对称虽美,但不对称才是宇宙和生命存在的原因
人类的存在归功于不对称
北京时间2月11日消息,据国外媒体报道,在人类中,左撇子的比例大约为十分之一,是名副其实的少数。但毫无疑问的是,从亚原子粒子到生命本身,宇宙其实很青睐"左撇子"。事实上,如果没有这种基本的不对称性,宇宙将会是一个非常不一样的地方——平淡无奇,大部分空间充满了辐射,而且没有恒星、行星或生命。尽管如此,物理科学中盛行着一种将事物在数学上推向完美的美学,这种完美就表现为对称性。而且,我们往往会迷失在一个虚假的二元性问题中,必须选择阵营:你是选择支持"一切都是对称的",还是选择做一个不完美的标新立异者? 反物质:物理学家为什么喜欢对称?
我们都喜欢济慈的名言"美即真理,真理即美"。但如果你坚持将济慈所说的"美"与数学对称性等同起来,将其作为寻找自然法则,即"真理"——比如在理论物理学中很常见的定律——的途径,就会遇到某些麻烦。这种将对称与"真理"联系在一起的方式,使得我们在物理学中用来描述宇宙的数学方法需要反映出数学上的对称性:宇宙呈现美丽的对称性,而我们用来描述宇宙的方程必须揭示这种对称之美。只有这样,我们才能接近真理。
引用伟大的物理学家保罗·狄拉克的话:"在方程中包含美,比进行合适的实验更为重要。"如果是其他不太知名的物理学家说过这句话,他们可能会被同事们嘲笑,被认为是赞同宗教的柏拉图主义者,或者是庸人。但狄拉克和他那些建立在对称概念上的美丽方程,确实预言了反物质的存在,即每一个物质粒子(如电子和夸克)都有一个伴生的反粒子。这是一项惊人的成就,将对称性的数学运算应用到一个方程中,引导人类发现了一个完整的平行物质领域。难怪狄拉克如此忠诚于"对称之神",是它引导他的思想取得了这一惊人的发现。
请注意,反物质其实并没有像听上去的那么古怪。反物质粒子在引力场中并不会上升,只是它们的一些物理性质发生了逆转,最显著的便是电荷。因此,带负电荷的电子的反粒子就叫做正电子,带正电荷。人类的存在归功于不对称
在这里,我们遇到了一个狄拉克并不了解的问题。支配自然界基本粒子行为的物理定律预言,物质和反物质应当同样丰富;也就是说,它们应该以1:1的比例出现。一个电子应当对应一个正电子。然而,如果现实中存在这种完美的对称性,那么在大爆炸后的几分之一秒内,物质和反物质就应该湮灭,变成辐射(主要是光子)。但事实并非如此。大约十亿分之一的物质粒子作为多余的部分存留了下来。这意义重大,因为我们在宇宙中看到的一切——星系及其内部的恒星,行星及其卫星,地球上的生命,以及各种物质团块,包括有生命的和没有生命的——都来自这些过剩的物质。这就是物质与反物质之间基本的不对称。
与人们所期待的宇宙对称性之美相反,科学家们在过去几十年的研究表明,自然法则并不同样适用于物质和反物质。究竟是什么机制创造了这种微小的物质过剩?这种最终导致我们存在的不完美,是粒子物理学和宇宙学中最重大的未决问题之一。
在物理学中,有一种量子操作可以将物质粒子转化为反物质粒子。这种运算被称为"电荷共轭",用大写字母C来表示。C对称即电荷共轭对称,表述的是物理定律在电荷共轭转换中的对称性。物理学家观测到的物质-反物质不对称意味着自然界并不呈现电荷共轭对称:在某些情况下,粒子和它们对应的反粒子不能相互转化。具体来说,C对称在弱相互作用(即弱核力,是导致放射性衰变的力)中被破坏了,而电磁力、引力和强相互作用等现象都遵守C对称。中微子是所有已知粒子中最奇怪的一种,被称为"幽灵粒子",因为它能够在不受干扰的情况下穿过物质(每秒大约有一万亿个来自太阳的中微子穿过你的身体)。
想要了解为什么中微子违反了C对称,我们还需要了解一种称为"宇称"(parity)的内在对称,用字母P来表示。"宇称变换"可以将一个物体变成它的镜像。例如,你的身体就不是宇称不变的;你的镜像心脏位于右侧。对于粒子而言,宇称与它们的自旋方式有关。但是,粒子是量子物体,这意味着它们的自旋不是任意的。它们的自旋是"量子化的",只能以几种方式旋转。对于电子、夸克和中微子这样的基本粒子,自旋是与质量、电量一样的内禀性质。我们说它们的自旋量子数为1/2,意即可以是+1/2或-1/2,这两个选项对应于两个旋转方向。一个很好的理解方法是弯曲你的右手,大拇指朝上;逆时针方向为正自旋,顺时针方向则为负自旋。
对一个左手性的中微子应用C运算,应当会得到一个左手性的反中微子。没错,即使中微子这样的电中性粒子,也有其对应的反粒子,也是电中性的。问题是,自然界中并没有左手性的反中微子。我们只观察到左旋中微子。弱相互作用——中微子唯一能感觉到的相互作用(除了引力)——违反了电荷共轭对称。这给执迷于对称之美的人提出了难题。CP破坏:非对称获胜
让我们更进一步。如果我们将C(电荷对称)和P(宇称)同时应用于一个左旋中微子,应该会得到一个右旋的反中微子:C使中微子变为反中微子;P使左旋中微子变为右旋中微子。没错,反中微子是右手性的。弱相互作用分别违反了C对称和宇称,但显然满足了CP对称组合的运算。在实践中,这意味着左手性粒子的反应应该与右手性反粒子的反应以相同的速度发生。所有人似乎都松了一口气。人们希望大自然在所有已知的相互作用中都是CP对称的。对称之美回来了。
这种兴奋并没有持续太久。1964年,詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在一个K介子衰变的实验中,发现了CP对称破坏的迹象。本质上,K介子及其反粒子并不像CP对称理论预测的那样以相同的速率衰变。物理学界震惊了。对称之美再一次消失了,而且直到今天仍没有恢复。CP破坏是自然存在的事实。如此多的不对称
CP破坏有着更深层和更神秘的含义:粒子也会选择一个首选的时间方向。时间的不对称性——宇宙膨胀的标志——也发生在微观层面上。这一发现意义重大。
此外,还有另一个关于不对称的重要事实。生命也是"手性的":从变形虫到葡萄,从鳄鱼到人类,所有生物体内都具有左旋的氨基酸和右旋的糖分子。在实验室里,我们将左旋分子与右旋分子以50:50的比例混合,但自然界中看到的情况并非如此。生命几乎一边倒地偏好左旋氨基酸和右旋糖分子,究竟为何如此,目前尚不得而知。
本文来自"新浪科技"
宇航员造访太空要配备手枪,防范的是什么?是怕外星人的袭击吗?打开舱门,身着宇航服的宇航员佩戴枪械,视线环顾四周,缓慢走出船舱这不是科幻电影中宇航员与外星生物周旋的设计,而是载人飞船探索太空时真实会出现的场景。宇航员造访太空,为何要携带枪械?
人类还在演化吗?你的身体已经告诉你答案文科学虫洞人类停止演化了吗?事实是,并没有。人体进化成现在的构造,经历了漫长的时光,有多重因素在起作用。科学家也并未认为我们停止了演化,反而会推测未来人类的模样。此外,我们也可以从
地球资源告竭!石油还可开采47年,为什么可再生能源救不了地球?你听说过宇宙文明等级吗?苏联的天文学家卡尔达舍夫曾经设想出了一种文明等级,将宇宙文明划分为7级,而判断一个文明发达与否的关键,就是能源和技术,一个文明拥有的能源越多,就能创造出更多
关于学术的问题在中国学术界,有二个通病,在人文科学领域,总是习惯用自己的脑袋替别人思考而自然科学领域则反过来,习惯用别人的脑袋来替自己思考。前者很容易犯主观主义的错误,而后者则很容易犯本本主义的
波动新论三前面两讲中,我简约的阐述了波动形成的原因与条件。今天来谈谈波动究竟是什么东东?波动究竟是什么?是什么东西在波动?这个问题对于我们正确地理解波动是极其重要的。波动是动能与势能相互转换
关于学术的思考昨天我看了一个老科技工作者写的帖子,帖子中说,科学家邓稼先与毛头小伙子因技术问题争论而拍桌子。这一拍不要紧,有如醍醐灌顶,使我猛醒。于是我明白了为什么在那样艰难困苦的条件下,原子弹
理论物理杂谈关于理论物理的话题,在头条上,是很难引起许多人的共鸣的,这也是中国目前科学认知水平的真实现状。对此我也是见怪不怪了。中国的科学与技术始终扮演着一个追赶着的角色,不知道大家是否思考了
自然的本原之三在前面两篇文章中,我对自然的本原给出了定义。但仅仅是泛泛而谈,相信许多人对此半信半疑,或者不置可否?这其实非常正常,一个新的思想与观念。不是那么一下子就能被人们所接受的。不然的话,
关于中国科学的思考二现代意义上的所谓科学根源于牛顿,牛顿将他著名的论文称之为自然哲学的数学原理。这是有深刻的历史原因。牛顿以前。科学的名字应该称之为自然哲学。所谓自然哲学,就是对大自然存在与规律思辨的
关于国家基础研究的一些思考实际上,在基础研究方面,中科院也不是没有做出自己的努力。比如中山中微子探测仪建设。发射悟空卫星探测暗物质。王怡芳准备建设大型的新的粒子加速器等等。但为什么从结果上来看都是差强人意呢
波动新论一去年,我发表了关于光的本性论述。现在看起来,许多人不能体会其中的要义。有鉴于此,我准备写一些关于波动的系统性的新的观点,我私下认为,这些观点,超越了现代理论物理体系对于波动的理解。