宇稱不守恆定律: 我們所處的世界就是存在缺陷的, 並不完美?

  曾經有一種理論認為，宇宙大爆炸開始時產生的物質和反物質的數量應該是一致的，但是我們能夠觀察到的世界卻主要是物質，這種現象讓人十分困惑。物理學家們發現基本的物理定律除了不受時間的影響，應該也不受空間和粒子性質變換的影響，於是提出了我們之前說到的三大守恆定律。這三個守恆定律曾經被認為是現代物理學的基礎。一些此前廣泛流行的物理學理論認為，所有粒子都有對應的反粒子，尤其是反物質理論誕生之後，物理學家們認為，就像人在鏡子中看到對稱的自己一樣，粒子和反粒子也會存在對稱性。

  1951年，華裔物理學家楊振寧教授和李政道教授開始了合作研究，在1956年共同提出了弱相互作用中宇稱不守恆定律。那一年，楊振寧和李政道經過了大量的分析和深入研究后，提出了大膽的假設，在γ粒子和θ粒子完全相同的情況下，如果它們處於弱相互作用環境，可能存在運動規律不相同的情況。這兩個粒子後來被稱為K介子。也就是說，這兩個完全一樣的粒子如果去照鏡子，那麼在鏡子中看到的和本身發生的事情卻不一樣。用科學的語言進行描述，就是這兩個粒子在弱相互作用下宇稱不守恆。

  起初的時候，出現這種現象的粒子還被當成特例，因為科學家們不願意放棄舊有的理論，依然認為微觀世界中宇稱守恆。但是在宇稱不守恆定律發表后，另一位華裔物理學家吳健雄通過實驗證明了這一定律的正確性。從這時候開始，宇稱不守恆定律才作為一個科學原理被廣泛承認。

  吳健雄在這個實驗中分別使用了兩套科學設備，分別觀測其中的鈷60原子核的衰變情況。首先，她在接近絕對零度的低溫環境下利用強磁場將其中一組鈷元素的原子核自轉的方向設定為向左旋轉，之後將另一組鈷元素的原子核旋轉方向設定為向右旋轉。如此一來，這兩組裝置中的鈷原子互為鏡像。通過對兩套裝置進行觀測，發現其中的鈷向外釋放的電子數量有很大的區別，而且發射電子的方向也無法形成對稱。這個實驗的結果證明了在弱相互作用下粒子的宇稱不守恆。

  可以舉一個淺顯的例子來對這個場景進行解釋。我們可以假設兩輛汽車是完全相同的，並且互為鏡像。A車的駕駛位位於左前方，司機使用右腳來控制油門。B車司機和他採用的動作是一模一樣的，只是方向改變，也就是說，駕駛位位於右前方，司機用左腳控制油門開度，並且油門踏板的行程也和A車完全相同，那麼B車的運動軌跡會是怎樣的呢？很多人都會認為，這兩輛汽車應該保持同樣的行駛方向和行駛速度，但是事實證明這只是想當然。在微觀世界中，B車的行駛速度與A車完全不同，行駛的方向也可能並不一致。粒子用自己的行動表明了宇稱不守恆。

  宇稱不守恆原理在物理學界產生了深遠的影響，很多科學家認為，如果沒有楊振寧教授和李政道教授的研究，如今的理論物理學不知道會是怎樣一番景象。他們也因為這一發現獲得了諾貝爾物理學獎。

  在人們平時的生活中，時間是朝著一個方向行進的。人無法變得年輕，只會更加衰老。發生過的事情無法改變，就像破碎的鏡子再難復原，過去與未來之間存在著清晰的界限。但是在物理學家們看來，時間是一種能夠被逆轉的形態。一對光子發生碰撞時，會釋放出一個電子和一個正電子。與之相對的，電子和正電子碰撞時會產生一對光子。這兩個過程同樣都符合物理定律，而且在時間軸上對稱。如果我們可以將這兩個過程分別記錄下來並播放，觀看錄像的人將不能分辨出該錄像是順序播放還是逆序播放。可以說，在這個時候時間失去了方向性。在物理學上，這樣無法明確判斷是過去還是未來的特性就被稱作時間對稱性。

  但是到了1998年，物理學家們在微觀的粒子世界中第一次發現了不符合時間對稱性的情況。時間沒有方向性這一理論是經典物理學的基礎，並且在宏觀世界中得到了驗證。但是在最近的數十年間，科學家們把研究的重點放在了微觀世界中。經過長達三年的專項研究，歐洲核子研究中心的研究團隊取得了突破性的進展。這些科學家通過實驗證明，中性K介子在衰變過程中，不具有時間對稱性。

  這個研究團隊中的科學家來自9個不同的國家，他們通過實驗對K介子和反K介子進行了相互轉換。這種介子比電子的質量要大，但是與質子和中子相比又很小。它們的自旋為整數，並且參與強相互作用。科學家們通過實驗發現，K介子轉變為反K介子的速度，比它的逆過程，也就是反K介子轉變為K介子的速度要慢。在物理學發展史上，這一實驗結果是首次能夠直接觀察到的時間不對稱現象。

  如此一來，粒子的微觀世界具有的全部物理對稱性全都被證偽了。也就是說，從本質上來說，我們所處的世界就是存在缺陷的，並不完美。

  粒子不具有對稱性，也能夠說明物質與反物質的總量並不相等。從我們能夠觀察的現實來說，很顯然，身邊都是由物質構成的事物，物質是毫無疑問的主要角色。反物質雖然存在，但是出現得極其偶然，而且存在的時間很短。

  對稱性實際上反映的是不同的物質在運動中表現出的共同性質。因為對稱性的缺失，物質的特性才得以顯現。建築和繪畫藝術也是如此，只有基本對稱但是不完全對稱的作品才更美。DNA的分子結構是自然形成的，所以具有對稱性，不斷複製，把分子呈螺旋結構連接在一起。形成這種結構的分子之間的排列完全一致。但是在分子的複製過程中，有時會發生輕微的偏離，破壞了完全準確的對稱結構。這就給大分子在排列順序上造成了新的可能，並且讓那些複製更加便利的分子結構能夠更快發展。所以，破壞對稱帶來了物質的變化和發展，也讓物質構成的事物更加豐富多彩。