科学探索|对称虽美，但不对称才是宇宙和生命存在的原因( 二 ) 对称虽美，但不对称才是宇宙

与人们所期待的宇宙对称性之美相反，科学家们在过去几十年的研究表明，自然法则并不同样适用于物质和反物质。究竟是什么机制创造了这种微小的物质过剩？这种最终导致我们存在的不完美，是粒子物理学和宇宙学中最重大的未决问题之一。
在物理学中，有一种量子操作可以将物质粒子转化为反物质粒子。这种运算被称为“电荷共轭” ，用大写字母C来表示。C对称即电荷共轭对称，表述的是物理定律在电荷共轭转换中的对称性。物理学家观测到的物质-反物质不对称意味着自然界并不呈现电荷共轭对称：在某些情况下，粒子和它们对应的反粒子不能相互转化。具体来说， C对称在弱相互作用（即弱核力，是导致放射性衰变的力）中被破坏了，而电磁力、引力和强相互作用等现象都遵守C对称。中微子是所有已知粒子中最奇怪的一种，被称为“幽灵粒子” ，因为它能够在不受干扰的情况下穿过物质（每秒大约有一万亿个来自太阳的中微子穿过你的身体）。
想要了解为什么中微子违反了C对称，我们还需要了解一种称为“宇称”（parity）的内在对称，用字母P来表示。“宇称变换”可以将一个物体变成它的镜像。例如，你的身体就不是宇称不变的；你的镜像心脏位于右侧。对于粒子而言，宇称与它们的自旋方式有关。但是，粒子是量子物体，这意味着它们的自旋不是任意的。它们的自旋是“量子化的” ，只能以几种方式旋转。对于电子、夸克和中微子这样的基本粒子，自旋是与质量、电量一样的内禀性质。我们说它们的自旋量子数为1/2 ，意即可以是+1/2或-1/2 ，这两个选项对应于两个旋转方向。一个很好的理解方法是弯曲你的右手，大拇指朝上；逆时针方向为正自旋，顺时针方向则为负自旋。
对一个左手性的中微子应用C运算，应当会得到一个左手性的反中微子。没错，即使中微子这样的电中性粒子，也有其对应的反粒子，也是电中性的。问题是，自然界中并没有左手性的反中微子。我们只观察到左旋中微子。弱相互作用——中微子唯一能感觉到的相互作用（除了引力）——违反了电荷共轭对称。这给执迷于对称之美的人提出了难题。
CP破坏：非对称获胜
让我们更进一步。如果我们将C（电荷对称）和P（宇称）同时应用于一个左旋中微子，应该会得到一个右旋的反中微子：C使中微子变为反中微子；P使左旋中微子变为右旋中微子。没错，反中微子是右手性的。弱相互作用分别违反了C对称和宇称，但显然满足了CP对称组合的运算。在实践中，这意味着左手性粒子的反应应该与右手性反粒子的反应以相同的速度发生。所有人似乎都松了一口气。人们希望大自然在所有已知的相互作用中都是CP对称的。对称之美回来了。
这种兴奋并没有持续太久。1964年，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在一个K介子衰变的实验中，发现了CP对称破坏的迹象。本质上， K介子及其反粒子并不像CP对称理论预测的那样以相同的速率衰变。物理学界震惊了。对称之美再一次消失了，而且直到今天仍没有恢复。CP破坏是自然存在的事实。
如此多的不对称
CP破坏有着更深层和更神秘的含义：粒子也会选择一个首选的时间方向。时间的不对称性——宇宙膨胀的标志——也发生在微观层面上。这一发现意义重大。