诺贝尔物理学奖：CP对称性违反

在物理学中，对称性是指在某些变换下，物理定律或者物理系统不发生改变的性质。例如，如果我们把一个圆形的桌子旋转任意角度，它仍然是一个圆形的桌子，这就是旋转对称性。在粒子物理学中，有一些重要的对称性：电荷对称性（C），宇称对称性（P）和时间反演对称性（T）。

电荷对称性指的是，如果我们把一个带电荷的粒子换成它的反粒子（即电荷相反，其他性质相同的粒子），那么物理定律不变。例如，如果我们把一个电子换成一个正电子（电子的反粒子），它们在电磁场中受到的力仍然相同，只是方向相反。

宇称对称性指的是，如果我们把一个物理系统的空间坐标倒置（即做一个镜像反射），那么物理定律不变。时间反演对称性指的是，如果我们把一个物理系统的时间方向倒转（即让时间倒流），那么物理定律不变。

CP对称性是指电荷对称性和宇称对称性的乘积，也就是说，如果我们同时把一个带电荷的粒子换成它的反粒子，并且把它的空间坐标倒置，那么物理定律不变。CP对称性可以看作是物质与反物质之间的对称性。

CP对称性为什么会被破坏？

在1950年代时，人们发现宇称对称性被弱相互作用所破坏。也就是说，在一些弱相互作用中，镜像系统里的反应概率比原来的反应概率低。这个发现震惊了物理学界，因为之前人们认为所有的基本力都是宇称守恒的。

在宇称对称性被发现破坏后不久，物理学家就提出了CP对称性来弥补这个破坏。他们认为，在弱相互作用中，虽然镜像系统里的反应概率不同，但是如果同时考虑反粒子共轭运算，那么CP对称性仍然成立。也就是说，在弱相互作用中，物质与反物质之间仍然存在一种平衡。

然而，在1964年，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在一个中性K介子的衰变实验中发现了CP对称性的破坏。他们发现，中性K介子可以通过两种方式衰变，一种是衰变成两个π介子，另一种是衰变成三个π介子。他们发现，这两种衰变方式的概率并不相等，而且与CP对称性的预测不符。这意味着，在弱相互作用中，物质与反物质之间的平衡被微小地打破了。为此，他们于1980年获得了诺贝尔物理学奖。

CP对称性违反有什么意义？

CP对称性违反的发现对粒子物理学和宇宙学都有重要的意义。在粒子物理学中，CP对称性违反揭示了基本力和基本粒子之间的新的关系，促进了标准模型的发展。在标准模型中，CP对称性违反可以通过在CKM矩阵（一种描述夸克之间弱相互作用的矩阵）中加入一个复数项来实现。这个复数项的引入则表明至少有三代夸克。而且，CP对称性违反也为寻找标准模型之外的新物理提供了线索，因为标准模型中的CP对称性违反还不能完全解释实验观测到的现象。

在宇宙学中，CP对称性违反为解释宇宙中物质与反物质不平衡的问题提供了一个可能的机制。这个问题是指，在宇宙大爆炸后，为什么宇宙中物质的数量超过了反物质的数量，而不是两者大致相等或者相互抵消。如果没有CP对称性违反，那么大爆炸应该产生同样多的物质和反物质，而我们今天看到的宇宙将只有光子而没有物质。通过一系列合理的假设，宇宙学家可以显示，在大爆炸后数秒内的极端条件下，由于CP对称性违反所导致的不对称可以产生现在观察到的物质与反物质比。