008第五章　基本粒子和自然的力-第3部分

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构成，但二者只居其一，否则我们又会观察到大量由涅灭产生的辐射。因此，我们相信，
所有的星系是由夸克而不是反夸克构成；看来，一些星系为物质而另一些星系为反物质
也是不太可能的。
　　　　为什么夸克比反夸克多这么多？为何它们的数目不相等？这数目有所不同肯定使我
们交了好运，否则，早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了，只余下一个充满辐射而几乎
没有物质的宇宙。因此，后来也就不会有人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸
的是，大统一理论可以提供一个解释，尽管甚至刚开始时两者数量相等，为何现在宇宙
中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的，大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。
它们也允许相反的过程，反夸克变成电子，电子和反电子变成反夸克和夸克。早期宇宙
有一时期是如此之热，使得粒子能量高到足以使这些转变发生。但是，为何导致夸克比
反夸克多呢？原因在于，对于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。
　　　　直到1956年人们都相信，物理定律分别服从三个叫做C、P和T的对称。C（电荷）对
称的意义是，对于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇称）对称是指，对于任何情景和它
的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子）定律不变；T（时间）
对称是指，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应回到原先的那样；换言之，
对于前进或后退的时间方向定律是一样的。
　　　　1956年，两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从P对称。换言之，
弱力使得宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年，他们的一位同事吴健雄证明了他们的
预言是正确的。她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后演示
表明，电子在一个方向比另一方向发射出得更多。次年，李和杨为此获得诺贝尔奖。人
们还发现弱作用不服从C对称，即是说，它使得由反粒子构成的宇宙的行为和我们的宇宙
不同。尽管如此，看来弱力确实服从CP联合对称。也就是说，如果每个粒子都用其反粒
子来取代，则由此构成的宇宙的镜像和原来的宇宙以同样的方式发展！但在1964年，还
是两个美国人——J·W·克罗宁和瓦尔·费兹——发现，在称为K介子的衰变中，甚至连
CP对称也不服从。1980年，克罗宁和费兹为此而获得诺贝尔奖。（很多奖是因为显示宇
宙不像我们所想像的那么简单而被授予的！）
　　　　有一个数学定理说，任何服从量子力学和相对论的理论必须服从CPT联合对称。换言
之，如果同时用反粒子来置换粒子，取镜像和时间反演，则宇宙的行为必须是一样的。
克罗宁和费兹指出，如果仅仅用反粒子来取代粒子，并且采用镜像，但不反演时间方向，
则宇宙的行为于保持不变。所以，物理学定律在时间方向颠倒的情况下必须改变——它
们不服从T对称。
　　　　早期宇宙肯定是不服从T对称的：当时间往前走时，宇宙膨胀；如果它往后退，则宇
宙收缩。而且，由于存在着不服从T对称的力，因此当宇宙膨胀时，相对于将电子变成反
夸克，这些力更容易将反电子变成夸克。然后，当宇宙膨胀并冷却下来，反夸克就和夸
克湮灭，但由于已有的夸克比反夸克多，少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们
今天看到的物质，由这些物质构成了我们自己。这样，我们自身之存在可认为是大统一
理论的证实，哪怕仅仅是定性的而已；但此预言的不确定性到了这种程度，以至于我们
不能知道在湮灭之后余下的夸克数目，甚至不知是夸克还是反夸克余下。（然而，如果
是反夸克多余留下，我们可以简单地称反夸克为夸克，夸克为反夸克。）
　　　　大统一理论并不包括引力。这关系不大，因为引力是如此之弱，以至于我们处理基
本粒子或原子问题时，通常可以忽略它的效应。然而，它的作用既是长程的，又总是吸
引的，表明它的所有效应是迭加的。所以，对于足够大量的物质粒子，引力会比其他所
有的力都更重要。这就是为什么正是引力决定了宇宙的演化的缘故。甚至对于恒星大小
的物体，引力的吸引会超过所有其他的力，并使恒星自身坍缩。70年代我的工作是集中
于研究黑洞。黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。正是黑
洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量
子引力论的一瞥。
　　　　　



　　　　　　　　


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