假设你能跟一个外星人打电话,他智商爆表,什么都懂,就是没来过地球。你想让他搞明白"左边"是哪边,你怎么开口?
你说:这还不简单,我举起我的左手……
打住,他看不见你。
你又说:那我告诉他,心脏在左边?
也不行,外星人的心脏长哪儿,你心里有数吗?
你琢磨了一会儿,说:那就上物理定律吧。物理定律全宇宙通用,我教他做个实验,左右不就分出来了?
这个思路没毛病。但在1956年之前,这条路是堵死的。
因为那时候所有物理学家都默认一件事:物理定律分不出左右。
镜子里的世界和镜子外的世界,守的是同一套规矩。
说白了,"左"和"右"这两个字,在宇宙的底层规则里根本不存在。
然后1957年,一个实验做完,所有人都愣住了。
左右,居然真的能分出来。
物理的事先放一放,我们先看看自己。
照镜子的时候,你会觉得自己长得挺规矩,两只眼睛、两个耳朵、两条胳膊,左右各一份,谁也不欠谁。但这只是表面工程,属于"精装修"。
身体里面,完全是另一幅施工画面。
心脏长在左边,连尖儿都朝左偏。肺更离谱,左边两叶,右边三叶,数目直接对不上。胃、肝、肠子,位置一个比一个随意,没几个老老实实待在中轴线上。
如果大自然天生讲究左右对称,那我们这副"东倒西歪"的内脏,算怎么回事?
当然,光凭心脏长左边,说明不了太深的问题。
人还分左撇子右撇子呢,右撇子还占了大头,这也不对称。真正让人后背发凉的,是把镜头继续往小了拉。
再说一个化学概念,叫手性。
名字听着唬人,其实特别好懂。
你伸出两只手,左手和右手,是不是互为镜像?镜子里的那只手,跟你真实的手,你永远没法把它们完全重合到一起,左手套塞不进右手套,硬塞会卡住。
很多分子也是这样。
同一个分子式,原子一个不少,但在空间里能摆出两个版本,互为镜像,就像一双手。
这两个版本,就叫手性分子。
无机物里没什么感觉,一进生命的世界,事情就诡异了。
我们身上的蛋白质,全是由氨基酸搭起来的。
氨基酸有左手版和右手版,按理说起跑线上五五开,结果呢?
地球生命几乎只用了左手版那一套。
右手版的氨基酸不是不存在,是生命压根不拿它当饭吃。
你要是真吃进去一堆右手氨基酸构成的蛋白质,身体不但不领情,不给你补充营养,搞不好还得闹肚子。
更有意思的是,氨基酸这边集体左撇子,糖那边却反过来了。组成DNA和RNA骨架的核糖,清一色是右手版。
一个左,一个右,像提前商量好的。
这不是我夸张。生命的底层代码,就是这么写的。
至于为什么这么写,后面再说,先记住这个"案发现场"。
手性这东西不只是实验室里的谈资,它真真切切闯过滔天大祸。
上世纪五六十年代,有一种药叫反应停,学名沙利度胺,专门给孕妇吃,用来镇静止吐。当时卖得特别火,遍布几十个国家。
结果短短几年,全世界出生了一万两千多名畸形婴儿,四肢极短,像海豹的鳍,后来被叫做"海豹儿"。
追查下来,问题就出在手性上。
这个药是左右两种分子的混合物。
右手版是好的,确实能镇静、能压妊娠反应;左手版是坏的,有强烈的致畸作用。
两种分子长得几乎一模一样,当时的人根本没意识到,镜像里的那个"孪生兄弟"会是个杀手。
同一时期的麻醉药也有类似的麻烦。比如盐酸布比卡因,能麻醉,但有让病人心肌梗死的风险。后来才查清楚,惹事的是那个没有药效的右手版,真正干活的左手版反而没这个毛病。
所以现在新药上市,规矩严多了,两种手性各自什么脾气,都得单独试一遍,不敢再稀里糊涂打包卖。
再看看遗传物质本身。DNA的双螺旋,我们熟悉的那个,是向右拧的。那有没有向左拧的DNA?
有,真有,叫Z-DNA,非常罕见,偶尔在特定条件下冒个头。
但重点不是"有没有",而是"失衡",右旋占据了绝对统治地位,左旋只是零星客串。
如果左右真的平等,不该是这个比例。
从内脏追到分子,从分子追到药物和DNA,线索越来越集中。
那我们干脆一追到底,看看宇宙最底层到底有哪几股力量在干活。
物理学家数过,一共四种基本力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。
前三种,都是规矩人。引力、电磁力、强力,照镜子前后一个样,宇称守恒,挑不出毛病。
唯独弱力,是个左撇子。
而且它不是稍微有点偏,是偏得理直气壮、偏到了头。这个后面细讲。
先说说它是怎么暴露的。
弱力露马脚之前,物理学界先被一桩怪事卡住了。
上世纪50年代初,人们在宇宙线里发现了两个奇怪的粒子,一个叫θ(西塔),一个叫τ(陶)。
θ衰变的时候,变出两个π介子。
τ衰变的时候,变出三个π介子。
按当时的规矩,衰变产物数目不一样,说明宇称不一样,那它俩就该是两种完全不同的粒子,身份证都不该是一个版式。
可诡异的事情来了。
把它俩放一起量,质量一样,寿命一样,电荷一样,自旋一样,所有能测的参数全一样,误差范围内分毫不差。
这就好比你面前站着两个人,身份证号不同,但身高、体重、长相、血型、走路姿势、说话声音一模一样,连眨眼频率都同步。
你说这是两个人,还是一个人?
整个物理学界被这桩"θ-τ之谜"缠了好几年,谁也说不圆。
1956年,两个年轻的华人物理学家,李政道和杨振宁,盯着这堆别扭的数据看了很久,忽然提出一个大胆到有点冒犯的想法:
θ和τ,会不会根本就是同一个粒子?
它之所以能一会儿衰变成两个π,一会儿衰变成三个π,是因为在弱相互作用里,宇称压根就不守恒。
左右对称这条"铁律",在弱力的地盘上不生效。
这个想法为什么吓人?因为它不是在修修补补,而是直接掀桌子。
更扎心的是,李政道和杨振宁把过去的实验记录翻了个底朝天,发现一件尴尬的事:大家一直挂在嘴边的"弱作用宇称守恒",其实从来没有被实验真正检验过。
在强作用和电磁作用里,宇称守恒有扎实的数据撑着。
但在弱作用里,所谓的"证据"误差都很大,大到根本分辨不出守恒还是不守恒。
人们只是觉得别的力都守恒,弱力总不能搞特殊吧,于是就默认了。
注意,是"默认",不是"验证"。
他俩把这个观点写成论文,还顺手设计了几个能一锤定音的检验方案,发表在1956年的《物理评论》上。
方案有了,得有人动手。
接下这个活儿的,是另一位华人物理学家,吴健雄。
这个实验的难度,说出来你感受一下。
她用的是钴-60,一种会发生β衰变的放射性元素。要让原子核的自旋方向齐刷刷指向同一个方向,常温下根本没戏,因为热运动让它们乱成一锅粥。
怎么办?降温。
她带着团队跟美国国家标准局的低温组合作,把钴-60冷却到0.01开尔文。
这是什么概念?只比绝对零度高百分之一度,零下273.14摄氏度,原子的热运动几乎被冻停了。然后再加上强磁场,像喊口令一样,把所有原子核的自旋"掰"到同一个方向。
钴-60还得铺在一种特殊晶体的表面薄薄一层,让这股齐整劲儿能维持住。极化到不到位,则用衰变放出的伽马射线在旁边盯着。
一切就绪,就看一件事:衰变飞出来的电子,往哪边跑。
如果宇称守恒,顺着自旋方向飞出去的电子,和逆着自旋方向飞出去的,数量应该一样多,五五开,镜子里镜子外没区别。
结果数据一出来,电子明显偏心。
一大群电子都朝着核自旋的反方向冲,两边数量差得明明白白。后来把磁场方向反过来再测,偏心的规律照旧,排除了材料剩磁捣鬼的可能。
镜子,就这么碎了。
实验结果公布之前,好多重量级人物根本不信。
泡利,量子力学奠基人之一,出了名的毒舌和眼光毒。他写信给朋友魏斯科普夫,信里说:我不相信上帝是个左撇子,我愿意押上一大笔钱,赌实验会给出对称的结果。
据说费曼也信心满满地跟着押了注,赔率开到五十比一。
然后数据公开,集体翻车。
泡利后来又写了一封信,语气软了,说幸亏自己只是嘴上说说,没真跟人立字据下注,不然这笔钱输得能让他倾家荡产。
不过泡利到底是泡利,认输之余还给上帝补了个更精确的描述:上帝确实是个左撇子,但是个"程度较轻的左撇子"。
什么意思?
弱力这股劲儿平时太弱了,比电磁力弱得多,日常世界里基本轮不到它露面。
所以我们看星星、看苹果落地、看身边的一切,仍然觉得左右对称、岁月静好。只有弱力亲自出手的瞬间,比如β衰变,那点偏心才藏不住。
这个发现的分量有多重?
1957年,也就是实验完成的同一年,李政道和杨振宁直接被授予诺贝尔物理学奖。
从提出到验证再到拿奖,几乎在一年之内全部完成,这个速度在诺奖历史上都罕见。
至于亲手做出关键实验的吴健雄没有拿到这枚奖,一直是很多人心里的遗憾,这里就不展开了。
要说弱力偏心最干净、最没有争议的证据,还得看中微子。
中微子这东西性格很孤僻,引力对它作用微乎其微,它又不带电,电磁力管不着,强力也不参与。它只跟弱力打交道。
换句话说,中微子相当于把弱力的"脾气"直接刻在了自己身上。
观测结果是:所有的中微子,全是左手的。
注意,是"所有",没有例外。而反中微子,全是右手的,同样没有例外。
物理学家奥托·弗里施打过一个很形象的比方:中微子飞行的样子,就像从一根带左旋膛线的枪管里射出来的子弹,一边往前冲,一边固定方向地转。
还是在1957年,费曼和盖尔曼,以及马沙克和苏达山,两组人分别搞出了一套理论,后来叫V-A理论。
名字不用记,结论就一句话:弱力只跟左手的粒子、右手的反粒子握手。右手的粒子凑上来,它当没看见。
V和A两种成分各占一半,刚好顶到极限,物理学上给这种情况起了个名字,叫"最大宇称破坏"。
不是轻微偏心,是偏心到了满分。
故事到这儿,你以为就结束了?更刺激的在后面。
宇称这个P破了,物理学家心里咯噔一下,赶紧去查CP。
C叫电荷共轭,简单理解就是把粒子换成对应的反粒子,正变负、负变正。P是照镜子。那我把"换电荷"和"照镜子"两个操作捆一起上,总该对称了吧?
1964年,克罗宁和菲奇在布鲁克海文实验室拿中性K介子做实验。
里面有一种长寿命的K介子,按CP对称的规矩,它只能衰变成三个π。结果他们发现,大约每一千次里,总有那么两三次,它偏偏衰变成两个π。
数量不多,但性质很硬。
CP,也破了。
这下麻烦真的大了,因为还连着一个T,时间反演。
解释一下T。
你拿手机拍两个小球碰撞,正放一遍,倒放一遍,让我猜哪个是正的,我只能瞎蒙。因为微观物理定律正着走、反着走都成立,两个版本都合法。
这就是时间反演对称。
但CPT三个变换是绑在一起的,整体严格守恒。既然CP破了,T就必须跟着破,在数学上,这两件事其实是同一件事的两种说法。
翻译成人话就是:在物理定律的层面,"过去"和"未来"不再是完全等价的了。倒放的影片,原则上是能被认出破绽的。
顺便说一句,这个"时间反演破缺"跟我们平时说的"时间一去不回头",也就是熵增带来的热力学时间箭头,不完全是一回事,别混为一谈。这里只点到为止,展开又是另一个大坑。
连番挨锤之后,物理学家手里还攥着最后一块底牌,叫CPT定理。
C换电荷,P照镜子,T倒放时间,三个变换一起做,得到的那个宇宙,跟我们现在这个宇宙遵守完全相同的物理定律,演化方式分毫不差。
这不是拍脑袋猜的,是数学家和理论物理学家实打实证明过的。在量子场论里,它属于"底线"级别的东西。这条底线要是再破,那物理学就真的要集体怀疑人生了。
顺着CPT往下想,有人提出了"镜像宇宙"的设想:如果把我们的宇宙整个镜像反射一遍,所有动量反向,所有物质换成反物质,那个宇宙会怎么演化?
这里必须提醒一句,镜像宇宙跟平行宇宙不是一回事,特别容易搞混。
平行宇宙是量子力学里的一种诠释,用来解释概率问题,约束很少,想象空间很大。而镜像宇宙有严格的身份要求:它必须是我们这个宇宙的CPT翻版,三个变换一个都不能少,是带着"出厂规格"的。
目前它还只是个猜想,没有任何观测证据。但物理学家愿意一本正经地琢磨它,背后的心思很朴素:对称才是默认设置,不对称才是需要写报告解释的那个异常。
说到这儿,你可能会翻白眼:你们物理学家是不是有强迫症?为什么非得跟对称较劲?
还真不是强迫症,这背后有硬邦邦的道理。
1918年,德国数学家艾米·诺特提出了一个定理,后来叫诺特定理:每一种连续的对称性,都对应着一个守恒量。
看几个例子就明白了。
空间平移对称:在北京做实验和在纽约做实验,结果一样,对应的是动量守恒。
时间平移对称:今天做和明天做,结果一样,对应的是能量守恒。
空间旋转对称:仪器朝东摆和朝西摆,结果一样,对应的是角动量守恒。
看出来了吧,对称不是什么好看的摆设,它直接连着"什么东西不会凭空冒出来、也不会凭空消失"。
要是能量守恒没了,你手边这杯水可能下一秒冻成冰疙瘩,再下一秒自己开了锅,谁受得了?
我们之所以能安心过日子,背后都是这些对称性在兜底。
回到最开始,那个外星人电话。
怎么不用任何参照物,纯靠物理定律告诉他哪边是左?
现在有答案了。
让他做个钴-60衰变实验,看电子扎堆往哪个方向飞;或者干脆让他逮一个中微子,看它怎么"转"。
哪边是左,清清楚楚,宇宙自己就把答案写在弱力里了。
最后说点个人感受。
一开始我也觉得,宇称不守恒就像大自然的一个bug,一段本该工整的代码,偏偏在弱力这一行崩了。内脏歪着长,分子一边倒,连时间都被拖下了水。
但换个角度想,一面镜子碎了,不等于对称死了。
左手的不对称,把右手也拉进来,凑成的可能是更高一层的对称。
P破了,CP破了,CPT还稳稳地立在那儿。
至于反物质那边,是不是真的藏着一个右撇子的镜像宇宙,跟我们这边五五开,没人知道。
也许有一天,我们现在看到的所有"偏心",都会被证明只是某个更大对称露出来的一角。
在那之前,就慢慢等吧。