么中微子违反了 C 对称,我们还需要了解一种称为“宇称”(parity)的内在对称,用字母 P 来表示。“宇称变换”可以将一个物体变成它的镜像。例如,你的身体就不是宇称不变的;你的镜像心脏位于右侧。对于粒子而言,宇称与它们的自旋方式有关。但是,粒子是量子物体,这意味着它们的自旋不是任意的。它们的自旋是“量子化的”,只能以几种方式旋转。对于电子、夸克和中微子这样的基本粒子,自旋是与质量、电量一样的内禀性质。我们说它们的自旋量子数为 1/2,意即可以是 + 1/2 或-1/2,这两个选项对应于两个旋转方向。一个很好的理解方法是弯曲你的右手,大拇指朝上;逆时针方向为正自旋,顺时针方向则为负自旋。

对一个左手性的中微子应用 C 运算,应当会得到一个左手性的反中微子。没错,即使中微子这样的电中性粒子,也有其对应的反粒子,也是电中性的。问题是,自然界中并没有左手性的反中微子。我们只观察到左旋中微子。弱相互作用 —— 中微子唯一能感觉到的相互作用(除了引力)—— 违反了电荷共轭对称。这给执迷于对称之美的人提出了难题。

CP 破坏:非对称获胜

让我们更进一步。如果我们将 C(电荷对称)和 P(宇称)同时应用于一个左旋中微子,应该会得到一个右旋的反中微子:C 使中微子变为反中微子;P 使左旋中微子变为右旋中微子。没错,反中微子是右手性的。弱相互作用分别违反了 C 对称和宇称,但显然满足了 CP 对称组合的运算。在实践中,这意味着左手性粒子的反应应该与右手性反粒子的反应以相同的速度发生。所有人似乎都松了一口气。人们希望大自然在所有已知的相互作用中都是 CP 对称的。对称之美回来了。

这种兴奋并没有持续太久。1964 年,詹姆斯・克罗宁和瓦尔・菲奇在一个 K 介子衰变的实验中,发现了 CP 对称破坏的迹象。本质上,K 介子及其反粒子并不像 CP 对称理论预测的那样以相同的速率衰变。物理学界震惊了。对称之美再一次消失了,而且直到今天仍没有恢复。CP 破坏是自然存在的事实。

如此多的不对称

CP 破坏有着更深层和更神秘的含义:粒子也会选择一个首选的时间方向。时间的不对称性 —— 宇宙膨胀的标志 —— 也发生在微观层面上。这一发现意义重大。

此外,还有另一个关于不对称的重要事实。生命也是“手性的”:从变形虫到葡萄,从鳄鱼到人类,所有生物体内都具有左旋的氨基酸和右旋的糖分子。在实验室里,我们将左旋分子与右旋分子以 50:50 的比例混合,但自然界中看到的情况并非如此。生命几乎一边倒地偏好左旋氨基酸和右旋糖分子,究竟为何如此,目前尚不得而知。

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关键词:宇宙生命反物质

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