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我們先想一個問題，當(dāng)我們談?wù)摗拔镔|(zhì)”和“反物質(zhì)”，或者談?wù)撈渌熘囊恍┪锢矶傻臅r候，本質(zhì)上是在談“什么”？往天上扔一個球，球飛到一定高度就會落下來，這是因為能量守恒：動能和勢能加起來總和不變。在物理學(xué)家看來，之所以會有能量守恒，是因為物理定律的方程具有“時間平移不變性” —— 說白了，就是物理定律不隨時間發(fā)生改變。數(shù)學(xué)家管不變性叫“對稱性”，我們也可以說，是數(shù)學(xué)描述的時間“對稱性”，決定了能量守恒。1915年，德國女?dāng)?shù)學(xué)家艾米·諾特（EmmyNoether）證明，我們數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中的每一個連續(xù)的對稱性都通往一個物理守恒定律，某些量會因此而永遠(yuǎn)守恒。
物理學(xué)家尤金·維格納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，“對稱性”還描述了粒子所擁有的所有量子性質(zhì)，包括質(zhì)量和自旋，所帶電荷……至少在我們自己的這個宇宙，對稱性的研究，揭示了哪些“東西”可以存在于其中。人們越來越清楚地認(rèn)識到，幾乎所有的物理定律都來自對稱性。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者菲利普·安德森（PhilipW.Anderson）甚至說：“說物理學(xué)家研究的是對稱性，一點(diǎn)也不夸張?！?/strong> “物質(zhì)”和“反物質(zhì)”，就如同鏡中的“自己”。如果我們照鏡子，鏡中人突然走了出來，那么這你和ta，必然有相同的地方（比如體重相同，都有兩條胳膊兩條腿一個眼睛……），但同時也會有些“不同”（左右顛倒，前后顛倒），你們是對稱的。過去的觀點(diǎn)，普遍認(rèn)為我們這個宇宙的物理規(guī)則是完全“對稱”的，也就是守恒的。即使發(fā)生空間的反演變換，物理法則也不會改變。即便我們發(fā)現(xiàn)某些地方 “不對稱”了，我們也要找到一些其他“方法”去維持“對稱”的理念，大概可以這么辦：某天在夢中，你和自己的鏡中人見面，突然發(fā)現(xiàn)自己明明有兩條胳膊，可鏡中的自己卻只有一條胳膊，于是你對鏡中人說：“誒誒？怎么回事？咱倆這樣可不對稱了啊！這可還行？”，鏡中人笑了笑說：“莫慌，雖然我只有一條胳膊，但是我有兩個心臟啊，滿打滿算，里外里咱倆其實(shí)還是‘對稱的’ ”。
物理學(xué)家把空間的通過“上下左右前后變化”后保持的“對稱”，叫做“宇稱對稱性”，簡稱“P”對稱。但隨著基本粒子研究的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)了“P對稱不守恒”的粒子——這是一件很郁悶的事情，就如同你發(fā)現(xiàn)鏡中的自己，缺了一條胳膊那樣郁悶。于是科學(xué)家想要找到其他的“對稱”，去彌補(bǔ)P對稱的破缺。于是“C對稱”來了。C對稱，就是粒子和反粒子之間的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的對稱性（也叫作電荷共軛）。為了維護(hù)“對稱的信念”，科學(xué)家就構(gòu)想了一套理論：雖然P對稱發(fā)生了破缺，但只要與C對稱組合起來——如果在數(shù)學(xué)上說的通，就依然可以維持“對稱”的守恒。這就是“CP對稱”。可惜，“CP對稱”這顆物理學(xué)家的定心丸沒吃多久。1964年，研究者發(fā)現(xiàn)一種叫做“K介子”的粒子，在變化過程中，發(fā)生了CP不對稱的情況（CP對稱性破缺），雖然這種現(xiàn)象出現(xiàn)的概率只有千分之一，但足以證明了“CP對稱性”依然不是真正的對稱，這在全世界范圍引發(fā)了巨大轟動。
為什么今天這個世界完全是由“物質(zhì)”構(gòu)成的，而不是“反物質(zhì)”——這個問題本質(zhì)上就是“對稱”問題。是什么原因，讓宇宙誕生過程中的某個節(jié)點(diǎn)，發(fā)生了某些破壞對稱性的事件？之后產(chǎn)生了蝴蝶效應(yīng)般的漣漪，最終導(dǎo)致反物質(zhì)團(tuán)滅。本期視頻節(jié)目，只是解釋這種“十億分之一不對稱性'的猜想之一。
“對稱”這個問題看似沒什么重要的，但對于科學(xué)家，是一個關(guān)乎自然秩序的重大問題。換句話說，只要能解釋“CP對稱性破缺”的問題，不僅可以挽救科學(xué)家的信念，同時也很有可能揭開反物質(zhì)消失的秘密。小林誠和其師兄益川敏英給出了一個答案。他倆均為土生土長的日本科學(xué)家，2008年，他倆與南部陽一郎共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。小林誠和益川敏英提出了“小林－益川理論”，認(rèn)為造成上述現(xiàn)象的原因是：夸克的反應(yīng)衰變速率不同。我們都知道，物質(zhì)是由各種“基本粒子”構(gòu)成的。人類已知構(gòu)成“常規(guī)物質(zhì)”的基本粒子包括“夸克”和“輕子”兩大類：夸克又分為“上夸克”和“下夸克”，輕子分為“電子”和“中微子”。但這還并不是全部，除了這四個粒子，還有一些粒子位于其他列。除了質(zhì)量更大之外，每一列的粒子都和第一列很像（具有相同的特性，比如電荷和力的相互作用）。每一列都是一代，人們已經(jīng)列出了三代。每一行，就像是三胞胎親兄弟一樣，除了體重，其他都一樣。每行的兄弟之間，胖瘦（質(zhì)量）不同——更胖意味著，可以減肥“衰變”成為更輕的弟弟。除了兄弟之間可以跨代轉(zhuǎn)換，在宇宙誕生時期，溫度極高，不同種類的粒子之間也會發(fā)生“互相轉(zhuǎn)化”，（比如，夸克和中微子也會互相轉(zhuǎn)換），而這些基本粒子可都是構(gòu)成物質(zhì)的基本元素。所以，“小林－益川理論”核心思想是說，在宇宙初期混亂的“變來變?nèi)ァ睍r代，因為“三代夸克兄弟彼此減肥（衰變）速率”不同，造成了某些變化的“不同步”，最終導(dǎo)致了“CP對稱性破缺”——而這，也很可能是反物質(zhì)被團(tuán)滅的另外一種視角。更關(guān)鍵的一點(diǎn)在于， “小林－益川理論” 還預(yù)言了夸克有且只有 “三代，6種”——只有這樣，才能解釋“CP對稱性破缺”。
為什么是三代夸克，而不是兩代？為什么必須是“三代”，才能造成“CP對稱性破缺”？如果我們在空間設(shè)置兩個點(diǎn)，那么連接這兩點(diǎn)，能畫出一條直線。如果增加到三個點(diǎn)，就能畫出三角形這樣的平面圖形了。CP對稱性是基本粒子所表現(xiàn)的對稱性之一。C對稱作用下，生成反粒子，就像粒子在“照鏡子”，如果鏡中的新粒子，“在數(shù)學(xué)上”計算出與原來的粒子沒有本質(zhì)區(qū)別。那么CP對稱性就是守恒的。若出現(xiàn)差異，就意味著發(fā)生了“CP對稱性破缺”。由兩個點(diǎn)連接而成的直線即使鏡像翻轉(zhuǎn)后看上去也和原來一樣，兩者并沒有什么區(qū)別，因此可以說它處于對稱性守恒的狀態(tài)。然而，當(dāng)點(diǎn)的數(shù)量變成三個時，我們不僅能畫出直線，還能畫出三角形。除了等腰三角形和等邊三角形這類特殊三角形外，三角形基本上不具有對稱性。也就是說，如果沿著一個對稱軸鏡像翻轉(zhuǎn)三角形，得到的新三角形無法和原來的三角形重合，二者是有區(qū)別的——就好像你的左手和右手互為鏡像，看上去是一對兒，但其實(shí)是無法重合的。在這種情況下，對稱性是不守恒的。大體說來，CP對稱性也會出現(xiàn)類似的情況。如果夸克只有兩代共四種，那么就像兩點(diǎn)確定一條直線那樣，CP對稱性是無法發(fā)生破缺的。但是，如果夸克有三代共六種，那么就像由三個點(diǎn)可以確定一個三角形那樣，可以發(fā)生CP對稱性破缺。“小林－益川理論” 提到夸克三代兄弟因為胖瘦（質(zhì)量）不一，所以“減肥”的速度也不同，這種減肥“速度差異”，就可以理解為“三角形的三條具有長度差異的邊”。而實(shí)際上，研究者已經(jīng)通過實(shí)驗證明了的確存在三代共六種夸克，也由此確認(rèn)了CP對稱性會出現(xiàn)不守恒的情況——正是因為這個原因，我們也認(rèn)為今天的宇宙中僅留存下粒子，而反粒子幾乎團(tuán)滅，也應(yīng)該與“CP對稱性破缺”有關(guān)。- 《WE HAVE NO IDEA》[巴拿馬] 豪爾赫·陳 / [美] 丹尼爾·懷特森
.............................................. 這是希臘神話中的銜尾蛇。這條蛇在吞食自己的尾巴時，軀體會呈現(xiàn)為圓環(huán)狀，它仿佛象征著和諧的宇宙。如果將蛇頭比作整個宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微觀世界就可以像銜尾蛇吞食著自己的尾巴那樣銜接在一起。我們的世界或許也是這樣的結(jié)構(gòu)，即宏大的宇宙與微小的基本粒子銜接在一起，相互影響，彼此成就。
如果你對基本粒子的“宇宙世界”感興趣，可以再去看看這本《物質(zhì)的秘密》。法文原版暢銷十年，長居法國亞馬遜科普暢銷榜首。作者用生活化的例子講述了微觀世界的物理現(xiàn)象，難度適宜，穿插的文學(xué)哲學(xué)藝術(shù)歷史典故，卻又暗藏玄機(jī)。  交易擔(dān)保 黑洞百貨公司 物質(zhì)的秘密 小程序
【薛餓】把10斤豬肉無限切下去會發(fā)生什么？點(diǎn)個在看，薛餓變不成爆款 轉(zhuǎn)個發(fā)，薛餓也變不成十萬加
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