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      歡迎來到真實的鏡像世界(上)

      2020-09-10 01:41:53
      奇聞怪事 2020年8期
      關(guān)鍵詞:宇稱反物質(zhì)介子

      一個與我們的宇宙一模一樣的宇宙可能就在我們身邊。

      乍一看,一切看起來都那么熟悉。墻上的鐘在嘀嗒響著;窗外,汽車轟隆駛過;你手里拿的《奇聞怪事》雜志,封面也同樣吸引人。但似乎有什么東西不對勁:時鐘是倒著走的;汽車在靠左行駛;你正在讀的文字也是左右顛倒的。哈哈!原來你是在看鏡中的像。

      幾乎所有人都認為鏡中的世界是“假的”——雖然有一本書叫《愛麗絲鏡中游記》,講述了種種鏡中的冒險趣事,但那畢竟是童話??墒菍τ谝恍┪锢韺W(xué)家來說,所有事物都左右翻轉(zhuǎn)的世界(不妨稱其為“鏡像世界”)或許是真實存在的,而且說不定就藏在我們身邊。在那個世界里,有鏡像原子、鏡像分子、鏡像恒星和行星,甚至鏡像生命。只是它們幾乎不跟我們的世界相互作用,才一直沒被發(fā)現(xiàn)。但這并不意味著我們永遠發(fā)現(xiàn)不了。一些粒子或許會在我們的世界和鏡像世界之間相互“切換”——一會兒在這個世界現(xiàn)形,一會兒在那個世界現(xiàn)形——這樣,就暴露了鏡像世界的存在。

      如今,物理學(xué)家正在安排實驗來驗證這個假說。如果真找到這么一個鏡像宇宙,除了我們對現(xiàn)實的看法將徹底改變,還可以回答關(guān)于我們自己宇宙的一些問題——它們已經(jīng)困擾我們幾十年了。

      發(fā)現(xiàn)全新的世界

      發(fā)現(xiàn)一個全新的世界,讓人類的眼界豁然大開,當(dāng)然不是一件容易的事,但在物理學(xué)上,這種近乎奇跡的事情并非沒有發(fā)生過。1928年,英國物理學(xué)家狄拉克根據(jù)量子力學(xué)的理論預(yù)言,宇宙中存在一個全新的粒子家族,其中的粒子與已知的粒子,除了電荷相反,其他方面完全一樣。這就是我們現(xiàn)在經(jīng)常掛在嘴上的“反物質(zhì)粒子”;由這些粒子組成的世界,叫“反物質(zhì)世界”。

      還不止呢。1933年,瑞士天文學(xué)家弗里茨·茨威基觀察到,星系團中可見物質(zhì)的萬有引力,似乎無法為星系團的快速旋轉(zhuǎn)提供足夠的向心力。換句話說,倘若沒有額外的引力,星系團早該解體,不存在了。

      今天,我們認為這個額外的引力來自“暗物質(zhì)”。宇宙中暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的質(zhì)量之比大約是5:1。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間,除了引力,沒有別的相互作用,尤其沒有電磁力的相互作用,所以很難被發(fā)現(xiàn),組成暗物質(zhì)的粒子迄今仍沒找到。盡管如此,暗物質(zhì)的說法已被主流科學(xué)界所接受。

      反物質(zhì)和暗物質(zhì)的存在,為我們認識物質(zhì)、認識宇宙,提供了全新的思路。譬如,困擾現(xiàn)代物理學(xué)的一個難題是:到底存不存在一個主要由反物質(zhì)組成的世界?存在的話,它在哪里(考慮到正反物質(zhì)相遇就會灰飛煙滅,反物質(zhì)世界必定離我們非常遙遠)?還有,在我們身邊存不存在一個“暗”版的世界,在那里,物質(zhì)是“暗”的,作用力是“暗”的,甚至存在“暗”版的人?

      有著這些先例為我們打氣,現(xiàn)在讓我們啟程去探索另一個全新的世界——鏡像世界!

      宇稱守恒還是不守恒?

      在物理學(xué)中,一個很有用的概念是對稱。物理學(xué)中所說的對稱,指的是物理規(guī)律在某些變換下保持不變。比如,一個球從A點移動到B點,雖然空間位置變了(這叫“空間平移變換”),但它遵從的物理規(guī)律(比如牛頓三大定律)保持不變。這叫空間平移對稱性。再比如,僅僅改變一個球的顏色,它對地球引力的反應(yīng)不受影響。假如取個名,也可以叫做“顏色變換對稱性”。

      粒子物理學(xué)中一個很重要的對稱性叫“宇稱”,即“左右對稱”或“鏡像反演”?!坝罘Q守恒”則是指,即使把涉及物體的所有位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉(zhuǎn),物理過程和規(guī)律也保持不變。

      例如,一個小球向右運動,它遵從牛頓運動定律。假如我們放一面鏡子,在鏡像世界里做這個實驗——你或許會好奇:我們怎么到鏡像世界去做實驗?zāi)??其實,不必跑到鏡子里去,只要把實驗裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——小球則向左運動。但與像向右運動的小球一樣,向左運動的小球,也遵從牛頓運動定律。

      在相當(dāng)長一段時間里,物理學(xué)家相信,在自然界,宇稱是守恒的。但這個看似天經(jīng)地義的猜測,后來卻遇到了麻煩。

      1950年代初,科學(xué)家們從宇宙射線里觀察到兩種新的介子(即質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間的粒子):θ和τ。這兩種介子的自旋、質(zhì)量、壽命、電荷完全相同,很多人都認為它們是同一種粒子。但是,它們卻具有不同的衰變方式,θ衰變時會產(chǎn)生2個π介子,τ則衰變成3個π介子,這說明它們遵循著不同的運動規(guī)律。

      假使τ和θ是不同的粒子,那它們怎么會具有一模一樣的質(zhì)量和壽命呢?而如果承認它們是同一種粒子,二者又怎么會具有完全不一樣的衰變方式呢?為了解決這一問題,物理學(xué)界曾提出過各種不同的想法,但都沒有成功。

      1956年,李政道和楊振寧在深入細致地研究了各種因素之后,大膽地斷言:τ和θ是完全相同的一種粒子(后來被稱為K介子),但在涉及弱核力的衰變中,宇稱不守恒了,導(dǎo)致它沒有固定的衰變方式,既可以衰變成2個π介子,也可以衰變成3個π介子。

      李政道和楊振寧的觀點震動了當(dāng)時的物理學(xué)界。此后不久,吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恒”。從此,“宇稱不守恒”才真正被承認。

      (待續(xù))

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