物理學(xué)是一門專注于發(fā)現(xiàn)隱藏在我們周圍的普遍現(xiàn)象背后的自然規(guī)律的學(xué)科。自然規(guī)律應(yīng)該是完全 對(duì)稱和絕對(duì)的，它們應(yīng)適用于整個(gè)宇宙。這在大多數(shù)情況下似乎都是適用的，但也有例外，在某些情形下對(duì)稱性會(huì)被打破，而這非常重要。所以在物理學(xué)中， 對(duì)稱性破缺變成了與對(duì)稱性本身一樣重要的研究課題。

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CPT

在支配基本粒子的基礎(chǔ)理論中，描述了三種不同的對(duì)稱原理： 宇稱（P）、 電荷（C）和 時(shí)間（T）。

在宇稱對(duì)稱性中，所有事件無論是它們本身還是在鏡子中都應(yīng)以完全相同的方式發(fā)生。左右之間不應(yīng)該有任何區(qū)別，并且沒有人能分辨出他們是在自己的世界里，還是在鏡子里。

電荷對(duì)稱性表明，粒子的行為應(yīng)該與它們的 反粒子完全一樣。反粒子具有與粒子完全相同的性質(zhì)，除了帶有相反的電荷。

時(shí)間對(duì)稱性表明，微觀層面的物理事件應(yīng)該都是同等獨(dú)立的，無論時(shí)間的箭頭是向前還是向后。

物理學(xué)的對(duì)稱性不僅具有美學(xué)價(jià)值，它們還簡(jiǎn)化了許多棘手的計(jì)算，在微觀世界的數(shù)學(xué)描述中起著決定性的作用。更重要的事是，對(duì)稱性還與守恒定律緊密相連，比如能量守恒和電荷守恒定律便于對(duì)稱性有關(guān)。

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標(biāo)準(zhǔn)模型

大約在20世紀(jì)中葉，對(duì)稱性破缺首次出現(xiàn)在了對(duì)物質(zhì)基本原理的研究中，這一次，物理學(xué)家把自然界中所有最小的組成部分和基本力都統(tǒng)一到一個(gè)的框架中。

但當(dāng)他們開始這項(xiàng)偉業(yè)時(shí)，只讓粒子物理學(xué)變得越來越復(fù)雜。二戰(zhàn)后建造的粒子加速器源源不斷地產(chǎn)生了一些從未見過的粒子，其中很多根本無法與當(dāng)時(shí)的粒子模型匹配。更深層次的研究發(fā)現(xiàn)，原本認(rèn)為的不可再分的 中子和 質(zhì)子實(shí)則是由 夸克構(gòu)成的。 經(jīng)過物理學(xué)家的不懈努力，他們最終構(gòu)建了統(tǒng)一所有基本粒子和三種基本力的 標(biāo)準(zhǔn)模型：

所有已知的物質(zhì)都是由 第一代粒子組成的， 第二代和 第三代粒子與第一代粒子的性質(zhì)一樣，只是更重的版本，它們非常不穩(wěn)定，存在極短的時(shí)間就會(huì)衰變成較輕的粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型囊括了自然界中的三種基本力以及與它們相對(duì)應(yīng)的信使——也就是在基本粒子間傳遞這些相互作用的粒子。 電磁力的信使是質(zhì)量為零的 光子；導(dǎo)致放射性衰變并導(dǎo)致太陽(yáng)和恒星發(fā)光的 弱力是由質(zhì)量很大的 W和 Z玻色子傳遞；而 強(qiáng)力則由 膠子傳遞的，膠子負(fù)責(zé)將原子核束縛在一起。可惜的是，標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋第四種基本力—— 引力。如何將四種基本力統(tǒng)一在一起，是當(dāng)今物理學(xué)所面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

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打破C和P

標(biāo)準(zhǔn)模型牢牢地建立在量子物理學(xué)和相對(duì)論的相對(duì)稱性原理基礎(chǔ)之上，在過去數(shù)十年中經(jīng)受住了無數(shù)次的檢驗(yàn)。但是，在一切都變得清晰之前，物理學(xué)曾面臨著一系列危機(jī)，威脅著這一看似平衡的架構(gòu)。 這些危機(jī)與物理學(xué)家假定對(duì)稱性定律適用于基本粒子一事有關(guān)，因?yàn)槭聦?shí)證明，情況并非完全如此。

第一個(gè)意外出現(xiàn)在1956年，當(dāng)時(shí)，理論物理學(xué)家 李政道和 楊振寧挑戰(zhàn)了弱力中的宇稱對(duì)稱性。就像其他對(duì)稱原理一樣，過去人們認(rèn)為自然遵循鏡像對(duì)稱，也就是左右對(duì)稱是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

而李政道和楊振寧卻認(rèn)為，在基本粒子所處的量子世界中，這些基本原理需要被重新審視。他們提出了一系列實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種鏡像對(duì)稱，果然在僅僅幾個(gè)月后， 吳健雄從放射性元素鈷60的原子核衰變中發(fā)現(xiàn)——它并不遵循鏡像對(duì)稱原則：離開鈷核的電子會(huì)有傾向性地朝著某個(gè)方向發(fā)射。這意味著，對(duì)稱性就被打破了。這就好比你站在人潮擁擠的高鐵站，看到大多數(shù)人齊刷刷的向左走。

不久后，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電荷對(duì)稱性也被打破了。那么，是否存在這樣一種可能性：有一個(gè)魔鏡，它不僅能夠反射左和右，還能把粒子變成反粒子，即粒子與反粒子互為鏡像。也就是說，在C和P的聯(lián)合操作下，對(duì)稱性不會(huì)被打破。過去，物理學(xué)家深信，如果你進(jìn)入一個(gè)所有物質(zhì)都被反物質(zhì)替代的鏡像世界中，自然法則仍不會(huì)改變。

但到了1964年，弱力再次引起了人們的注意。 克羅寧（James Cronin）和 菲奇（Val Fitch）第一次在中性 K介子的放射性衰變中，發(fā)現(xiàn)了新的違反對(duì)稱性法則的現(xiàn)象。一小部分的K介子沒有遵循已有的鏡像對(duì)稱和電荷對(duì)稱，它們打破了雙重CP對(duì)稱，并對(duì)整個(gè)理論框架提出了新的挑戰(zhàn)。

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破解對(duì)稱性破缺之謎

我們必須為對(duì)稱性破缺找到一個(gè)合理的解釋，否則，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型都將受到威脅。為什么對(duì)稱性會(huì)被違反一直是個(gè)謎，直到1972年，來自京都大學(xué)的兩位年輕研究人員 小林誠(chéng)（Makoto Kobayashi）和 益川敏英（Maskawa Toshihide）在一個(gè) 3×3矩陣中找到了答案。

這種雙重對(duì)稱破缺究竟是如何發(fā)生的？

每個(gè)K介子都由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，弱力讓它們一次又一次地轉(zhuǎn)換身份——夸克變成反夸克，反夸克變成夸克。這個(gè)過程將K介子變成了反K介子。這樣，K介子在它自己和它的反粒子之間來回切換。但當(dāng)滿足了適當(dāng)?shù)臈l件，物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對(duì)稱性就會(huì)被打破。小林誠(chéng)和益川敏英的計(jì)算矩陣包含了描述這種夸克間的轉(zhuǎn)換會(huì)如何發(fā)生的概率。

原來，夸克和反夸克在它們自己的家族中交換了身份。如果這種具有雙重對(duì)稱性破缺的身份交換發(fā)生在物質(zhì)和反物質(zhì)之間，那么就 還需要三種新的夸克的存在。這是一個(gè)大膽的預(yù)言，標(biāo)準(zhǔn)模型吸納了這些新的夸克假設(shè)，而它們也如預(yù)測(cè)的那樣，全部在實(shí)驗(yàn)中被找到。1974年， 粲夸克被發(fā)現(xiàn)；1977年， 底夸克被發(fā)現(xiàn)；最后一個(gè)是 頂夸克，直到1994年才被發(fā)現(xiàn)。

小林誠(chéng)和益川敏英的理論還表明，我們或許可以研究中性 B介子的對(duì)稱性，因?yàn)锽介子的質(zhì)量是K介子的10倍。而在B介子中卻極少發(fā)生對(duì)稱性破缺的情況，因此需要大量的B介子才能找到少數(shù)對(duì)稱性破缺的粒子。2001年，BaBar和Belle這兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)在B介子的衰變中，也觀測(cè)到了CP破壞，與小林誠(chéng)和益川敏英在30年前基于模型作出的預(yù)測(cè)完全一致。

到了2019年，歐洲核子研究中心的LHCb實(shí)驗(yàn)在中性 D介子衰變中也發(fā)現(xiàn)了CP破壞。

所有的這些發(fā)現(xiàn)，都將幫助我們回答一個(gè)關(guān)乎我們存在的謎題：為什么在早期宇宙中，物質(zhì)和反物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)輕微的不對(duì)稱，才使我們今天所看到的宇宙都是由物質(zhì)組成？

注：細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，CP破壞只發(fā)生在弱力中，為什么沒有發(fā)生在強(qiáng)力中是物理學(xué)中的一個(gè)未解難題。

參考來源：

https://nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2008.pdf