人们习惯上喜欢追求完美,偏爱平衡和对称。完美是一种简单,也意味着秩序,而自然界看上去似乎也是完美的,也常常能如人所愿。但当人们为发现自然界中某些对称而得意之时,自然却又会露出点瑕疵,它似乎并不总是那么听话。很有可能自然本身就不那么对称、完美,是人们把对称的外衣加到自然身上去的,使自然看上去完美。如果真是这样的话,露点瑕疵也就很正常了。不过,人们要找出自然的规律,不借助对称也很难。也许正是因为这样,自然才一次次地打破人们先前找到的对称。
这种现象在物理学中的表现很明显,大概因为物理学是个最重视规律的科学吧。且不说完美的牛顿力学如何不能完好的解释自然,让我们看看粒子物理学中三个起支撑作用的对称:一个是正反粒子变换对称(简称C对称),一个是空间(镜像)反射变换对称(简称P对称),另一个是时间反演变换(把时间颠倒,将t变成-t)对称(简称T对称)。对称就是不变性,也叫守恒,这些守恒是粒子物理学的支柱。举个形象的例子,比如我们的两只手,把一只手放在镜子上,镜子里边的手就与我们另外一只手一样,这种经过镜像反射的就叫宇称。这两只手的行为遵从同样的物理定律,就像两只手对拍与一只手对着镜子拍是一样的,这就是宇称守恒。当你一只手对着镜子拍时,镜子里的手或者说你的另一只手却不跟随着拍,宇称就不守恒了。没想到的是,自然界还真是这样的不听话。
首先被打破的是P守恒。1956年,李政道和杨振宁在分析最轻的奇异粒子衰变遇到的“q-t疑难”的过程中,就遇到了这样的怪事。没办法只能改变思路,提出宇称(P)可能是不守恒的。在强相互作用和电磁相互作用下,P是守恒的,但在弱相互作用下未经过判定性检验。只有提出在弱相互作用过程中,宇称不守恒才可解决“q-t疑难”。后来的实验果然证明宇称在弱相互作用下是不守恒的,为弥补这一缺陷(物理学家称之为破缺,比较形象,说明大网破开了一角),又提出CP联合变换是守恒的,这样也能保证物理规律的不变性。
补起来的网自然有更多的弱点,不久,人们在K介子的衰变中发现了CP守恒的破坏迹象。为了进一步验证这一现象,人们不惜斥巨资建立了“B介子工厂”,据说B介子的行为可以更好地判定CP的守恒与否。几年的实验已经证明,CP确实不守恒,支柱有些动摇了。
我们知道,强作用、电弱作用、引力作用,这三种作用的基础都是建立在对称的理论上的。可是实验不断发现对称不守恒,对现代物理不断造成冲击,使得破缺越来越大。与其说修补破网,有时可能不如重新编织一张新网来得更省事,就看能不能找到另外的对称了。
换个角度说,也幸亏CP是不守恒的,否则我们连同宇宙就不会存在了。因为,若CP守恒的话,在宇宙起源的大爆炸后,应该产生同等量的物质和反物质,物质和反物质经过足够长的时间总会相遇,相遇就要发生湮灭,最终宇宙就只有辐射了。倒是CP的不守恒使我们的宇宙耗尽了反物质,剩下了物质,这样我们才得以生存,不对称还对了。由此我们会想到,我们的世界是否本来就是一个不对称的世界。
的确,自然界真的不是那么对称和完美,大自然除偏爱物质(嫌弃反物质)不说,它对左右手也有偏爱和嫌弃。比如,人们发现地球上的生物分子就有均一性。本来氨基酸和核酸中的糖都有两种构型,即左型(learus,也称L型)和右型(dexter,也称D型),二者出现的几率是均等的。但构成生命体中蛋白质的氨基酸分子都是L型的,组成核酸的核糖和脱氧核糖分子都是D型的,以致地球上很少有D型氨基酸和L型的糖。如果二者真要均等了,生物之间难以构成食物链,生物还真没办法生存。
由此看来,不对称是合理的,可能比对称更合乎自然。用句哲学上的话来说,对称是相对的,不对称才是绝对的。不对称才让科学有事可做。
人们猜测,无论是物质与反物质的破缺,还是生物分子的均一性,可能都与CP的不守恒有某种联系。那就需要再找一个新的对称关系,因此,寻找CP破坏的机理,也就成为现代物理研究的重要课题之一。