親愛(ài)的曼娜斯小姐：

我該把菜往哪個(gè)方向傳呢，是左還是右？

文雅的讀者：

菜盤(pán)子應(yīng)該從左往右。

一個(gè)原子由一個(gè)致密的原子核（由質(zhì)子和中子構(gòu)成）和一個(gè)圍繞著中央核的電子云組成。原子核是由強(qiáng)核力束縛在一起的，類(lèi)似于引力把恒星和行星束縛在一起，你會(huì)認(rèn)為它基本上是圓形的。但這并不總是對(duì)的，因?yàn)槲锢韺W(xué)家發(fā)現(xiàn)有一些原子核并不是對(duì)稱(chēng)的，而是呈梨形的，比如鋇-144。聽(tīng)起來(lái)好像基本理論物理學(xué)又要受到挑戰(zhàn)了，但其實(shí)這或許是一個(gè)好消息，因?yàn)樗苍S可以幫助物理學(xué)家解釋宇宙學(xué)中的一個(gè)大難題！

艾米·諾特解釋了自然界中守恒定律和對(duì)稱(chēng)性的關(guān)系。她的定律是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。

在20世紀(jì)初，艾米·諾特發(fā)現(xiàn)了基本物理學(xué)定律和對(duì)稱(chēng)性有關(guān)。她把連續(xù)對(duì)稱(chēng)性和守恒定律連接了起來(lái)，例如，一個(gè)系統(tǒng)對(duì)于空間平移的不變性（物理定律不隨空間中的位置而變化）給出了動(dòng)量的守恒定律。諾特定理優(yōu)雅地描述了這一關(guān)系，并且是許多現(xiàn)代物理理論的基礎(chǔ)。諾特展現(xiàn)給我們的一些最強(qiáng)大的對(duì)稱(chēng)是那些跟空間和時(shí)間相聯(lián)系的對(duì)稱(chēng)。

舉個(gè)例子，鏡像對(duì)稱(chēng)，也被稱(chēng)為宇稱(chēng)不變性。當(dāng)你照鏡子的時(shí)候，鏡中的你跟現(xiàn)實(shí)中的你正好左右相反。如果你舉起右手，鏡像中的你就會(huì)舉起左手。鏡中的你心臟在右側(cè)，身上的表針逆時(shí)針走?，F(xiàn)在想象有一個(gè)鏡像宇宙，在這個(gè)宇宙中所有的東西都是相反的。在這個(gè)宇宙的我們都是左邊駕駛的，太陽(yáng)會(huì)打西邊升起，從東邊日落等等。但基本上沒(méi)有任何其它東西會(huì)改變，事實(shí)上我們只要把左邊和右邊的概念對(duì)換一下就會(huì)跟我們身處的這個(gè)宇宙沒(méi)有任何區(qū)別。

至少，這種情景在宇稱(chēng)守恒的前提下是正確的。在大多數(shù)情況下，自然并不區(qū)別左和右，宇稱(chēng)是守恒的。但是1950年代中期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些“奇異粒子”，某些粒子在它們的衰變方面有令人困惑的性質(zhì)。這樣的困境直到1956年才得以解決，那個(gè)時(shí)候楊振寧和李政道提出了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來(lái)是驚世駭俗的建議：宇稱(chēng)不守恒！

泡利：“我不相信，上帝是個(gè)弱的左撇子。我準(zhǔn)備拿一大筆錢(qián)打賭，實(shí)驗(yàn)一定會(huì)得出對(duì)稱(chēng)的結(jié)果。”

他們建議研究一個(gè)自旋的放射性原子核。我們知道在放射性原子核中，原子核是有一定的幾率發(fā)生衰變的，并且由弱相互作用決定。衰變的原子核會(huì)放出一個(gè)電子和一個(gè)中微子，后者在實(shí)驗(yàn)中觀察不到。因此科學(xué)家必須把目標(biāo)集中在高速飛出的電子上。假定電子沿核自旋方向射出。如果宇稱(chēng)守恒，電子應(yīng)該在核自旋方向和相反方向有相同的射出幾率。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中涉及許多原子核，我們會(huì)觀察到從許多衰變中射出的電子，看看它們是否偏愛(ài)哪個(gè)方向。如果在我們的世界中，電子更多沿核自旋的方向射出，而鏡中世界則會(huì)觀察到電子更多沿核自旋的反方向射出，因此我們就可以得出結(jié)論：自然破壞宇稱(chēng)不變性。

吳健雄的實(shí)驗(yàn)。（? Wikipedia）

1956年的時(shí)候，吳健雄通過(guò)觀察鈷-60原子的放射性衰變，發(fā)現(xiàn)電子主要從一個(gè)特定方向射出。她驗(yàn)證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱(chēng)不守恒?？上攵@個(gè)消息在當(dāng)時(shí)讓物理界同行都目瞪口呆！

（這聽(tīng)起來(lái)是一個(gè)并不困難的實(shí)驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)吳健雄遇到的實(shí)驗(yàn)難題是沒(méi)有人能夠提供給她一個(gè)自旋的原子核。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣品中的巨大數(shù)量的原子核在不同的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。只有設(shè)法把這些核自旋排列好來(lái)，實(shí)驗(yàn)才能奏效。在室溫下，原子在永久的熱激發(fā)中振動(dòng)，所有以核自旋排列好了很快又都指向不同的方向。因?yàn)?，她只能在低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以使熱激發(fā)最小。吳健雄最終克服了重重難關(guān)，證明了宇稱(chēng)不守恒，自然第一次把她的“手征”呈現(xiàn)在這位偉大的女士面前。）

另一個(gè)對(duì)稱(chēng)是跟電磁荷有關(guān)的。在我們的宇宙中，質(zhì)子帶有正電荷，而電子帶有負(fù)電荷。電荷對(duì)稱(chēng)關(guān)心的是如果電荷對(duì)換了會(huì)發(fā)生什么。我們知道粒子和它的反粒子有完全相同的質(zhì)量，但電荷卻相反。通過(guò)一個(gè)電荷共軛的操作，相當(dāng)于在一個(gè)物理過(guò)程中把所有的粒子用相應(yīng)的反粒子替代。就和想象鏡中的世界一樣，我們也可以想象一個(gè)由反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。根據(jù)電荷共軛對(duì)稱(chēng)推斷，我們的世界和反世界的物理定律應(yīng)該完全一樣。到1956年，不同的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)驗(yàn)證了電荷共軛不變性。但是宇稱(chēng)既然被破壞了，物理學(xué)家不免要問(wèn)，電荷共軛不變性是否也會(huì)被破壞。

中微子（紅）的螺旋性，永遠(yuǎn)是左手的；而反中微子（藍(lán)）永遠(yuǎn)是右手的。（? Universe Review）

事實(shí)證明，電荷對(duì)稱(chēng)也是可以破壞的，也跟弱相互作用有關(guān)，特別是中微子。雖然中微子并不具有電荷，但它們卻具有螺旋性。給定一個(gè)沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的自旋的粒子，我們可以問(wèn)，前面所定義的自旋方向是沿運(yùn)動(dòng)方向呢還是與它相反？如果一個(gè)粒子的螺旋性是右手征的那么自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相同。從實(shí)驗(yàn)中表明，中微子有一個(gè)奇怪的性質(zhì)：它永遠(yuǎn)是左手的。根據(jù)電荷共軛不變性推斷，反中微子也應(yīng)該是左手的，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察反中微子發(fā)現(xiàn)，它確實(shí)右手的。弱相互作用也破壞電荷共軛不變性。

所有的中微子都是左手的，沒(méi)有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的，沒(méi)有左手的反中微子存在。（? E. Siegel）

宇稱(chēng)和電荷共軛都被破壞了，那么有沒(méi)有這樣一種可能性：如果我們能夠建造一個(gè)魔鏡，它不僅能反射左和右，還能把粒子變成反粒子，那么自然有沒(méi)有可能在宇稱(chēng)（P）和電荷共軛（C）的聯(lián)合操作下不變。好景不長(zhǎng)，在1964年的時(shí)候科學(xué)家也找到了CP被破壞的證據(jù)。

一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)的介子（左上）衰變并往北射出電子。在P變換下（右上），介子順時(shí)針?biāo)プ儾?span style="white-space: pre-wrap;">往北射出電子；在C變換下（左下），逆時(shí)針轉(zhuǎn)的反介子衰變并往北射出電子；在CP聯(lián)合變化下（右下），該粒子變成順時(shí)針的反介子衰變，并往北射出電子。（? E. Siegel）

所以，這跟梨形的原子核有什么關(guān)系？原子核一直被認(rèn)為只有三種形狀：球形，鐵餅形，或橄欖球形，原子核的形狀是由發(fā)生在質(zhì)子和中子間的各種相互作用決定的。它們?nèi)咧g有一個(gè)共同點(diǎn)就是它們是對(duì)稱(chēng)的，并且它們都是CP對(duì)稱(chēng)的。換句話(huà)說(shuō)，如果那些相互作用是CP對(duì)稱(chēng)的，就不會(huì)有梨形的原子核。因此通過(guò)研究像鋇-144這種奇異原子核，我們可以得知關(guān)于CP對(duì)稱(chēng)如何被破壞的線(xiàn)索。

那么，這跟一開(kāi)始提到的宇宙大難題有什么關(guān)系？記住，電荷共軛對(duì)稱(chēng)是跟物質(zhì)和反物質(zhì)相聯(lián)系的。由于電荷是守恒的，每當(dāng)在一些物理過(guò)程中產(chǎn)生了粒子，相應(yīng)地反粒子也應(yīng)該產(chǎn)生。在大爆炸后，宇宙應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但是，在138億年后的今天，宇宙卻充滿(mǎn)了物質(zhì)，我們幾乎沒(méi)看到有什么是由反物質(zhì)構(gòu)成的。物質(zhì)和反物質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性的起源是宇宙學(xué)中最大的難題之一。雖然CP破壞被提出來(lái)解釋為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多，但是目前的理論并不足夠解釋今天我們所看到的物質(zhì)的量。如果我們能夠從梨形原子核中窺探到隱藏在CP破壞背后的秘密，就能合理的解釋萬(wàn)物為何存在。

參考文獻(xiàn)

【1】C. S. Wu, et al. Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay. Physical Review 105 (4): 1413–1415. (1957)

【2】B. Bucher et al. Direct Evidence of Octupole Deformation in Neutron-Rich 144Ba. Phys. Rev. Lett. 116, 112503 (2016)  arXiv:1602.01485

【3】 <<Fearful Symmetry: The Search for Beauty in Modern Physics>>, A.Zee

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