人類的存在歸功於不對稱
北京時間2月11日訊息，據國外媒體報道，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。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，而且沒有恆星、行星或生命。儘管如此，物理科學中盛行著一種將事物在數學上推向完美的美學，這種完美就表現為對稱性。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：你是選擇支援“一切都是對稱的”，還是選擇做一個不完美的標新立異者？
反物質：物理學家為什麼喜歡對稱？
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”聯絡在一起的方式，使得我們在物理學中用來描述宇宙的數學方法需要反映出數學上的對稱性：宇宙呈現美麗的對稱性，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，確實預言了反物質的存在，即每一個物質粒子（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，將對稱性的數學運算應用到一個方程中，引導人類發現了一個完整的平行物質領域。難怪狄拉克如此忠誠於“對稱之神”，是它引導他的思想取得了這一驚人的發現。
請注意，反物質其實並沒有像聽上去的那麼古怪。反物質粒子在引力場中並不會上升，只是它們的一些物理性質發生了逆轉，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。
人類的存在歸功於不對稱
在這裡，我們遇到了一個狄拉克並不瞭解的問題。支配自然界基本粒子行為的物理定律預言，物質和反物質應當同樣豐富；也就是說，它們應該以1：1的比例出現。一個電子應當對應一個正電子。然而，如果現實中存在這種完美的對稱性，那麼在大爆炸後的幾分之一秒內，物質和反物質就應該湮滅，變成輻射（主要是光子）。但事實並非如此。大約十億分之一的物質粒子作為多餘的部分存留了下來。這意義重大，因為我們在宇宙中看到的一切——星系及其內部的恆星，行星及其衛星，地球上的生命，以及各種物質團塊，包括有生命的和沒有生命的——都來自這些過剩的物質。這就是物質與反物質之間基本的不對稱。
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，自然法則並不同樣適用於物質和反物質。究竟是什麼機制創造了這種微小的物質過剩？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粒子轉化為反物質粒子。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換中的對稱性。物理學家觀測到的物質-反物質不對稱意味著自然界並不呈現電荷共軛對稱：在某些情況下，粒子和它們對應的反粒子不能相互轉化。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（每秒大約有一萬億個來自太陽的中微子穿過你的身體）。
想要了解為什麼中微子違反了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映象。例如，你的身體就不是宇稱不變的；你的映象心臟位於右側。對於粒子而言，宇稱與它們的自旋方式有關。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。對於電子、夸克和中微子這樣的基本粒子，自旋是與質量、電量一樣的內稟性質。我們說它們的自旋量子數為1/2，意即可以是+1/2或-1/2，這兩個選項對應於兩個旋轉方向。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用C運算，應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，也有其對應的反粒子，也是電中性的。問題是，自然界中並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。這給執迷於對稱之美的人提出了難題。
CP破壞：非對稱獲勝
讓我們更進一步。如果我們將C（電荷對稱）和P（宇稱）同時應用於一個左旋中微子，應該會得到一個右旋的反中微子：C使中微子變為反中微子；P使左旋中微子變為右旋中微子。沒錯，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應該與右手性反粒子的反應以相同的速度發生。所有人似乎都鬆了一口氣。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。
這種興奮並沒有持續太久。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，發現了CP對稱破壞的跡象。本質上，K介子及其反粒子並不像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。
如此多的不對稱
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——宇宙膨脹的標誌——也發生在微觀層面上。這一發現意義重大。
此外，還有另一個關於不對稱的重要事實。生命也是“手性的”：從變形蟲到葡萄，從鱷魚到人類，所有生物體內都具有左旋的氨基酸和右旋的糖分子。在實驗室裡，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並非如此。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”
