量子世界再现奇异现象:镜像物体与自己并不成镜像对称

本文原创作者:水木长龙

在大自然中,我们随处可见呈现完美对称结构的事物。而“对称”,长久以来也一直在人类的心目中占据着美好的地位。

无论艺术家、画家、几何学家,还是思想家、哲学家,甚至物理学家、科学家等,或多或少都曾坚信过、甚至现在仍有不少学者有着这种坚定不移的信仰:宇宙就是以完美的“对称”结构而呈现宇宙万物的。

或许,正是人类天生对“完美”的期盼和向外,对“完美”的一种本能的渴望和追求,不由自主地让物理学家曾经以为,我们的整个宇宙都是完美对称的,遵循着完美的对称守恒定律;而这种完美的对称守恒定律,不止体现在空间上,也体现在时间上,甚至能量上。也就是长期以来一直被奉为物理学界真理的三大经典对称守恒定律:宇称(P),时间(T)对称,电荷(C)对称。

在我们一般的常识里,我们对“对称”的理解,首先想到的便是“左右对称”,或称之为“镜像对称”,也就是将一个物体翻转180度后会与它的对称物体完全重合。

而在物理学里,三大对称守恒定律或能把宇宙的对称结构和属性表述得更为全面和透彻。

宇称(P),指的是空间反射上的对称,即在空间上互为镜像对称的同一种粒子之间,它们的运动规律是相同的。

举个例子,小球A和它的镜像A’,尽管两球运动时方向相反,却都遵循牛顿运动定律。

时间(T)对称,指的是时间反演(可通俗理解为“时间倒流”)上的对称,即改变粒子在时间上的运动方向,粒子的运动是相同的。

举个例子,一个小球沿着一条直线从A滚到B,如果将小球的运动状态录摄下来,然后在时间上倒着播放,小球无论是正向时间的滚动,还是逆向时间的滚动,运动都是相同的,时间仿佛失去了意义一样,这就是所谓的“时间对称”。

电荷(C)对称,指的是一个粒子和它的反粒子,在电荷共轭转换中所遵循的物理定律是相同的。

举个例子,比如,根据C对称,不少研究者都认为,宇宙的正、反物质应该是相等的。

尽管不少宇宙研究学者都认为宇宙遵循着完美的统一对称守恒定律,仍有不少物理学家和宇宙研究者,对宇宙的这种对称性持有怀疑。而随着时间的一点点向前推演,越来越多的微观物理现象,似乎也正在朝着他们的怀疑不断趋迎。探索科学,探索宇宙,水木长龙与您继续我们的探索之旅。

三大对称守恒定律首先被打破的就是“宇称”。1951年,我国著名物理学家杨振宁教授和美籍华裔物理学家李政道发现了弱相互作用下“宇称不守恒定律”,推翻了在物理学界巍然耸立了三十年之久的“宇称守恒定律”,并获得诺贝尔物理奖。

之后,科学家很快发现,粒子和反粒子也不遵守“C对称”,并以反证法指出,正是由于“C不对称”,宇宙在生成之初才会使正物质和反物质在数量上不对等,不然,我们的宇宙也就不存在了,因为正反物质相遇,意味着归零,又怎会存在我们太阳系,地球和我们人类。

很快,科学家又发现,时间也不再具有对称性。欧洲原子能研究中心发现,K介子在转换过程中与反K介子的转换速率并不相等,后者在时间上会更快些,即存在“时间不对称”性。

三大对称守恒定律至此全部破碎了。看来,宇宙并不像完美主义者心中想象的那样完美,正如人类自己宽慰自己时常常说的一句话——“人无完人”——一样。

这里,我们将沿着杨、李发现的“宇称不守恒定律”,继续深入探讨分析我们这个奥妙无穷的宇宙,我们这个变幻万千的奇妙世界,看看究竟能发现什么不可思议的奥秘。

宇称不守恒定律,简单言之,即是互为镜像的两物体的运动并不对称。目前物理科学家发现的“宇称不守恒”主要体现在微观世界的弱相互作用中。

科学是在不断的探索中前进的,宇宙的奥秘同样是在不断的探索中被人类发现的。就像三大对称守恒定律一样,在人类没有深入探索粒子世界时,它们呈现给人类的就是完美的对称守恒,人类在面纱覆盖下的完美对称守恒面前笃信不疑地坚守了三十年,直到面纱被扯下,“完美”被打破,人类才看清它们的真正面貌。还有“地心说”到“日心说”,“绝对时空观”到“相对时空观”,宏观世界的物理理论到微观世界的不可思议的“量子理论”等,无不如此。

同样的,尽管“宇称不守恒定律”目前还主要体现在微观世界的弱相互作用中,谁又能保证某一天它不会在宏观世界里明目张胆地表现出来?换句话说也就是,我们之所以在宏观世界里看不到“宇称不守恒”的现象,多有可能是因为我们尚未发现连接宏观世界与微观世界的桥梁,一旦爱因斯坦留给世人的重大课题——大统一理论——被我们科学家找到发现,到时候,也许会发现,微观世界或许就是宏观世界的缩小版,只是所处的维度不同,才会呈现出极大与极小的差别而已。

曾有生物研究者将一片叶子的细胞放大数亿倍后发现,微观世界里呈现出来的景象,与我们宏观宇宙的结构极为相像。先哲有言「大小本无别」,莫不是指的就是宇宙终极之理?果如此,或许我们应该从空间维度去寻找大统一理论,也许微观世界在微观尺度上进入了更高的维度空间(科学家推测,多于三维以上的空间都被蜷缩到了普朗克尺寸(1.6×10^35米)上)。

如果“宇称不守恒定律”,有一天也在宏观世界体现了出来,比如,当你开着车向左拐弯时,发现路边的镜子里有一辆跟你车型外观完全一样的小轿车,不是向右拐,而是与你一样的方向向左拐弯,并且与你的车速也不同,而是忽快忽慢,好像总是与你的车保持着不会太远也不会太近的距离一样。你怀着忐忑的心有点怀疑地将右车窗降下来,并向路边镜中张望。结果更令人悚然的事情发生了:镜中车子里的人不但降下了对称的左车窗,还对你挤眼微笑。这不对称的“也向左拐弯,忽快忽慢的车速,多出的挤眼微笑”,令人不寒而栗:在宏观世界里的镜像原理学中,该如何解释这种镜像不对称现象呢?

如果有一天,人类找到了宏微两界连接的桥梁,并能在多维空间上进行“宏微转换”,或许这种“宇称不守恒定律”现象,天天能与你见面,刷新三观。比如,当站在穿衣镜前时,看着镜中自己的镜像,会发现里面的自己不像自己,因为有时候当你抬右手时,或许镜中的你跟着也抬起了右手;有时候你穿着红色衣服,镜中自己可能穿着绿色衣服;有时候你将抬起的手放下时,镜中的自己却还举着,过一会才放下;等等。

镜像物体与自己并不成镜像。或许,这就是微观世界在不同维度展现出来的怪异现象,正如我们科学家已经发现的微观世界里弱相互作用中“宇称不守恒”一样。

今天的分享就到这里,感谢对水木的支持。

本篇文章「水木长龙」原创,转载标明出处,谢谢!(2019/07/11)

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