沙滩上的宇称不守恒：从贝壳螺旋到颠覆物理界法则的诺奖级发现

今年1月6日至17日，海南三亚举办了首届“量子交流”冬季学校。此次活动由中国科学技术大学（USTC）主办，地点位于三亚的白色长沙滩附近。该冬季学校吸引了大约200名来自世界各地（主要来自中国）的优秀学生到场参与，同时还有近20000名线上观众观看。十三位量子物理领域的顶尖学者走上了讲台，每人讲授了约十小时的课程以及数小时的答疑。课程内容涵盖了从奇异的新物质态到量子信息处理，以及时间晶体和暗物质轴子搜索等前沿话题。

但“量子交流”并不只是一系列讲座的集合。在两周的时间里，与会者形成了一个小小的社区：学生和讲师们住在同一酒店，一起用餐，有许多的机会互动交流。这是让人焕然一新和获得灵感的好时机——尤其对从严寒灰暗的冬天逃离出来的人来说，更是如此。诺贝尔物理学奖获得者弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）分享了他在此次交流活动中的收获。

每天早上，弗朗克和妻子贝琪·德瓦恩（Betsy Devine）都会沿着海边散步，踏着轻柔的海浪，看着日出，和欣赏美丽的贝壳。在贝壳的图案里，他们看到了一个关于手性（或宇称破缺）的绝佳例子。手性不对称是自然界一个深刻而迷人的特征，它在生物学和物理学史上扮演了重要角色，并持续激发着新的问题。

具体来说，他们发现一种常见的锥形海螺壳能够清晰地区分左右（这就是“宇称破缺”的含义）。这些贝壳呈圆锥形，外壳有螺旋状的纹路。

在观察了几只这样的海螺壳后，他们注意到一个微妙的规律：如果你正对着贝壳看，当它的尖端朝下时，螺纹是从左到右往上转的。出于好奇，他们又检查了几十只贝壳，结果发现它们都表现出相同的倾向。他们从未看到螺纹方向相反的海螺壳。你可能还会注意到，当贝壳顶部的开口可以看见时，开口总是在左侧。这两个规律是紧密相连的，因为当海螺从底部向上分泌贝壳时，总是会留一个逃生口。

弗朗克认为，科学的美妙之处在于，它能够将日常观察与真实世界的深层规律紧密联系起来，让他对世界的感受更加丰富。伟大的诗人约翰·济慈（John Keats）曾抱怨，科学“拆解了彩虹”。然而，对他而言，彩虹让他重忆起描述光与物质相互作用的美妙量子方程，也让他惊叹于那个永恒的奇迹：数学美或它的破缺会化身于大自然。正如此刻，当弗朗克陶醉于贝壳上的螺旋纹路时，不禁想起了科学史上的辉煌一页——宇称破缺的发现。

1815年，一位名叫路易·巴斯德（Louis Pasteur）的年轻晶体学家遇到了一个令人费解之谜。一种被称为酒石酸的物质，似乎因其来源不同而表现出微妙的差异。酒石酸的大多数物理和化学性质，如颜色、密度、在不同液体中的溶解度等，都与其来源无关，但它们水溶液对透过光线产生的影响会微妙地依赖于来源。

具体来讲，从酿制葡萄酒产生的渣滓中提取的酒石酸溶液具有光学活性，而用更为常规的化学方法合成的酒石酸溶液则不具备这种性质（当一束偏振光通过溶液时，如果光的偏振方向会发生旋转，就称这种溶液具有“光学活性”）。为什么会这样呢？

为了探究问题的根源，巴斯德用显微镜观察了从溶液中缓慢蒸馏析出的酒石酸微小晶体。他发现，从不具有光学活性的溶液中析出的晶体具有两种完全不同的形状，如下图所示。而从有光学活性的溶液中析出的晶体则只有一种。

这两种形状互为镜像，却无法通过任何连续的变动使它们完全重合。从这种深刻的意义上来说，它们就像左手和右手一样。

巴斯德进一步将这两种晶体分离开来。由于晶体非常微小，且差异难以辨认，这一分离过程需要在显微镜下用镊子进行极其细致的工作。幸运的是，巴斯德不仅耐心十足，手也很稳。

巴斯德将分离后的晶体分别溶解于溶液中，发现两者都具有光学活性，但旋转方向完全相反：一种晶体使光的偏振方向顺时针旋转，另一种则使其逆时针旋转。这提供了一种简单的晶体分类方法：我们将使偏振方向像右旋螺丝一样旋转的晶体称为右旋晶体（“右旋”），而将相反的称为左旋晶体（“左旋”）。非生物化学过程合成的晶体是二者的等量混合，因左右旋晶体的光学活性相互抵消，其净旋转为零。

巴斯德还验证了进一步的蒸发和重结晶过程不会破坏分离的结果：一种类型晶体制成的溶液在蒸馏后，总是会重新形成相同类型的晶体。

通过这些发现和实验，巴斯德解开了酒石酸的光学行为之谜。他将观察到的光学活性追溯到其分子层面的起源。特别是，葡萄酒渣中的酒石酸是在葡萄和酵母的发酵中产生的，这说明光学活性来自生命，巴斯德于是得出了一个重要结论：生命在分子水平上能够区分左右。

后来的生物学研究证实并拓展了巴斯德的洞察。生物学中大多数复杂分子都具有两种互为镜像的手性结构。这两种手性具有相同的物理和化学性质（几乎如此！——见下文），但生物性质却不同。通常情况下，具有“错误”手性的分子是生物惰性的，但有时它却具有强烈的毒性。出现手性毒性的可能性是药物开发和测试中面临的一个重要问题。

一个多世纪后，另一个类似的发现震撼了基础物理学界。自科学诞生以来，人们一直理所当然地认为最基本的物理规律是不区分左与右的（即宇称守恒）。毕竟，镜中的世界为何会与现实（未反射的）世界遵循不同的规则呢？

欧几里得几何——经典物理学家理解世界的理想模型——在现实世界和镜像世界中都同样适用。牛顿力学和引力定律、狭义和广义相对论，以及作为现代原子物理学和化学基础的量子电动力学，也同样如此。

因此，当两位年轻的物理学家李政道和杨振宁质疑这一长期根深蒂固且非常成功的传统观念时，确实需要极大的勇气。1956年6月，他们在一篇题为《弱相互作用中的宇称守恒问题》的短文中提出了这一质疑。论文中有这样一段关键文字：“宇称守恒通常被认为是显而易见的事实，从没有人质疑它的适用范围。事实上，并没有任何先验的理由表明宇称破缺是不可能的。众所周知，宇称破缺意味着左右对称性的破缺。在上文中，我们已经看到了一些可能的实验来检验这种不对称性的存在。”

他们特别指出，在所谓的弱相互作用（它控制着一些罕见的转化过程）中，出现显著左右不对称性的可能性尚未被排除。

在该论文发表那年结束之前，吴健雄带领一个实验团队，根据李政道和杨振宁的提议，开展了关键的实验测试。他们在钴-60的核衰变中发现了宇称不守恒的明确证据。

具体来说，他们发现当钴的自旋方向为逆时针时，衰变过程中发射的电子通常向下运动。镜像反射会反转自旋方向，但不会改变运动方向，因此模式会相反。这和贝壳有一个美妙的类比：如果你将自旋想象为贝壳的螺纹方向，而电子则像从壳中逃出的蜗牛！

对宇称破缺的进一步研究为物理学带来了丰硕的成果。在弗朗克看来，毫不夸张地说，现代电弱相互作用理论的整个发展过程，包括希格斯场和自发对称性破缺的概念，都可以归结为一个逐渐接受宇称破缺的过程。

弗朗克的许多工作都围绕着一个类似的问题--时间反演--展开。这让他通过一条曲折的道路开始了与轴子和暗物质相关的探险。他计划明年在三亚讨论这些内容。

生物学和物理学中的宇称破缺之间是否存在直接联系？许多科学家都曾尝试将物理学中的弱宇称破缺转化为显著的生物效应，但均未成功。

如今，包括弗朗克在内的大多数科学家认为，生物学中的左右不对称是一种“冻结的偶然事件”，源于生命起源之初的随机选择。他喜欢用这样一个类比：就像司机们需要对是靠左行驶还是靠右行驶达成一致一样，这两种选择本身并没有明显的优劣之分，但一旦某种选择成为主流，持不同意见者便难以立足。

最近，随着生化学家们在合成大分子方面变得极为熟练，人们提出了利用“错误”手性分子来制造“镜像生命”的可能性。关于这些分子的好消息是，寄生虫的免疫系统对它们无能为力。但坏消息是，我们的免疫系统也是如此。

具有讽刺意味的是，我们对一些最常见的宇称破缺形式仍然知之甚少。比如，海螺究竟是如何知道左和右的？为什么大多数人（但远非全部）是右撇子？而与此相对的是，为什么人类的心脏几乎总是位于左侧？

“量子交流”冬季学校明年将重返三亚。弗朗克期待在直接感受自然之美的同时，展开新的思考冒险。

来源：墨子沙龙

编辑：千里雁啼

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.