宇宙是什么

18. 小林-益川理论与“CP对称性破缺”

  此后，研究者还发现了一件事情，即仅会与弱力发生反应的粒子——中微子，全部都是“向左自旋”的（在向前飞行的中微子的身后观察，会发现它是以逆时针方向旋转的）。这打破了宇称的守恒，甚至到了不允许存在向右自旋的中微子的程度。这样一来，任何人都不得不承认弱力不遵守宇称守恒定律的事实。

  不过，对于物理学家而言，守恒定律被打破是非常不舒服的事。因此，研究领域出现了以下观点。

  宇称的对称性确实被打破了。像“镜中世界的中微子”那样的粒子，是不存在的。但是，反中微子是向右自旋的，如果将其看作“镜中世界的中微子”，那么对称性就守恒了。这被称为“CP对称性”。

  “CP对称性”中的“C”取自“电荷共轭变换”（Charge Conjugation Transformation），意指将粒子转换为反粒子。“P”则指宇称变换。在空间反演的同时，将粒子与反粒子互换就是“CP”。仅变换宇称，宇称的对称性就会被打破；但是，如果C和P同时进行，对称性就会恢复。单纯这样说可能不太好懂，我们来看一个例子。例如，我们把书的封面放在镜子前，但不知为何镜子中映出的却是书的封底，于是我们把手伸到镜子中把那本书翻过来。这个比喻确实有些牵强，不过经过两次“变换”之后，对称性将得以保持。从这一点来看，弱力也就遵循了以往的法则。

  然而，这种构想给物理学家带来的安宁转瞬即逝。研究者发现，CP对称性也会在极其微小的程度上被打破。1964年一个实验小组发现，CP应该为负的K介子，在衰变后其CP却变为了正。这种现象出现的概率仅为千分之一，但是就算这是一个罕见的例子，对称性被打破的情况也确实发生了。该实验的领导克罗宁和菲奇二人，因此获得了1980年的诺贝尔物理学奖。这也能反映出该发现的意义多么重大。

  让一般人感受到这一发现的冲击性，可能确实非常困难。不过，这一发现确实撼动了自然界的“秩序”。物理学家的夙愿是用简单的法则说明自然界的秩序，他们希望对称性尽可能是守恒的。因此，即便已经明确宇称对称性被打破了，惊慌的物理学家也还是找到了守恒的方法，即CP对称性是守恒的。

  结果，CP对称性又被打破了，这对物理学家来说无异于灾难。要想解释“CP对称性破缺”这一现象，物理学家就不得不去寻找其他秩序。

  在这种背景下，“小林-益川理论”就登上了历史舞台。在第二代粒子的粲夸克尚未被发现的阶段，小林诚和益川敏英就预言了“夸克应该至少有三代”。他们提出的这个预言，其实就是为了从理论上解释CP对称性破缺。