历史上的今天12月7日

1996年12月7日
科学家首次发现时间在特定情况下会违背对称性

                               
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   12月初，欧洲原子能研究中心的科研人员最近发现正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性。这一发现虽有助于完善宇宙大爆炸理论，但却动摇了“基本物理定律应在时间上对称”的观点。

   日常生活中，时光不可倒流。时间之箭永远只有一个朝向。老人不能变年轻，打碎的花瓶无法复原，过去与未来界限分明。但在物理学家眼中，时间却可以逆转。比如说一对光子碰撞产生一个电子和一个正电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子，这个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍下两个过程之一然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放。从这个意义上说，时间没有了方向。

   物理学上这种不辨过去与未来的特性被称为时间对称性。经典物理学定律都假定时间无方向，而且也确实在宏观世界中通过了检验。但近几十年来，物理学家一直在研究时间对称性在微观世界中是否同样适用。欧洲原子能研究中心的一个小组经过长达三年的研究最近终于获得了突破。他们的实验观测首次证明，至少在中性K介子衰变过程中，时间违背了对称性。

   由来自九个国家近百名研究人员组成的这一小组在实验中研究了K介子反K介子相互转换的过程。介子是一种质量比电子大，但比质子与中子小，自旋为整数，参与强相互作用的粒子，按内部量子数可分为π介子、ρ介子和K介子等。研究人员在实验中发现，反K介子转换为K介子的速率要比其时间逆转过程、即K介子转变为反K介子来得要快。这是物理学史上首次直接观测到时间不对称现象。

   现代宇宙理论曾认为，宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反物质，但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰，这一现象一直让人困惑。欧洲核子中心新实验证明，反物质转化为物质的速度要快于其相反过程，因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。

   另外，新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为，除了基本物理定律不受时间方向性影响外，物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。

   本世纪50年代来，物理学家先后发现一些守恒定律有时并不完全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作用中宇称不守恒理论并经实验证实，之后美国人詹姆斯-克罗宁和瓦尔-菲奇又发现K介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则，他们都因此而获诺贝尔物理学奖。由于时间、宇称和电荷作为一个整体被认为应该守恒，物理学家们曾猜想说，时间在特定情况下会违背对称性。欧洲核子中心的成果首次证实了这一猜想。