物理学是一门专注于发现隐藏在我们周围的普遍现象背后的自然规律的学科。自然规律应该是完全对称和绝对的，它们应适用于整个宇宙。这在大多数情况下似乎都是适用的，但也有例外，在某些情形下对称性会被打破，而这非常重要。所以在物理学中，对称性破缺变成了与对称性本身一样重要的研究课题。

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CPT

在支配基本粒子的基础理论中，描述了三种不同的对称原理：宇称（P）、电荷（C）和时间（T）。

在宇称对称性中，所有事件无论是它们本身还是在镜子中都应以完全相同的方式发生。左右之间不应该有任何区别，并且没有人能分辨出他们是在自己的世界里，还是在镜子里。

电荷对称性表明，粒子的行为应该与它们的反粒子完全一样。反粒子具有与粒子完全相同的性质，除了带有相反的电荷。

时间对称性表明，微观层面的物理事件应该都是同等独立的，无论时间的箭头是向前还是向后。

物理学的对称性不仅具有美学价值，它们还简化了许多棘手的计算，在微观世界的数学描述中起着决定性的作用。更重要的事是，对称性还与守恒定律紧密相连，比如能量守恒和电荷守恒定律便于对称性有关。

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标准模型

大约在20世纪中叶，对称性破缺首次出现在了对物质基本原理的研究中，这一次，物理学家把自然界中所有最小的组成部分和基本力都统一到一个的框架中。

但当他们开始这项伟业时，只让粒子物理学变得越来越复杂。二战后建造的粒子加速器源源不断地产生了一些从未见过的粒子，其中很多根本无法与当时的粒子模型匹配。更深层次的研究发现，原本认为的不可再分的中子和质子实则是由夸克构成的。经过物理学家的不懈努力，他们最终构建了统一所有基本粒子和三种基本力的标准模型：

所有已知的物质都是由第一代粒子组成的，第二代和第三代粒子与第一代粒子的性质一样，只是更重的版本，它们非常不稳定，存在极短的时间就会衰变成较轻的粒子。

标准模型囊括了自然界中的三种基本力以及与它们相对应的信使——也就是在基本粒子间传递这些相互作用的粒子。电磁力的信使是质量为零的光子；导致放射性衰变并导致太阳和恒星发光的弱力是由质量很大的W和Z玻色子传递；而强力则由胶子传递的，胶子负责将原子核束缚在一起。可惜的是，标准模型无法解释第四种基本力——引力。如何将四种基本力统一在一起，是当今物理学所面临的一个巨大挑战。

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打破C和P

标准模型牢牢地建立在量子物理学和相对论的相对称性原理基础之上，在过去数十年中经受住了无数次的检验。但是，在一切都变得清晰之前，物理学曾面临着一系列危机，威胁着这一看似平衡的架构。这些危机与物理学家假定对称性定律适用于基本粒子一事有关，因为事实证明，情况并非完全如此。

第一个意外出现在1956年，当时，理论物理学家李政道和杨振宁挑战了弱力中的宇称对称性。就像其他对称原理一样，过去人们认为自然遵循镜像对称，也就是左右对称是一个不争的事实。

而李政道和杨振宁却认为，在基本粒子所处的量子世界中，这些基本原理需要被重新审视。他们提出了一系列实验来验证这种镜像对称，果然在仅仅几个月后，吴健雄从放射性元素钴60的原子核衰变中发现——它并不遵循镜像对称原则：离开钴核的电子会有倾向性地朝着某个方向发射。这意味着，对称性就被打破了。这就好比你站在人潮拥挤的高铁站，看到大多数人齐刷刷的向左走。

不久后，物理学家发现，电荷对称性也被打破了。那么，是否存在这样一种可能性：有一个魔镜，它不仅能够反射左和右，还能把粒子变成反粒子，即粒子与反粒子互为镜像。也就是说，在C和P的联合操作下，对称性不会被打破。过去，物理学家深信，如果你进入一个所有物质都被反物质替代的镜像世界中，自然法则仍不会改变。

但到了1964年，弱力再次引起了人们的注意。克罗宁（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）第一次在中性K介子的放射性衰变中，发现了新的违反对称性法则的现象。一小部分的K介子没有遵循已有的镜像对称和电荷对称，它们打破了双重CP对称，并对整个理论框架提出了新的挑战。

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破解对称性破缺之谜

我们必须为对称性破缺找到一个合理的解释，否则，整个标准模型都将受到威胁。为什么对称性会被违反一直是个谜，直到1972年，来自京都大学的两位年轻研究人员小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（MaskawaToshihide）在一个3×3矩阵中找到了答案。

这种双重对称破缺究竟是如何发生的？

每个K介子都由一个夸克和一个反夸克组成，弱力让它们一次又一次地转换身份——夸克变成反夸克，反夸克变成夸克。这个过程将K介子变成了反K介子。这样，K介子在它自己和它的反粒子之间来回切换。但当满足了适当的条件，物质和反物质之间的对称性就会被打破。小林诚和益川敏英的计算矩阵包含了描述这种夸克间的转换会如何发生的概率。

原来，夸克和反夸克在它们自己的家族中交换了身份。如果这种具有双重对称性破缺的身份交换发生在物质和反物质之间，那么就还需要三种新的夸克的存在。这是一个大胆的预言，标准模型吸纳了这些新的夸克假设，而它们也如预测的那样，全部在实验中被找到。1974年，粲夸克被发现；1977年，底夸克被发现；最后一个是顶夸克，直到1994年才被发现。

小林诚和益川敏英的理论还表明，我们或许可以研究中性B介子的对称性，因为B介子的质量是K介子的10倍。而在B介子中却极少发生对称性破缺的情况，因此需要大量的B介子才能找到少数对称性破缺的粒子。2001年，BaBar和Belle这两个独立的实验在B介子的衰变中，也观测到了CP破坏，与小林诚和益川敏英在30年前基于模型作出的预测完全一致。

到了2019年，欧洲核子研究中心的LHCb实验在中性D介子衰变中也发现了CP破坏。

所有的这些发现，都将帮助我们回答一个关乎我们存在的谜题：为什么在早期宇宙中，物质和反物质会出现轻微的不对称，才使我们今天所看到的宇宙都是由物质组成？

注：细心的读者可能会发现，CP破坏只发生在弱力中，为什么没有发生在强力中是物理学中的一个未解难题。

参考来源：

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2008.pdf

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