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微观世界的左撇子


      作者:马溥

在粒子世界中,微观粒子的自旋也有左旋和右旋之分。

神奇的超导现象,正是由于电子与振动晶格的相互作用使具有相反方向自旋和角动量的电子结成“超导态”而产生的,在这个意义上说,是电子“左撇子”和“右撇子”的合作成就了超导现象。

在众多微观粒子中,中微子是清一色的“左撇子”,总是左旋的。中微子果真没有右旋的吗?中微子之谜也一直困扰着理论物理学家。即使是最基本的物理学定律,也有不循规蹈矩的左撇子。

守恒律是物理学中最重要的定律,如物质守恒定律、能量守恒定律、电荷守恒定律、动量守恒定律等等,构筑了物理学的基本框架。

在物理学的守恒定律中有一条宇称守恒定律,宇称相当于手性,它的意思是指物理规律在空间反演(如镜象)条件下完全不变。uccess001.cn成功网

举个例子,一台钟放在镜子前,它的指针沿顺时针方向旋转,镜象中的钟的指针则沿反时针方向旋转,但两个钟的快慢是完全一致的。这就是说,物理规律是左右对称的,即宇称是守恒的。

作为物理学基石之一的宇称守恒定律曾被认为是不可动摇的。然而上世纪五十年代,基本粒子相互作用的实验却对此提出严重挑战。著名物理学家杨振宁和李政道破解了这一谜,指出在弱相互作用中宇称不守恒。

这一结论震惊了物理学界,许多人表示不相信。大物理学家泡利甚至放言:“我不相信上帝是一个软弱的左撇子。我已经准备好下一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。”

泡利先生如果下注,他必输无疑,因为另一位著名物理学家吴健雄不久即以无可争辩的实验结果证明弱相互作用中宇称不守恒的结论。

宇称不守恒发现后,人们证明一条CPT反演联合守恒的定律。这里T表示时间变换,即过去与未来互变;P表示宇称,即手性变换,即左变成右,右变成左;C指电荷,即粒子与反粒子的互变。CPT对称,就是说三种变换同时进行,所有物理定律又都是对称的了。

后来这一定律也遭到困难,因为发现在某些基本粒子的衰变过程中时间不守恒!迄今,对这些现象尚无满意的解释,而物理学正是在不断破解这些反常之谜的过程中发展起来。

我们已经知道存在反物质。一个电子和一个反电子的区别在于,虽然它们电荷的数值相同,但符号相反,自旋和角动量的方向也相反。其它基本粒子也是一样,并由这些反粒子组成反物质。

如果把我们现实物质世界当作右撇子世界的话,那就存在一个与之镜象对称的左撇子物质世界。物质与反物质直接作用将导致湮灭,物质将消失而变成能量。

反物质可不可能在“宇宙”的量级上与物质世界对称?如果真是这样,宇宙在真空中产生,一半是我们的宇宙,另一半是反物质的宇宙,二者构成一个统一的宇宙。

这两大部分之间仍存在多种相互作用。一种可能是它们产生以后就分别独立发展,另一种正好相反,它们永远同步的对偶的发展。为什么会出现后一种可能呢?因为整个宇宙系统在产生之初和后来都保持着一种守恒性,如动量守恒。

我们在此时此刻此世界的每一动作都在遥远的镜象世界中产生一个影子,那真是一种奇妙的景象。

当然,现在这还只能是科学幻想。然而,出现在几千年前的印度教主神毗湿奴的造像,是一位端庄的女神左手托着一只奇怪的海螺壳,这只海螺壳竟然是左旋的!

毗湿奴造像具有罕见的对映体形象,显然古印度的先哲们已经注意到自然界手性这一神秘现象,并赋予它神圣而崇高的含义。在这里,东方神秘主义和近代物理学似乎是殊途同归。

对称和不对称是自然的属性之一,物质在存在的形态上和其运动的方式上都有“左撇子”和“右撇子”。
在一个层次上的不对称,构筑了上一个层次的对称。一个层次的对称,又形成更高一个层次的不对称。这是一种辩证的关系。人类左撇子的起源可能正是物质世界本性的反映。

人类的左撇子和右撇子都在共同求索它的答案。

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