时间简历——从大爆炸到黑洞(40)

2023-04-25 来源:飞速影视
尽管观测质子的自发衰变非常困难,但很可能正由于这相反的过程,即质子或更简单地说夸克的产生导致了我们的存在。它们是从宇宙开初的可以想像的最自然的方式--夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子,从而由夸克所构成。除了由少数物理学家在大型粒子加速器中产生的之外,不存在由反夸克构成的反质子和反中子。从宇宙线中得到的证据表明,我们星系中的所有物质也是这样:除了少量当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生出来的以外,没有发现反质子和反中子。如果在我们星系中有很大区域的反物质,则可以预料,在正反物质的边界会观测到大量的辐射,该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。
我们没有直接的证据表明其他星系中的物质是由质子、中子还是由反质子、反中子构成,但二者只居其一,否则我们又会观察到大量由涅灭产生的辐射。因此,我们相信,所有的星系是由夸克而不是反夸克构成;看来,一些星系为物质而另一些星系为反物质也是不太可能的。
为什么夸克比反夸克多这么多?为何它们的数目不相等?这数目有所不同肯定使我们交了好运,否则,早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了,只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。因此,后来也就不会有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!
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