第13章(2 / 3)

人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸的是,大统一理论可以提供一个解释,尽管甚至刚开始时两者数量相等,为何现在宇宙中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的,大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。它们也允许相反的过程,反夸克变成电子,电子和反电子变成反夸克和夸克。早期宇宙有一时期是如此之热,使得粒子能量高到足以使这些转变发生。但是,为何导致夸克比反夸克多呢?原因在于,对于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。

直到1956年人们都相信,物理定律分别服从三个叫做c、p和t的对称。c(电荷)对称的意义是,对于粒子和反粒子定律是相同的;p(宇称)对称是指,对于任何情景和它的镜像(右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子)定律不变;t(时间)对称是指,如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向,系统应回到原先的那样;换言之,对于前进或后退的时间方向定律是一样的。

1956年,两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从p对称。换言之,弱力使得宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年,他们的一位同事吴健雄证明了他们的预言是正确的。她将放射性元素的核在磁场中排列,使它们的自旋方向一致,然后演示表明,电子在一个方向比另一方向发射出得更多。次年,李和杨为此获得诺贝尔奖。人们还发现弱作用不服从c对称,即是说,它使得由反粒子构成的宇宙的行为和我们的宇宙不同。尽管如此,看来弱力确实服从cp联合对称。也就是说,如果每个粒子都用其反粒子来取代,则由此构成的宇宙的镜像和原来的宇宙以同样的方式发展!但在1964年,还是两个美国人——j·w·克罗宁和瓦尔·费兹——发现,在称为k介子的衰变中,甚至连cp对称也不服从。1980年,克罗宁和费兹为此而获得诺贝尔奖。(很多奖是因为显示宇宙不像我们所想像的那么简单而被授予的!)

有一个数学定理说,任何服从量子力学和相对论的理论必须服从cpt联合对称。换言之,如果同时用反粒子来置换粒子,取镜像和时间反演,则宇宙的行为必须是一样的。克罗宁和费兹指出,如果仅仅用反粒子来取代粒子,并且采用镜像,但不反演时间方向,则宇宙的行为于保持不变。所以,物理学定律在时间方向颠倒的情况下必须改变——它们不服从t对称。

早期宇宙肯定是不服从t对称的:当时间往前走时,宇宙膨胀;如果它往后退,则宇宙收缩。而且,由于存在着不服从t对称的力,因此当宇宙膨胀时,相对于将电子变成反夸克,这些力更容易将反电子变成夸克。然后,当宇宙膨胀并冷却下来,反夸克就和夸克湮灭,但由于已有的夸克比反夸克多,少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们今天看到的物质,由这些物质构成了我们自己。这样,我们自身之存在可认为是大统一理论的证实,哪怕仅仅是定性的而已;但此预言的不确定性到了这种程度,以至于我们不能知道在湮灭之后余下的夸克数目,甚至不知是夸克还是反夸

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