这一节说一个物理学的最新进展。咱们从背景知识讲起。我们这个宇宙里的物理学有个怪异的性质,让物理学家感到……怎么说呢?有点不自在。

我们考虑这么一个问题。比如说,有一个物理学家,他从来不直接观看这个世界,他总是通过一面镜子观察世界,他看到的一切物理现象都是真实世界的镜像。那你说,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?

这是一个很怪的问题,你可能会说为什么要思考这样的问题?确实,物理学家原本以为这根本就不是个问题。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,对吧?当然大多数人都是右撇子,但那只是一个文化习惯,跟物理定律没关系。把任何一个视频节目通过镜子看,你要不说,谁也看不出来里面的物理学过程有什么不对的地方。

但是在 1956 年,有两个来自中国的年轻人 —— 一个叫杨振宁,一个叫李政道 —— 说,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,这个解法实在太离奇了,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”。我先帮你理解一下这句话是什么意思。

*

“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。吴健雄要证明镜子里的物理学跟我们的物理学不一样,她不可能走到镜子里去做实验,但是她可以弄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。吴健雄用磁场控制原子核,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,吴健雄让钴-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。

咱们先多说几句这个左旋和右旋是什么意思。我们想象一个粒子正在一边沿直线前进、一边绕着自身旋转,如下图 —— 

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一个右手性的粒子

现在伸出你的右手,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。这个手势跟你在中学学的那个“右手螺旋定则”很相似。

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右手性和左手性,正好互为镜像 —— 

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好,现在吴健雄弄了一堆右手性的钴-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。左右不平等。

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这张图也许能让你看得更明白一点,但是看不明白也没关系。其中那个β射线就是电子。

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。

事后人们有进一步分析,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,反中微子总是右手性的。

这就是杨振宁、李政道和吴健雄当年那个工作的意义。下次看电影的时候,你要想知道胶片是不是放反了,有一个绝对好使的办法:你看看电影里的中微子是不是左手性的。

*

当然肉眼根本看不见中微子。中微子可能是最奇特的基本粒子。它们非常非常轻,质量几乎就是 0 但也不是绝对等于0,反正因为太轻了现在还没测出来到底有多轻。它们以接近光速的速度在宇宙中穿行,到哪都几乎是穿墙而过,几乎不跟任何物质发生相互作用 —— 但也不是绝对不发生相互作用,它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。这些名称你现在都不用管,中微子有个奇特的性质值得说一说。

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 —— 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。

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据我所知,没人能彻底说清中微子为啥会这样。这个现象叫做“中微子震荡”,你暂且记住,等会儿咱们还会用到。

*

回过头来接着说宇称不守恒的事儿。刚才我们说了,中微子总是左手性的,反中微子总是右手性的,所以宇称不守恒。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,这不就对称了吗?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,这不很和谐吗?

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。

现在物理学家只好又退一步,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、同时再把电影倒着放,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”。

CPT,目前来说,是守恒的。

*

说到这里我该揭开底牌了。讲这些对称性有什么意义呢?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。

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,你需要非常小心地保管它们,比如说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。

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读到这里,知道了这一点,现在我们设想一下,假如这个宇宙的物理定律是 CP 守恒的,会发生什么?CP 守恒意味着反物质除了手性跟正物质不一样,其他都一样。

而我们知道,在宇宙最初起源的时候 [1],并没有任何粒子存在。粒子们是大爆炸开始一万亿分之一秒之后,才出现的。咱们先不管能让粒子们无中生有的物理定律是什么 —— 既然 CP 守恒,正物质和反物质是对称的,你这个定律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,不偏不倚,对吧?

而正反物质粒子产生之后就会立即发生碰撞,彼此湮灭!那么这个结果就应该是不管你生产了多少正反粒子,它们也是正好一半一半,最后就应该全部互相湮灭掉,只剩下一大堆光子!

换句话说,如果物理定律是 CP 守恒的,我们这个宇宙里应该只有光子。

我们应该很庆幸,物理定律不是 CP 守恒的。

*

物理学家测算,要想让宇宙是今天这个样子,宇宙大爆炸期间每生产十亿个反粒子,应该生产十亿零 1 个正粒子。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。

换句话说你身上每一个粒子都是当初十亿分之一的幸存者。我们讲《给忙碌者的天体物理学》的时候感慨过这件事。现在你从对称性角度再想想,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存在。

万事万物,是因为物理定律不是绝对完美的,才导致的产物。

*

那这一点点CP不守恒,是多大的一点点呢?到底是哪个方程的不守恒导致的呢?现在还不知道。

1964 年发现的K介子衰变、和后来发现的B介子都包含CP不守恒,但是物理学家计算认为,这两个机制的贡献还不够。我们必须继续寻找别的CP不守恒的东西。现在物理学家盯上了中微子。

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。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 [2]。

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日本这个实验叫T2K,从东海往神冈发生中微子,直接穿地而过,距离不算太远。

不过要想定论,还得等精度更高的实验做出来再说。你会在十年之内的某一天再次听到有关中微子的新闻,而你应该意识到,那可是事关万事万物为什么存在的大事……

*

对称是美的。我们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……而殊不知,绝对的完美也不行 —— 因为“什么都没有”才是最完美的!留下几个小到不能再小的漏洞,才有了这个多姿多彩的世界。

绝对的完美不行 —— 因为“什么都没有”才是最完美的!留下几个小到不能再小的漏洞,才有了这个多姿多彩的世界。

《给忙碌者的天体物理学》解读:幸运是这个宇宙的通行证

The T2K Collaboration, Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, Nature volume 580, pages339–344(2020), 15 April 2020;报道见 Dennis Overbye, Why the Big Bang Produced Something Rather Than Nothing, New York Times, April 15, 2020.

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