破坏的起源

10．CP破坏的起源

本题来自《10000个科学难题·物理学卷》第796页中国科学院高能物理研究所吕才典研究员的题为《CP破坏的起源、机制和宇宙学的关系》，全文如下：

现代物理学研究的范围是对称性及其破缺，其中关于分立对称性的探讨占据重要地位。宇称变换P改变空间手性，电荷共轭变换C交换正反粒子的内禀量子数，其两者在引力、电磁及强相互作用中分别是对称变换。然而，弱相互作用不仅分别破坏C和P，而且亦破坏CP联合变换。

粒子物理学对于CP破坏的研究具有理论和实践的双重意义。从理论上讲：首先，其彻底破除了人类的思维定式——CP守恒意味着正、反粒子应当遵循相同的自然定律，然而事实告诉我们，微观世界中的对称性不能先验地假定而只能经过实验的检验；其次，由CPT定理可知CP破坏即意味着时间反演T的破坏，从而微观世界中的时间具有方向性，且其不同于宏观热力学中所内蕴的时间之矢；再次，CP破坏是标准模型构建中不可或缺的要素，其解决方案促使三代夸克理论的诞生；最后，宇宙学中为解释正、反物质的不对称性而引入重子数产生机制，CP破坏是其必要条件之一。从实践上讲：对CP破坏的清爽测量不仅可以约束标准模型中的味道参数；而且亦能用于探测新物理的迹象。

在标准模型的框架内，CP破坏的来源有两条途径：其一，弱电理论中的Koba‐yashi和Maskawa（KM）机制：由于YuKawa耦合包含不同代间的夸克，使得质量矩阵于味道空间中是非对角的，因此带电流与质量本征态的耦合会给出CKM（Cabibbo‐Kobayashi‐Maskawa，矩阵；在三代夸克理论中，其经重新参数化后仍然含有一个复相角，这成不弱电理论中CP破坏的唯一来源。其二，在量子色动力学的作用量中包含一个不可忽略的全导数项，其破坏P和T，即CP。

迄今为止，K、D和B介子系统是开展CP破坏研究的最好平台，而B工厂所给出的实验结果很好地支持了KM机制。归纳起来，现今CP破坏的研究主要有两大疑难：（1）宇宙学的观测表明重子数产生机制要求更大的CP破坏来源，不是标准模型所能提供的，需要新物理模型。以最小超对称标准型为例，包含41个CP破坏参数，这就为理论上筛选真实的新物理模型提出了严峻挑战。（2）CP破坏的起源：与“硬”CP破坏的KM机制相对应，理论上存在自发CP破坏的理论模型，但实验对其提出了极其严格的限制。坦率地讲，自然为什么是CP破坏的答案距离我们依然遥远。

针对上述CP破坏的起源的解答，如图1‐10‐1所示。

图1‐10‐1

四种自然力即电磁力U（1）、弱核力SU（2）、强核力SU（3）和引力9－4（化简为3－2，引力的定量特征）的强度相等。

这四种自然力强度相等的动力机制可表述如下：

（1）它们有一个共同的耦合强度5：

5＝|6－1|＝|7－2|＝|8－3|＝|9－4|

（2）由此可以认为所有的粒子都发光的速度永远运动：

6－5－1＝0，7－5－2＝0，8－5－3＝0，9－5－4＝0。

（3）几率振幅的一致性如下：

强作用数学场：8－3－5：3／5＋2／5＝2／5＋3／5＝1，S＋S＝SS^＋＝1

弱作用数学场：7－2－5：2／5＋3／5＝3／5＋2／5＝1，S^＋S＝SS^＋＝1

引力数学场：9－4－5：4／5＋1／5＝1／5＋4／5＝1，S^＋S＝SS^＋＝1

电磁力数学场：6－1＝5：1／5＋4／5＝4／5＋1／5＝1，S^＋S＝SS^＋＝1

这就是CP的起源：宇宙大爆炸前宇宙温度高达10²⁸K以上，四种自然力强度相等时刻，下降到10³²K以下，强力和弱力自发分裂之时所产生的CP破坏，上图的数学表示也就改观变成下图1‐10‐2所示。

图1‐10‐2

说明如下：

1．宇称守恒对称的破缺，表现在图的左侧有一个负宇称量子数为－1和图的右侧量子数3的不相等：－1≠3。这个负宇称量子数所代表的粒子为U子中微子V_e。右侧的量子数3，则为超重型希格斯子，因此，这种对称破缺，不但宇称守恒P的破坏，而且涉及电荷共轭的破缺，而且也破坏CP的联合变换。

2．第二：讲到时空的反演对称的破坏，表现为图1‐10‐2中上端的T₁＝±12，表示宇宙大爆炸前的经历级长；与此同时，本图下端T₂＝±8，构成±12±8＝±20的互补对称的破坏，告诉人们时间反演的对称具两重性，换句话说：在平常状况下是对称，比说，光速在平常状况下是守恒的，但在宇宙大爆炸瞬间光的速度就比平常状态下的速度高出好几千倍！

在20世纪70年代以后，好像有一种思想倾向，研究统一理论，自由不怕多，N＝8推广超引力，时空维度数为8，那么弦论的时空为11维。

但是不幸的评论也随即跟来了，说：“不幸的是：这种11维的理论存在一个被征是它破坏左右镜像对称（也就是说，它是宇称不守恒的），这意味着基本粒子必须具有一定的左右手标志——（或称手征性）。在日常生活中，我们认为左手与右手之间的差别是理所当然的。但手征性的存在，实际上依赖于三维空间更深层的性质。研究表明，确定的手征性只存在于单数维的空间中，这就是说，空间的维数是奇数，因而时空的维数必定是偶数。否则自然界的规律中将没有手征性。一句话，11维时空理论不成立。”^[1]

如此说来，前引2000年8月15日《纽约时报》所载困扰世界的10大物理学难题之七，说起先有人反对11维理论，认为它不好。后来他接受了这个11维理论框架，但是情况因此变得更加复杂起来，好像“打”不好，“吊”也不好。看样子，干脆把这11维放弃为好，这只要查阅一下《周易》所载“天地之数”的“终极”（10²＝1＋3＋5＋7＋9＋11＋13＋15＋17＋19＝100）即可。这是铁一般的规律，说明时空必然是偶数，空间必须是奇数，11维的时空绝对没有。

如果我们即从这一数的自乘等于数的迭加来推论我们的时－空问题，那么在这个素数序列中，即可认为空间必须是奇数，比如它的一开头，3代表三维空间，开头的1，代表时间，这个时间的定量特征是普适的，换句话说，如果空间是5维，那么加1维时间就成了6维时－空。在原理上，这和3维空间加1维时间而为4维时空是相通的。推而广之，10维时空中的9维空间，除去真实的3维空间之外，还有6维空间放到什么地方去好呢？在理论上，让我们把这其余的6维空间，打比方用一条弦把它卷起来藏在一边可不可以呢？因为我们的根本问题在于4种自然力的如何统一的问题。

有人在斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）面前提问说：“迈克·格林（Mike Green）声称，我们将不得不改变我们的时空概念，使它‘弦化’。目前，弦理论是建立在经典背景上的。”

温伯格回答道：“时空坐标不过只是众多的自由度中的四维……我们还不至于想要建立一个新的时空观，时空坐标只是描述理论所需要的十维——或十五维或二十六维或其他维——的自由度中的四维而已。”

那么，为什么时空必须是四维呢？

上面说的10²＝1＋3＋5＋7＋9＋11＋13＋15＋17＋19＝100是不是时－空维度数的底线呢？这可真是值得讨论的一个问题。

中国科技大学交叉学科理论研究中心卢建新－杨焕雄合著《为什么时－空是四维的？》一文就说明了这一点。

在这篇文章中，主要讲的是这样一个问题：

在超弦理论中，10个时空维度本质上都是动力学量。如果没有可靠的稳定机制，6个额外空间即使在某个初始时刻被预设为高度弯曲，也许可能在后来的时间里演化成不那么弯曲的平坦空间。从而与当今实验观测所证实的宇宙只有4个有效时空维度的结论发生冲突。这就是弦理论中长期悬而未决的Moduli：稳定问题Moduli的理论，就是“守恒和对称”。两个宇恒量，在自然的设计中含有一个与这个守恒量相对应的连续对称性^[2]

【注释】

[1]［英］P．C．W．维戴维斯，J．R．布朗著，廖力、章人杰译：《超弦》，中国对外翻译出版公司，1994年，第87－88页。

[2]［美］A·热著，荀坤，劳玉军译：《可怕的对称：现代物理学中美的探索》，湖南科学技术出版社，1999年，第127页。