【元素家族——連載139】上帝真的是個左撇子

04-30

無數物理學家窮極一生所追求的，莫過於那幾個守恆律。守恆的物理量代表的是物理學的最高境界：簡單就是美，用中國古話說，叫大道至簡。物理學家們相信，我們的造物主在設計宇宙時，就按照這個理念。物理學家的工作，無非是去理解和發現我們造物主的思想。

1918年，德國女物理學家諾特發表了一篇論文，提到每一條守恆律都可以和一種對稱性對應起來的，比如：

動量守恆代表的是空間平移的對稱性，空間的性質在哪裡都是一樣的，並不因為你在南京而不在上海，你就會胖一點或者跑得快一點。

角動量守恆代表的是空間的各項同性，不管轉多大角度，物理定律都是一樣的，如果你要說你轉多了頭暈，不是由於空間出錯了，而是你的生理特徵，這也由更深層次的物理學定律所支配。

能量守恆代表的是時間平移的對稱性，時間總是均勻的流逝著，時鐘不可能一會快一會慢。

這就是偉大的「諾特定理」，它體現了守恆律的美。

【德國女物理學家諾特，她提出的「諾特定理」影響深遠。】

而現在吳健雄的實驗告訴大家，原來我們的宇宙竟然有一個不守恆的地方，而且是我們之前最意想不到的地方：鏡像不對稱，大多數人都首先表示不能接受，泡利「左撇子」的論調正是代表了大家的心聲。但隨即，智慧者也開始思索，實驗是不會說謊的，必須相信實驗，那是不是代表這背後還有更深層次的奧秘呢？

一直以來，電荷對稱性也被視為宇宙真理，每一種粒子都有其對應的一種反粒子，除了電荷以外，其他性質幾乎完全一樣。但奇怪的是，為什麼我們身處一個正物質的世界，這個宇宙中的反物質竟然如此之少？只能假設在宇宙創世之初，由於某種原因，多產生了一點正物質，但這樣的話，電荷對稱性就受到挑戰了。

1957年吳健雄的鈷60實驗之後，蘇聯物理學家郎道提出，電荷可能不對稱，宇稱也被證明不守恆，但可能電荷（C）和宇稱（P）合在一起就守恆了。他稱之為CP對稱性，也就是說電子和鏡子裡面的正電子遵循同樣的物理定律。

【CP對稱性：將電子變成正電子，自旋方向改變。】

這種新的理論假設僅僅過了7年就被打破了，1964年，美國物理學家克洛寧和費奇研究了一種K介子，在它衰變成兩個π介子的過程中，CP不守恆。這一發現使得兩位科學家獲得了1980年諾貝爾物理學獎。

【1980年諾貝爾物理學獎獲得者：克洛寧和費奇。】

物理學家們沒有放棄最後的努力，他們相信我們宇宙的造物主一定會用最精巧的定律去設計我們的世界，他們還有最後一根救命稻草——泡利1954年和呂德斯一起提出的CPT守恆，T是時間反演。當電荷、宇稱、時間同時反演的時候，物理定律又一樣了，舉個例子，電子和鏡子里時光倒流的正電子遵循同樣的物理定律。

問題是，現在已經證明了CP不守恆，如果CPT守恆，那就意味著T不守恆，可是誰看到錄影帶倒放的時候出現過什麼「幺蛾子」呢？

其實，從著名的熱力學第二定律開始，物理學家早就認識到，時間和其他的物理量嚴重不一樣，我們從來看不到時間反轉，卻總是看到系統變得更加混亂，代表混亂度的「熵」總是越來越大。

所以看起來，時間反演的對稱性也不可靠，近年來，實驗物理學家也在積極尋找微觀世界裡某些粒子作用中T不守恆的證據，但還沒有完全被證實。

【根據CPT守恆，氫原子和鏡子里時光倒流的反氫原子遵守同樣的物理定律。】

在楊振寧、李政道和吳健雄之後的物理世界看起來似乎更加混亂了，原本被認為合乎規矩的守恆定律一一被打破，難道我們的世界真的是沒有規律、殘破不全的嗎？

2008年11月7日，瑞典皇家科學院宣布，美籍科學家南部陽一郎和日本科學家小林誠、益川敏英獲得當年諾貝爾物理學獎，以表彰他們提出「自發對稱性破缺機制」並揭示其起源。

「對稱破缺」？這又是一個什麼東東？

原來，早在1960年，南部陽一郎將鐵磁系統和超導體中對稱破缺的概念引入到微觀粒子系統，給出了第三種夸克的預言並被證實。當時他的思想過於超前，其他物理學家只能慢慢理解消化，所以一直到40多年之後才獲得諾貝爾獎的認可。

原來，我們的宇宙真的不是嚴格對稱的，因為如果它嚴格對稱，就沒我們什麼事了，比如電荷嚴格對稱，正物質和反物質一樣多，那麼它們都將湮滅在射線的海洋里，根本不能產生我們現在以正物質為主要存在的宇宙。所以，我們的宇宙之所以如此精彩，乃是因為它就不是嚴格對稱的。

【對稱破缺的一種比喻，小球只有在中央的頂點才是穩定的、對稱的，當受到微擾，它就會落下來，產生運動，並發出各種叮呤咣啷。穩定的、對稱的、孤芳自賞的小球甚是無趣，叮呤咣啷才是我們宇宙的精彩。】

現在我們可以理解，楊振寧、李政道和吳健雄關於宇稱不守恆的發現意義有多麼的深遠，他們和鈷60一起給我們揭開了通往宇宙奧秘的一扇門。

1957年，在鈷60實驗之後不到一年，當年的諾貝爾物理學獎就頒發給了楊振寧和李政道，吳健雄名落孫山。吳健雄後來在給朋友的信件中寫道：「儘管我從來沒有為了得獎而去做研究工作，但是，當我的工作因為某種原因而被人忽視，依然是深深地傷害了我。」這也算是人之常情吧，我想大家都可以理解。

不管怎樣，吳健雄已經被冠上了「世界物理女王」、「核物理女王」、「物理第一夫人」等稱號，她是女性的驕傲，甚至是全人類的驕傲，讓我們永遠記住這位偉大的「中國居里夫人」吧！

【在實驗室的「中國居里夫人」。】

小測試：

1，將守恆律和對稱性聯繫到一起的女科學家是誰？

A）吳健雄

B）居里夫人

C）諾特

D）梅耶

2，文中提到，為何我們的宇宙如此精彩？

A）人擇原理

B）不確定性原理

C）能量守恆

D）對稱破缺