宇宙真粒子论解释：粒子世界镜像宇宙的破灭

关于对称性和守恒定律的研究一直是物理学中的一个重要领域，对称性与守恒定律的本质和它们之间的关系一直是人们研究的重要内容。

什么是对称性呢？我们可以简单地理解为如果你对一个物体进行某些操作，在这些操作完成之后，它看起来和之前是一样的，那么这个物体就是对称的。例如，球体是完全对称的：无论你朝哪个方向转动球体，它看起来都是一样的。同样地，对称性也普遍存在于物理学定律中：物理方程在时间或空间的不同位置不会改，对称现象是物质世界某种本质和内在规律的体现。

而什么是守恒定律呢？守恒定律就是指在自然界中某种物理量的值恒定不变的规律。 物理定律的守恒性具有极其重要的意义，有了这些守恒定律，自然界的变化就呈现出一种简单、和谐、对称的关系，也就变得易于理解了。所以物理学家都迫切希望整个世界都遵循守恒性

1918年，“代数女皇”艾米·诺特发表了论文Invariante Variationsprobleme，她在论文中证明了诺特定理。诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克说：“诺特定理一直是20世纪和21世纪物理学的指路明灯。”

而在诺特定理中，诺特首次发现了物理学中守恒定律和对称性这两个重要概念之间的联系。诺特定理宣称，每一个这样的对称性都有一个相关的守恒定律，反之亦然。

所以能量守恒对应时间平移不变性，动量守恒对应空间平移不变性，角动量守恒对应于旋转不变性。

而这个时候，物理学家提出了一个非常简单的问题，假如说一个人站在镜子面前，镜子里的你肯定是左右颠倒的，那么如果说你动一下左腿，其实镜子里的你是动了一下右腿，那么假如我左腿踢了一下足球，镜子里的就是右腿踢了一下足球。

物理学家就提出了疑问，镜子里的你踢足球的时候是否和你一样满足牛顿运动定律，如果也满足牛顿运动定律，那我们按照定义就可以说牛顿运动定律在镜面反射对称下具有不变性，称之为宇称不变性。而按照牛顿运动定律发生的过程严格宇称守恒。所谓“宇称”，粗略的说，可理解为“左右对称”或“左右交换”。

镜像反射

所以在 1926 年，物理学家提出了宇称守恒定律，并且把对称和守恒定律的关系由经典力学进一步推广到微观世界。在微观世界“宇称守恒”就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。

就和人照镜子一样，镜中的影像和真实的自己除了左右颠倒之外包括容貌、装扮、表情和动作都是一样的。同样，一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同，除自旋方向外它们的运动规律也完全一致，具有完全相同的性质。

而当物理研究由经典力学深入到微观领域，物理学家发现在四大基本相互作用力里，电磁力、引力、强力的物理规律都具有宇称不变性，由它们支配的过程都宇称守恒。

宇称守恒都符合粒子的三个基本的对称方式：

1、一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子，定律是相同的，这被称为电荷（C）对称。

2、一个是空间反射对称，即同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这叫宇称（P）。

3、一个是时间反演对称，即如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动是相同的，这被称为时间（T）对称。

而为了描述这种对称性质，物理上把微观粒子分成两类，一类宇称为正（ 1），一类宇称为负（-1），也可称作奇偶，一个系统的总宇称，就等于系统内所有粒子宇称的乘积。而一个系统无论如何变化，不管是分裂出新粒子，还是结合成新粒子，系统变化前后的总宇称保持不变。

我们知道，现代物理将物质间的相互作用力分为四种：引力、电磁力、强力和弱力。在强力、电磁力和引力作用的环境中，宇称守恒理论都得到了很好的验证：正如我们通常认为的那样，粒子在这三种环境下表现出了绝对的、无条件的对称。

所以科学家们自然而然也就认为弱力也对称守恒，弱力它只作用于电子、夸克层子、 中微子等费米子，并制约着放射性现象。而对诸如光子、引子等 玻色子不起作用。弱力的作用距离比强力更短，作用力的强度也比强力小得多，但在放射现象中起重要作用，β衰变中放出电子和中微子，电子和中微子之间只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之间。

我们这里来介绍一下粒子，现今在「标准模型理论」的架构下，已知的基本粒子可以分为组成物质的费米子以及传递力的玻色子。

传递力的（规范)玻色子有四种:1传递电磁力的光子；2传递引力的引力子；3传递核强力的胶子（介子）；4传递弱力的玻色子,最后还有一种赋予所有粒子质量的希格斯玻色子（上帝粒子）。物质宇宙就是由上述这些物质性的费米子以及传递力的玻色子所构成。

而费米子是依随费米-狄拉克统计、角动量的自旋量子数为半奇数（1/2，3/2…）的粒子。费米子遵从泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子构成的，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒子。基本费米子分为2类：夸克和轻子。而这2类基本费米子，又分为合共24种味（属性）：

· 12种夸克：包括上夸克 （u）、下夸克 （d）、奇夸克 （s）、粲夸克 （c）、底夸克 （b）、顶夸克 （t），及它们对应的6种反粒子。

· 12种轻子：包括电子 （e-）、μ子 （μ-）、陶子 （τ-）、电中微子（νe）、缈中微子（νμ）、陶中微子（ντ），及对应的6种反粒子。

首先我们要明白一点介子是传递强力的，但是介子在发生衰变时是弱力在产生作用。

科学家在1956年之前发现了θ和τ 两种介子的自旋，质量，电荷完全相同，一度以为是同一种粒子。

而澳大利亚的物理学家达利兹仔细的研究了这两个粒子，利用当时普遍被接受的物理定律去做了一个计算分析，结果表明θ和τ的宇称数不一样，因此不可能是同一种粒子。θ衰变时产生两个π介子，τ衰变时产生3个π介子，奇数个π介子的总宇称是负的，而偶数个π介子的总宇称是正的，如此看来又似乎不是同一种粒子。

1956年4月第六届罗彻斯特高能核物理年会在纽约州北部罗彻斯特大学举行，会议上讨论了θ-τ的衰变中，有科学家提出宇称是否有可能不守恒。然而当时大家都坚信宇称守恒，所以这样的质疑在当时被否定了。

比如曾被称为“物理全才”、拥有神通美誉的朗道就坚信宇称守恒，当时苏联物理学家沙皮罗在对介子衰变的研究中，发现了介子衰变过程中宇称不守恒。他向朗道介绍了自己的发现．朗道过于相信自己的直觉，对此不以为然。他认为，宇称一直是守恒的，无论是在宏观状态还在微观状态。他相信。凡是与他的物理直觉不合的想法，必定是错误的。所以当沙皮罗将自己的研究成果写成论文请他审阅时．他却连看也不看，若无其事地将它扔在一边。

而这个时候，杨振宁和李政道关于"τ-θ之谜”的研究已经取得了进展，杨振宁和李政道在这两种介子的时候，就首先巧妙地提出了我刚才讲到的介子是传递强力的，但是介子在发生衰变时是弱力在产生作用。

而对于弱相互作用的研究，杨振宁并没有直接入手，而是从β衰变展开，杨振宁和李政道发现，：在过去所有的β衰变实验里，实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。

β衰变

什么意思呢，就是宇称守恒不守恒都不会影响β衰变实验，而当时的科学家因为被固有印象影响，都自动带入了宇称守恒。杨振宁和李政道得出结论：和一般人确信的相反，虽然在强相互作用和电磁相互作用中宇称守恒以为实验所证实，但是在弱相互作用过程中宇称守恒定律仅仅是一个被推广的 “假设”而已，并没有被实验证实过。

所以杨振宁和李政道就重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验，并把具体的实验方法和之前的分析都写进那篇非常著名的论文《在弱相互作用中，宇称是否守恒？》中去了，然后投给了《物理评论》。但是，等论文发表的时候，论文题目却被杂志的编辑改成了《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》，原因是编辑认为一篇论文的标题不应该是一个问句。

这篇论文在当时物理学界引起了一片轰动，“上帝之鞭”泡利就说：我不相信上帝是一个弱左撇（因为人体都是对称的，打破了对称，那么人就只能变成左撇子了）。并准备投入大赌注与人打赌。费曼也坚信宇称守恒而与人打赌，赌金50美元。另外一位著名的物理学家就更有意思了，研究晶体的布洛赫曾经说，如果宇称不守恒，他就把自己的帽子吃掉！

这个时候泡利的学生也是物理女皇吴健雄出手啪啪打脸了自己的老师。

当时杨振宁和李政道邀请吴健雄帮他们证明弱相互作用下宇称不守恒，吴健雄实验的目的是检验钴60原子衰变时的物理过程是否具有镜像对称性，如图15-3a所示。实验需要在极低温(0.01K)的条件下进行，使用强磁场把钴60原子核的自旋方向转向左旋或右旋。图15-3a中将右旋原子核的b衰变叫做“原来实验”，左旋原子核的b衰变叫做“镜像实验”。如果b衰变中的宇称守恒的话，预料的b射线方向在图中应该向上。在吴健雄的真实实验设计中，“原来”和“镜像”两个实验同时进行，并将宇称守恒预言的两个b射线方向左右对称安置。也就是说，如果宇称守恒成立的话，实验结果应该有左右方向相等的角分布，否则便违背了宇称守恒。最后的实验结果显示角分布的明显不对称，因而证实了弱相互作用中的宇称不守恒。1957年1月15日，《物理评论》杂志收到了吴健雄等人实验证明宇称不守恒的论文

当时泡利听到了吴健雄实验证实宇称不守恒的消息，为了给自己一个台阶下，还给宇称女士写个讣告：

“我们伤心地宣布，我们的朋友宇称女士，在经历了短暂的手术痛苦之后，于1957年1月19日去世了。”

讣告的落款是e,μ,ν，三个弱相互作用主角的符号：电子、μ 子、和中微子。

吴健雄和泡利

弱相互作用下宇称不守恒的消息轰动了整个物理学界，这项发现的重要性达到了什么样的程度呢？1957年1月发布论文，1957年杨振宁和李政道就获得了诺贝尔奖，创造了成果发布获诺将最快纪录。

这个结论意义重大，在物理学中，时间T、宇称P和电荷C，被认为是现代物理学的基础，三者的守恒一直是物理学关注的对象，宇称不守恒让物理学家开始思考，我们理解世界的方式或许出了问题。而后来物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇，再次发现弱相互作用下宇称和电荷的联合对称不守恒（CP破坏），获得1980年的物理学诺贝尔奖。

后来人们还发现，在弱相互作用里另外两种重要对称性即电荷正负对称性C和时间反演对称性T也不是严格守恒的。但是，在量子场论中可以严格证明，对于满足狭义相对论的平直空间中的量子场，这三种对称性的组合CPT 是严格守恒的，这被称为CPT 定理。

简单来说，宇称守恒只适用于强力、电磁力和引力，不适用于弱力。很多人说：“很难想象,假若没有杨和李等的工作,今天的理论物理会是什么样子”宇称不守恒的提出对于研究宇宙的构造和物质的构造都具有不可估量的巨大意义，被认为是“科学史上的一个转折点”。弱力作用下的宇称不守恒，可以说是粒子世界镜像宇宙的破灭记——当人在开着车的时候，在粒子世界的镜面宇宙里，汽车B将以完全不同的速度行驶，方向也未必一致！

正是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷(C)不对称，导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。如果物理定律严格对称，宇宙连同我们自身就都不会存在了——宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质，但正反物质相遇后就会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。

上帝是个左撇子，造就了一个不太完美的宇宙，可证实这不完美，才让我们的世界变得更加缤纷多彩。