# 量子力学番外篇2：这个宇宙的物理学并不完美，而这很值得庆祝

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这一讲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。

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“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 —— 

![一个右手性的粒子](https://piccdn3.umiwi.com/img/202004/23/202004231855416529793881.png)

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。

![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。](https://piccdn3.umiwi.com/img/202004/23/202004231857112827986308.jpg)

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。

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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。

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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。

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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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好，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。 

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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。

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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]。

![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。](https://piccdn3.umiwi.com/img/202004/23/202004231859567298356328.jpg)

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……

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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。

## 划重点

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。

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