物理學是一門專注于發現隱藏在我們周圍的普遍現象背后的自然規律的學科。自然規律應該是完全 對稱和絕對的，它們應適用于整個宇宙。這在大多數情況下似乎都是適用的，但也有例外，在某些情形下對稱性會被打破，而這非常重要。所以在物理學中， 對稱性破缺變成了與對稱性本身一樣重要的研究課題。

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CPT

在支配基本粒子的基礎理論中，描述了三種不同的對稱原理： 宇稱（P）、 電荷（C）和 時間（T）。

在宇稱對稱性中，所有事件無論是它們本身還是在鏡子中都應以完全相同的方式發生。左右之間不應該有任何區別，并且沒有人能分辨出他們是在自己的世界里，還是在鏡子里。

電荷對稱性表明，粒子的行為應該與它們的 反粒子完全一樣。反粒子具有與粒子完全相同的性質，除了帶有相反的電荷。

時間對稱性表明，微觀層面的物理事件應該都是同等獨立的，無論時間的箭頭是向前還是向后。

物理學的對稱性不僅具有美學價值，它們還簡化了許多棘手的計算，在微觀世界的數學描述中起著決定性的作用。更重要的事是，對稱性還與守恒定律緊密相連，比如能量守恒和電荷守恒定律便于對稱性有關。

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標準模型

大約在20世紀中葉，對稱性破缺首次出現在了對物質基本原理的研究中，這一次，物理學家把自然界中所有最小的組成部分和基本力都統一到一個的框架中。

但當他們開始這項偉業時，只讓粒子物理學變得越來越復雜。二戰后建造的粒子加速器源源不斷地產生了一些從未見過的粒子，其中很多根本無法與當時的粒子模型匹配。更深層次的研究發現，原本認為的不可再分的 中子和 質子實則是由 夸克構成的。 經過物理學家的不懈努力，他們最終構建了統一所有基本粒子和三種基本力的 標準模型：

所有已知的物質都是由 第一代粒子組成的， 第二代和 第三代粒子與第一代粒子的性質一樣，只是更重的版本，它們非常不穩定，存在極短的時間就會衰變成較輕的粒子。

標準模型囊括了自然界中的三種基本力以及與它們相對應的信使——也就是在基本粒子間傳遞這些相互作用的粒子。 電磁力的信使是質量為零的 光子；導致放射性衰變并導致太陽和恒星發光的 弱力是由質量很大的 W和 Z玻色子傳遞；而 強力則由 膠子傳遞的，膠子負責將原子核束縛在一起。可惜的是，標準模型無法解釋第四種基本力—— 引力。如何將四種基本力統一在一起，是當今物理學所面臨的一個巨大挑戰。

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打破C和P

標準模型牢牢地建立在量子物理學和相對論的相對稱性原理基礎之上，在過去數十年中經受住了無數次的檢驗。但是，在一切都變得清晰之前，物理學曾面臨著一系列危機，威脅著這一看似平衡的架構。 這些危機與物理學家假定對稱性定律適用于基本粒子一事有關，因為事實證明，情況并非完全如此。

第一個意外出現在1956年，當時，理論物理學家 李政道和 楊振寧挑戰了弱力中的宇稱對稱性。就像其他對稱原理一樣，過去人們認為自然遵循鏡像對稱，也就是左右對稱是一個不爭的事實。

而李政道和楊振寧卻認為，在基本粒子所處的量子世界中，這些基本原理需要被重新審視。他們提出了一系列實驗來驗證這種鏡像對稱，果然在僅僅幾個月后， 吳健雄從放射性元素鈷60的原子核衰變中發現——它并不遵循鏡像對稱原則：離開鈷核的電子會有傾向性地朝著某個方向發射。這意味著，對稱性就被打破了。這就好比你站在人潮擁擠的高鐵站，看到大多數人齊刷刷的向左走。

不久后，物理學家發現，電荷對稱性也被打破了。那么，是否存在這樣一種可能性：有一個魔鏡，它不僅能夠反射左和右，還能把粒子變成反粒子，即粒子與反粒子互為鏡像。也就是說，在C和P的聯合操作下，對稱性不會被打破。過去，物理學家深信，如果你進入一個所有物質都被反物質替代的鏡像世界中，自然法則仍不會改變。

但到了1964年，弱力再次引起了人們的注意。 克羅寧（James Cronin）和 菲奇（Val Fitch）第一次在中性 K介子的放射性衰變中，發現了新的違反對稱性法則的現象。一小部分的K介子沒有遵循已有的鏡像對稱和電荷對稱，它們打破了雙重CP對稱，并對整個理論框架提出了新的挑戰。

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破解對稱性破缺之謎

我們必須為對稱性破缺找到一個合理的解釋，否則，整個標準模型都將受到威脅。為什么對稱性會被違反一直是個謎，直到1972年，來自京都大學的兩位年輕研究人員 小林誠（Makoto Kobayashi）和 益川敏英（Maskawa Toshihide）在一個 3×3矩陣中找到了答案。

這種雙重對稱破缺究竟是如何發生的？

每個K介子都由一個夸克和一個反夸克組成，弱力讓它們一次又一次地轉換身份——夸克變成反夸克，反夸克變成夸克。這個過程將K介子變成了反K介子。這樣，K介子在它自己和它的反粒子之間來回切換。但當滿足了適當的條件，物質和反物質之間的對稱性就會被打破。小林誠和益川敏英的計算矩陣包含了描述這種夸克間的轉換會如何發生的概率。

原來，夸克和反夸克在它們自己的家族中交換了身份。如果這種具有雙重對稱性破缺的身份交換發生在物質和反物質之間，那么就 還需要三種新的夸克的存在。這是一個大膽的預言，標準模型吸納了這些新的夸克假設，而它們也如預測的那樣，全部在實驗中被找到。1974年， 粲夸克被發現；1977年， 底夸克被發現；最后一個是 頂夸克，直到1994年才被發現。

小林誠和益川敏英的理論還表明，我們或許可以研究中性 B介子的對稱性，因為B介子的質量是K介子的10倍。而在B介子中卻極少發生對稱性破缺的情況，因此需要大量的B介子才能找到少數對稱性破缺的粒子。2001年，BaBar和Belle這兩個獨立的實驗在B介子的衰變中，也觀測到了CP破壞，與小林誠和益川敏英在30年前基于模型作出的預測完全一致。

到了2019年，歐洲核子研究中心的LHCb實驗在中性 D介子衰變中也發現了CP破壞。

所有的這些發現，都將幫助我們回答一個關乎我們存在的謎題：為什么在早期宇宙中，物質和反物質會出現輕微的不對稱，才使我們今天所看到的宇宙都是由物質組成？

注：細心的讀者可能會發現，CP破壞只發生在弱力中，為什么沒有發生在強力中是物理學中的一個未解難題。

參考來源：

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