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镜世界生存指南

镜世界生存指南

作者: 章彦博 | 来源:发表于2014-02-18 20:34 被阅读171次

    现今很多小说、漫画之中,皆有关于「镜世界」的描述,比如《爱丽丝漫游记》中曾有这样一段描写:

    小女孩爱丽丝来到镜子里面,说道:「小猫咪,你喜欢住在这所镜像房间中吗?我不知道他们会不会给你牛奶喝,也许镜子里的牛奶不大好喝……」

    的确,一个非常让人着迷的世界,这里,我们用科学视角来分析一下镜世界的特征。

    我们先来讨论一下「镜世界」是如何构成的。

    物理学中,有几类有趣的对称变换,比如镜像变换,相当于左手变右手,这里简称P变换。这看起来是最直观、最合理的「镜世界」,几乎所有的小说、漫画之中,都以此构造「镜世界」。

    然而,在自然科学之中,P变换似乎并不「自然」,20世纪50年代中期,一个难题摆在了物理学家的面前,即「τ-θ」之谜。

    θ和τ两种介子的自旋,质量,电荷完全相同,一度以为是同一种粒子,然而θ衰变时产生两个π介子,τ衰变时产生3个π介子,奇数个π介子的总宇称是负的,而偶数个π介子的总宇称ê是正的。如此看来又似乎不是同一种粒子。1956年4月第六届罗彻斯特高能核物理年会在纽约州北部罗彻斯特大学举行,会议上讨论了θ-τ的衰变中,有科学家提出宇称是否有可能不守恒?1956年6月李政道与杨振宁在美国《物理评论》上共同发表《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的论文,认为基本粒子弱相互作用内存在「不守恒」,θ和τ是两种完全相同的粒子。

    1957年1月9日吴健雄与安布勒(E.Ambler)、海沃德(R.W.Hayward)、霍普斯(D.D.Hoppes)等科学家从观测钴60的衰变的实验证实了这项推测,她以两套装置中的钴60互为镜像,一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,结果发现在极低温(绝对零度以上0.01K)下放射出来的电子数有很大差异,实验结果推翻了物理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律。

    而同时,还有一种变换,称作「正反粒子共轭变换」,即将粒子变换称对应的反粒子,进而,科学家提出了「CP联合变换」。它似乎拯救了宇称不守恒,好像CP变换,就是「真正的对称」,然而,好景不长,1964年J.W.Cronin在实验中发现K+介子在蜕变过程中,有3/1000的概率违背CP不变性。

    进而,又有了「时间反演变换」(T变换),结合为CPT联合变换,迄今为止的实验中,CPT皆严格守恒。

    为什么在这里扯这么多,也是想说明一下,所谓「镜世界」,合理的结构也有多种。

    先看看CP变换与CPT变换,它们是最危险的——充满了相对于我们的世界的反物质,一旦正物质与之接触,便会湮灭,放出巨大的能量——这太危险了,这样的「镜世界」还是离远点好。

    而「P变换镜世界」,看起来,与我们的世界并无二致——如果我们不考虑微观粒子自旋的改变。我们可以在这个世界中做的大多数事,都可以在那里做,除了吃东西。对,「P变换镜世界」中的食物吃下去后,很有可能无法消化。

    这里就要提到「手性」的概念,如果某物体与其镜像不同,则其被称为「手性的」,且其镜像是不能与原物体重合的,就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。

    然而,生物分子的手性分布,似乎并不对称,比如已知生物体内的氨基酸,都是左旋的。这导致我们体内的消化酶很可能无法消化「P变换镜世界」中的食物。甚至,它们可能对人体还有毒害。

    那牛奶,岂止是「不好喝」。

    这是我辈关于镜世界的一些思考,若有错漏之处,当请各位指正。

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