第五十八章 CPT守恒或不守恒
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刘老师走了进来，见还没有到上课时间，就跟林芝和陈载誉闲聊，询问一些他们平时的学习情况：学习物理有没有什么难处？遇到了些什么问题？不管是什么问题，课外的课内的，都可以尽管问我。
林芝想起之前讨论课上提到的四维空间和宇称不守恒，她还记得宇称不守恒在讲义里有一点相关的内容，便先向老师讨教：“刘老师，四维空间里的第四维，具体是什么？”
刘老师：“这个问题，如果是四维时空的话，第四维就是指的时间，但四维空间的第四维，好像科学界还没有确切定论，不少科学家说是曲率。这个很难想象出来的。陈载誉同学，你有没有看过相关的书籍？”
陈载誉回答：“我认为，空间第四维是物质向时间方向的弯曲坍塌，简单点表示的话可以写做物质体积变化与时间流逝的比值。由于时间分正反方向，我们只能感受到正方向，而且只是时间的截面，所以第四维在我们的三维空间是残缺的。”
刘老师：“这说法我还是第一次听见，你是在哪本书里看到的？”
陈载誉：“只是我个人思考出来的结果。”
刘老师略微惊讶，拿过陈载誉面前的草稿本和笔，在上面演算了几条林芝看不太懂的公式。
等刘老师算完，林芝又问：“那宇称不守恒为什么能拿诺贝尔奖，它的意义是什么呢？”当然了她不是质疑，只是很想知道。
其他同学陆陆续续来到了，老师说：“这个我也正准备在课堂上讲的，毕竟这是咱们华人拿到的第一个诺贝尔物理学奖，不管是不是为了防止高考的时候有些老师会拿它做为出题背景，做为学过物理的人，不了解它也是有点可惜。”
“嗯。”林芝赞同地点头，对待会的课程充满了期待。
开始上课了，刘老师先给大家讲了一个常规的专题“自由落体与竖直上抛运动”，在后面还剩二十多分钟的时候，开始给大家讲杨振宁和李政道这两位大科学家提出的宇称不守恒。
“大家知道为什么宇称不守恒能拿诺贝尔物理学奖吗？”
同学们纷纷摇头。
刘老师笑了笑，搬来椅子在讲桌前坐下，开始娓娓道来：“我们先来说一下CPT守恒。物理世界有三种常见的对称方式，我们习惯使用符号C、P和T来表示。C代表正负电荷对称变换，也就是把一种物质对应变换成它的反物质；P代表宇称变换——所谓宇称，可以简单理解为左右——宇称变换，也就是照镜子之后得到左右对称相反的镜像物质；T代表时间反演，也就是颠倒运动方向，如同录像带正向播放和倒退播放的转换。
如果某个物理现象在经过上述某个变换后仍然满足物理定律，那么我们就说该物理定律对这种变换守恒。
比如刚刚我们专题里面提到的两种运动，如果我们让一个棒球自由落体，完了之后又从落点将它竖直上抛，让它沿原路返回刚好到达一开始的下落点，那么不管是自由落体还是竖直上抛，它们都符合牛顿运动定律。如果把这两个过程都录像，分别回看录像的时候，你将分不清楚哪个是倒放哪个是正放，我们就说它们是时间对称，即牛顿运动定律是符合T守恒。
又比如在平时生活中，我们去照镜子，左右会互换。你研究镜子外边的物体运动可以得到一套物理定律；然后你研究镜子里边的物体运动，又可以得到一套物理定律，而且还跟镜子外边得到的相同，这就是宇称守恒。更简单点说就是镜子里的世界跟外边的世界遵循同样的物理定律。
千百年来，人们都认为CPT是绝对守恒的，这个世界是对称的。
正是有对称性作为指导，爱因斯坦才发现了相对论。杨振宁曾说:“狭义相对论不仅仅是一个划时代的革命，它也有某些Einstein最初并未自觉意识到的深远影响，那就是对称性原理的应用。”
许多当代最著名的物理学家们认为，如果在物理大师费曼的“世界是由原子组成的”之后再选一句，来概括现代科学最重要的发现，那么他们会选“对称性是宇宙规律的基础”。
所谓基础，便是属于物理世界最底层的根基，所以可想而知1956年杨振宁和李政道提出弱相互作用中宇称不守恒，动摇了物理世界底层根基的时候，在世界上引起了多么巨大的震动。正是因为这项发现意义重大，当年他们就获得了诺贝尔物理学奖。从发表论文到最后获奖，前后不到一年的时间，这个获奖速度在诺贝尔奖100多年的历史中是最快的。
宇称不守恒的证实凿开了人类探知宇宙的一道裂缝，之后科学家们循着这条裂缝做更深入的研究发现，电荷和时间也并非对称守恒。
在宇宙大爆炸的初始阶段，宇宙是一个炽热的纯能量奇点。宇宙能量经历了膨胀与冷却之后，转化成了数量相等的正反粒子对。我们知道，正反粒子相遇会湮灭，形成光子。如果电荷严格对称守恒的话，如今我们的宇宙中就只剩下微波背景辐射了，根本不可能有物质存在，更不会有我们。
正是因为不计其数的正反粒子彼此相遇结合的过程中，正反粒子的行为出现了差异，每湮灭十亿个正反粒子，就有一个正物质粒子被保留下来，最终形成了现在宇宙中各种各样的物质。
于是人们就开始重新审查理论的基础。到底什么情况下对称性是必定满足的，什么情况下对称性又是可以违反的？
如今科学界公认的结论是：C、P、T各自都可以不守恒，但CPT三者联合却必定是守恒的。也就是说，把一个体系的电荷反号，左右互换，时间反演，这三个变换都完成之后，体系的运动变化必然还是符合物理规律的。
由此我们还可以得出另一个有趣的结论：既然CPT的整体变换一定守恒，那么如果其中一部分不守恒，另一部分也一定不守恒。比如，一个体系对T不守恒，那么它对CP一定也不守恒。”
刘老师走了进来，见还没有到上课时间，就跟林芝和陈载誉闲聊，询问一些他们平时的学习情况：学习物理有没有什么难处？遇到了些什么问题？不管是什么问题，课外的课内的，都可以尽管问我。
林芝想起之前讨论课上提到的四维空间和宇称不守恒，她还记得宇称不守恒在讲义里有一点相关的内容，便先向老师讨教：“刘老师，四维空间里的第四维，具体是什么？”
刘老师：“这个问题，如果是四维时空的话，第四维就是指的时间，但四维空间的第四维，好像科学界还没有确切定论，不少科学家说是曲率。这个很难想象出来的。陈载誉同学，你有没有看过相关的书籍？”
陈载誉回答：“我认为，空间第四维是物质向时间方向的弯曲坍塌，简单点表示的话可以写做物质体积变化与时间流逝的比值。由于时间分正反方向，我们只能感受到正方向，而且只是时间的截面，所以第四维在我们的三维空间是残缺的。”
刘老师：“这说法我还是第一次听见，你是在哪本书里看到的？”
陈载誉：“只是我个人思考出来的结果。”
刘老师略微惊讶，拿过陈载誉面前的草稿本和笔，在上面演算了几条林芝看不太懂的公式。
等刘老师算完，林芝又问：“那宇称不守恒为什么能拿诺贝尔奖，它的意义是什么呢？”当然了她不是质疑，只是很想知道。
其他同学陆陆续续来到了，老师说：“这个我也正准备在课堂上讲的，毕竟这是咱们华人拿到的第一个诺贝尔物理学奖，不管是不是为了防止高考的时候有些老师会拿它做为出题背景，做为学过物理的人，不了解它也是有点可惜。”
“嗯。”林芝赞同地点头，对待会的课程充满了期待。
开始上课了，刘老师先给大家讲了一个常规的专题“自由落体与竖直上抛运动”，在后面还剩二十多分钟的时候，开始给大家讲杨振宁和李政道这两位大科学家提出的宇称不守恒。
“大家知道为什么宇称不守恒能拿诺贝尔物理学奖吗？”
同学们纷纷摇头。
刘老师笑了笑，搬来椅子在讲桌前坐下，开始娓娓道来：“我们先来说一下CPT守恒。物理世界有三种常见的对称方式，我们习惯使用符号C、P和T来表示。C代表正负电荷对称变换，也就是把一种物质对应变换成它的反物质；P代表宇称变换——所谓宇称，可以简单理解为左右——宇称变换，也就是照镜子之后得到左右对称相反的镜像物质；T代表时间反演，也就是颠倒运动方向，如同录像带正向播放和倒退播放的转换。
如果某个物理现象在经过上述某个变换后仍然满足物理定律，那么我们就说该物理定律对这种变换守恒。
比如刚刚我们专题里面提到的两种运动，如果我们让一个棒球自由落体，完了之后又从落点将它竖直上抛，让它沿原路返回刚好到达一开始的下落点，那么不管是自由落体还是竖直上抛，它们都符合牛顿运动定律。如果把这两个过程都录像，分别回看录像的时候，你将分不清楚哪个是倒放哪个是正放，我们就说它们是时间对称，即牛顿运动定律是符合T守恒。
又比如在平时生活中，我们去照镜子，左右会互换。你研究镜子外边的物体运动可以得到一套物理定律；然后你研究镜子里边的物体运动，又可以得到一套物理定律，而且还跟镜子外边得到的相同，这就是宇称守恒。更简单点说就是镜子里的世界跟外边的世界遵循同样的物理定律。
千百年来，人们都认为CPT是绝对守恒的，这个世界是对称的。
正是有对称性作为指导，爱因斯坦才发现了相对论。杨振宁曾说:“狭义相对论不仅仅是一个划时代的革命，它也有某些Einstein最初并未自觉意识到的深远影响，那就是对称性原理的应用。”
许多当代最著名的物理学家们认为，如果在物理大师费曼的“世界是由原子组成的”之后再选一句，来概括现代科学最重要的发现，那么他们会选“对称性是宇宙规律的基础”。
所谓基础，便是属于物理世界最底层的根基，所以可想而知1956年杨振宁和李政道提出弱相互作用中宇称不守恒，动摇了物理世界底层根基的时候，在世界上引起了多么巨大的震动。正是因为这项发现意义重大，当年他们就获得了诺贝尔物理学奖。从发表论文到最后获奖，前后不到一年的时间，这个获奖速度在诺贝尔奖100多年的历史中是最快的。
宇称不守恒的证实凿开了人类探知宇宙的一道裂缝，之后科学家们循着这条裂缝做更深入的研究发现，电荷和时间也并非对称守恒。
在宇宙大爆炸的初始阶段，宇宙是一个炽热的纯能量奇点。宇宙能量经历了膨胀与冷却之后，转化成了数量相等的正反粒子对。我们知道，正反粒子相遇会湮灭，形成光子。如果电荷严格对称守恒的话，如今我们的宇宙中就只剩下微波背景辐射了，根本不可能有物质存在，更不会有我们。
正是因为不计其数的正反粒子彼此相遇结合的过程中，正反粒子的行为出现了差异，每湮灭十亿个正反粒子，就有一个正物质粒子被保留下来，最终形成了现在宇宙中各种各样的物质。
于是人们就开始重新审查理论的基础。到底什么情况下对称性是必定满足的，什么情况下对称性又是可以违反的？
如今科学界公认的结论是：C、P、T各自都可以不守恒，但CPT三者联合却必定是守恒的。也就是说，把一个体系的电荷反号，左右互换，时间反演，这三个变换都完成之后，体系的运动变化必然还是符合物理规律的。
由此我们还可以得出另一个有趣的结论：既然CPT的整体变换一定守恒，那么如果其中一部分不守恒，另一部分也一定不守恒。比如，一个体系对T不守恒，那么它对CP一定也不守恒。”