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物理学中的守恒定律

(2014-02-10 12:59:00)
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物理学

文化

    在物理学里,假若孤立物理系统的某种可观测性质遵守守恒定律,则随着系统的演进,这种性质不会改变。

       诺特定理是关于守恒定律的重要理论。诺特定理表明,每一种守恒定律,必定有其伴随的物理对称性。例如,伴随着能量守恒的是物理系统对于时间的不变性。不论在空间的取向为何,物理系统的物理行为一样,这性质导致角动量守恒。

       绝对定律:

       以下列出一些守恒定律。这些定律是“绝对定律”。物理学家从未找到任何违背这些定律的证据。 

       质能守恒(质能等价:E = mc²)、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒、色荷守恒、弱同位旋守恒、概率密度守恒、CPT对称性(综合电荷、宇称和时间共轭)、洛伦兹对称性。

       动量守恒定律如果物体系受到的合外力为零,则系统内各物体动量的矢量和保持不变,系统质心维持原本的运动状态。

       动量守恒定律是空间平移不变性的表现。在狭义相对论中,动量和能量结合在一起成为动量-能量四维矢量,动量守恒定律也与能量守恒定律一起结合为四维动量守恒定律。

 

       动量守恒定律与能量守恒定律、角动量守恒定律是自然界的普遍规律,在微观粒子作高速运动(速度接近光速)的情况下,牛顿定律已经不适用,但是以上定律仍然适用。现代物理学研究中,动量守恒定律成为一个重要的基础定律。

       1930年泡利为解释中子衰变现象中能量、动量不守恒提出中微子假说,后1930年莱因斯实验发现其存在。

       角动量守恒定律是指系统所受合外力矩为零时系统的角动量保持不变。

       角动量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一,角动量的守恒实质上对应着空间旋转不变性。例如,当考虑到太阳系中的行星受到太阳的万有引力这一有心力时,由于万有引力对太阳这个参考点力矩为零,所以他们以太阳为参考点的角动量守恒,这也说明了行星绕太阳公转单位时间内与太阳连线扫过的面积大小总是恒定值的原因。另外,角动量守恒定律也是陀螺效应的原因。

       需要注意的是,由于成立的条件不同,角动量是否守恒与动量是否守恒没有直接的联系。

       在物理学里,电荷守恒定律是一种关于电荷的守恒定律。电荷守恒定律有两种版本,“弱版电荷守恒定律”(又称为“全域电荷守恒定律”)与“强版电荷守恒定律”(又称为“局域电荷守恒定律”)。弱电荷守恒定律表明,整个宇宙的总电荷量保持不变,不会随着时间的演进而改变。注意到这定律并没有禁止,在宇宙这端的某电荷突然不见,而在宇宙那端突然出现。强电荷守恒定律明确地禁止这种可能。强电荷守恒定律表明,在任意空间区域内电荷量的变化,等于流入这区域的电荷量减去流出这区域的电荷量。对于在区域内部的电荷与流入流出这区域的电荷,这些电荷的统计关系就是电荷守恒。

       电荷守恒定律建立于一个基础原则,即电荷不能独自生成与湮灭。假设带正电粒子接触到带负电粒子,两个粒子带有电量相同,则因为这接触动作,两个粒子会变为中性,这物理行为是合理与被允许的。一个中子,也可以因β衰变,生成带正电的质子、带负电的电子与中性的反中微子。但是,任何粒子,不可能独自地改变电荷量。物理学明确地禁止这种物理行为。更仔细地说,像电子、质子一类的亚原子粒子会带有电荷,而这些亚原子粒子可以被生成或湮灭。在粒子物理学里,电荷守恒意味着,在那些生成带电粒子的基本粒子反应里,虽然会有带正电粒子或带负电粒子生成,在反应前与反应后,总电荷量不会改变;同样地,在那些湮灭带电粒子的基本粒子反应里,虽然会有带正电粒子或带负电粒子湮灭,在反应前与反应后,总电荷量绝不会改变。

       虽然全域电荷守恒定律要求宇宙的总电荷量保持不变,到底总电荷量是多少仍旧是有待研究问题。大多数迹象显示宇宙的电荷量为零,即正电荷量与负电荷量相同。

       电荷守恒与规范不变性密切相关。

       为了遵守能量守恒,必需要求局域电荷守恒。所以,由于规范不变性,电荷守恒定律成立。

        根据诺特定理,电荷守恒可以理解为由于对称性而导致的后果。诺特定理表明,每一种守恒定律,必定有其伴随的物理对称性。伴随着电荷守恒的对称性是电磁场的规范不变性。

    规范不变性有很多可被检验的后果。例如,局域规范不变性要求光子不具有质量。因此,假若做实验能够精确地证实光子不具有质量,这也会成为电荷守恒的强证据。

      可是,甚至当物理系统具有完全的规范不变性时,假若电荷从正常的三维空间漏入隐藏的额外维度,则仍旧会有可能发生电荷不守恒现象。

       假若电荷不永远守恒,则可能会发生粒子衰变。检验电荷守恒最好的实验方法就是寻找这些粒子衰变。至今为止,物理学家尚未能找到任何这类衰变。

        但是,有理论提出,即使电荷不永远守恒,这种生成高能光子的衰变反应也永远不会发生。

    CPT对称是物理定律中一种对称性质,有此性质的物理量在时间(T)、电荷(C)及宇称(P)一起被反向变换(即正负变号)后不变。

    1950年代的研究指出,P对称(宇称)在弱相互作用下会被破坏,而C对称(电荷共轭)破坏也有几个有名的例证。于是有一小段时期,物理学家认为CP对称在所有物理现象中都会守恒,但不久后就发现这个也是错的。由于CPT守恒的关系,这意味着T对称(时间反转)也必须被破坏。CPT定理需要所有物理现象都保有CPT对称,它假设量子定律和洛仑兹不变性都是正确的。具体地,CPT定理指定,任何有自伴哈密顿算符的洛仑兹不变局部量子场论,都必须要有CPT对称。

    CPT定理最早含蓄地出现于1951年,在施温格有关自旋统计定理的研究报告中。在1954年,吕德尔斯及泡利推导出更明确的证明,因此这定理有时候会被称为吕德尔斯-泡利定理。贝尔也在差不多同一时间独立地证明了这一定理。这些证明都是基于量子场相互作用中的洛仑兹不变性及局部性原理。随后,约斯特在公设量子场论的框架下提出了一个更通用的证明。

    CPT对称的破坏会直接导致洛仑兹破坏。

    引申CPT对称可得我们宇宙的一个“镜像”——所有物体的位置都被一虚拟平面所反射(对应宇称反向),所有动量反向(时间反转)及所有物质都被反物质所取代(对应电荷反转)——在跟我们一样的物理定律下会如何演进。CPT变换把我们的宇宙变成它的“镜像”,反之亦然。CPT对称被认为是所有物理定律的基础性质。

    为了保住这一项对称,CPT中任何两个对称所组成的对称(例如CP)被破坏时,对应地余下的一个对称(例如T)也一定会被破坏;实际上,就数学而言,两者是一样的。因此T对称破坏很多时候会被称为CP破坏。

    物理学中,洛伦兹协变性洛伦兹共变性是时空的一个关键性质,出自于狭义相对论,适用于全域性的场合。局域洛伦兹协变性所指为仅“局域”于各点附近无限小时空区域的洛伦兹协变性,此则出于广义相对论。洛伦兹协变性有两个不同、但紧密关联的意义:   

       1.一个物理量要称为洛伦兹协变性的,则其是在洛伦兹群的表象下做变换。根据洛伦兹群的表象理论,这些量是以下述的量来建立的:标量、四维矢量、4-张量与旋量。其中特别是,一个标量(例如:时空间距)在洛伦兹变换下保持不变,而被称为一洛伦兹不变量(亦即它们的变换是在平凡表象。

       2.一方程被称为洛伦兹协变性的,是以其可以洛伦兹协变量的形式来写出(有些混淆的地方是有些人在此处用“不变量”这个词)。这样的方程的关键性质为:若其可在一个惯性参考系下成立,则他们可在任何惯性参考系成立(这是“若一张量的所有分量在一参考系中为零,则它们在所有参考系皆会是零”这项事实的结果)。这个条件是相对性原理的一项要求,即在两个不同的惯性参考系中,所有非引力定律对于在同一时空事件的等同实验必须做出一样结果的预测。

    近似定律

 

    在某些特别状况,像低速、短暂时间尺寸、某种相互作用等等,以下这些定律近似于正确:质量守恒定律 (适用于非相对论性速度与不存在核反应的状况) 、能量守恒定律(适用于非相对论性速度与不存在核反应的状况) 、重子数守恒、轻子数守恒、味守恒(在电弱理论里,这种对称会被违背)、宇称对称性、正反共轭对称性、时间反演对称性、CP对称性(综合电荷、宇称共轭。假若CPT对称性成立,则等价于时间反演对称性。)

       质量守恒定律任何一种化学反应,其反应前后的质量总是不会变的。物质质量既不会增加也不会减少,只会由一种形式转化为另一种形式。但是,一个物体在作用时需要在密闭的环境下,质量才会相同,若是在大气中,质量会变重,是因为与空气结合。

       物质不会凭空消失,若反应前后质量减少,代表产生的物质散失在空气中。

       物质不会无中生有,若反应后质量增加,代表外界的物质参与反应。

       质量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。质量守恒定律不仅是自然界普遍存在的基本定律之一,其所代表的时空效应也构成了守恒律的基础。

       化学反应因没有原子变化,质量总是守恒的(无论是动质量还是静质量)。根据道尔顿的原子说,化学反应只是物质中原子的重新排列,反应前后原子种类及数目不变,又每个原子有固定质量,所以反应前后总质量不变。具体来说,化学反应里面,物质的元素数目无论在反应前或反应后,都是一样。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。

       核反应由于有原子变化,因此静质量是不守恒的,有质量亏损,服从质能方程,这也是核武器的理论原理。但核反应在相对论中,其动质量也是守恒的。

       能量守恒定律表述为:一个系统的总能量E的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量E为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

       如果一个系统处于孤立环境,即不可能有能量或质量传入或传出系统。对于此情形,能量守恒定律表述为:

     “孤立系统的总能量E保持不变。”

       根据能量守恒定律可以推得第一类永动机是无法实现的,没有一个机器可以在不获取能源的情形下,持续的对外提供能量。

       能量守恒的具体表达形式:

       若孤立系统内没有非保守力作用时,机械能守恒。

       热力学第一定律是能量守恒定律对非孤立系统的扩展。此时能量可以以功W或热量Q的形式传入或传出系统。 

       在相对论中,质量和能量可以相互转变。计及质量改变带来能量变化,能量守恒定律依然成立。也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定律。  

       能量守恒是许多物理定律的特征,以数学的观点来看,能量守恒是诺特定理的结果。诺特定理可以表述为任一个具有对称性的物理定律会伴随一守恒的物理量。若一系统不随时间改变,其守恒的物理量即为能量。能量守恒定律是时间平移对称性下的结果。物理定律不随时间改变的事实也可说明能量守恒定律。

       换句话说,若物理系统在时间平移时满足连续对称,则其能量(时间的共轭物理量)守恒。相反的,若物理系统在时间平移时无对称性,则其能量不守恒,但若考虑此系统和另一个系统交换能量,而合成的较大系统不随时间改变,这个较大系统的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中,因此可以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论,即使是量子力学(包括量子电动力学),能量守恒定律仍然适用,在狭义相对论中能量守恒定律会转换为质能守恒定律。

 

       在爱因斯坦发现的狭义相对论中,能量是四维动量中的一个分量。在任意封闭系统,在任意惯性参考系观测时,这个向量的每一个分量(其中一个是能量,另外三个是动量)都会守恒,不随时间改变,此向量的长度也会守恒(闵可夫斯基模长),向量长度为单一质点的静止质量,也是由多质量粒子组成系统的不变质量。

       单一质量粒子的相对论能量包括其静止质量及其动能。若一质量粒子动能为零(或在静止参考系中),或是一个有动能的系统在动量中心系中,其总能量(包括系统内部的动能)和其静止质量或不变质量有关。

      因此只要观测者的参考系没有改变,狭义相对论中能量对时间的守恒性仍然成立,整个系统的能量仍然不变,位在不同参考系下的观测者会量测的能量大小不同,但各观测者量到的能量数值都不会随时间改变。不变质量由能量-动量关系式所定义,是所有观测者可以观测到的系统质量和能量的最小值,不变质量也会守恒。而且各观测者量测到的数值均相同。

       在量子力学中,量子系统的能量由一个称为哈密顿算符的算符来描述,此算符作用在系统的希尔伯特空间(或是波函数空间)中。若哈密顿算符是非时变的算符,随着系统变化,其出现概率的测量不随时间而变化,因此能量的期望值也不会随时间而变化。量子场论下局域性的能量守恒可以用能量-动量张量运算子配合诺特定理求得。由于在在量子理论中没有全域性的时间算子,时间和能量之间的不确定关系只会在一些特定条件下成立,和位置和动量之间的不确定关系作为量子力学基础的本质有所不同。在每个固定时间下的能量都可以准确的量测,不会受时间和能量之间的不确定关系影响,因此即使在量子力学中,能量守恒也是一个有清楚定义的概念。

      量子力学中从左手座标系变换到右手座标系时描述系统行为的一个量;用符号P表示。可把相乘性宇称量子数赋于量子系统和粒子,它在电磁力和强核力过程中是守恒的,但在弱核力过程中是不守恒的。弱放射性衰变具有完全的旋向性。

       时间反演对称性描述的是在时间反演操作下,物理系统的对称性。

       虽然在一些限定条件下存在时间反演对称性,但是由于热力学第二定律我们观测到的宇宙并不具有时间反演对称性。

       时间反演不对称性分为两种情况:物理定律时间反演的不对称性;由于宇宙初始条件导致的不对称性,前者的代表是弱相互作用。

       除了微观系统物理定律的时间反演对称性以外,物理学家也试图找出物理系统中具有时间反演不变性的定域量或者宏观量。宏观系统通常不具有时间反演不变性,比如说在具有一定吸收率材料内部的麦克斯韦方程组和在有摩擦力环境下的牛顿力学,这时候系统是不具有时间反演对称性的。但是当我们从微观层面考虑并考虑到原子的热运动的话,系统还是具有时间反演对称性的。

       日常经验表明对于宏观物质,时间反演对称性并不适用。这些宏观定律中,最著名的是热力学第二定律。很多现象,比如物体间相对运动产生的摩擦,流体的粘滞运动,都可以用热力学第二定律解释,因为潜在的机理是有用的能(如,动能)都会损耗成热能。

       是不是这种导致时间不对称的损耗真的不可避免?很多物理学家都考虑过这个问题——麦克斯韦妖。这个名字来源于麦克斯韦的一个思想实验,在实验中,一个封闭的空间被分成两块区域,有一个妖在临界面上守护。它会让慢的分子到一边,而快的分子弄到另一边。最后,会发现其中一块区域越来越冷,而另一块区域越来越热,这样看起来就可以减小这个封闭空间的熵了,从而扭转时间的方向。物理学家对这个实验做了很多的分析,都说明了一点就是:当封闭空间的熵和妖的熵一起考虑的话,那总的熵还是一直增加的。对这个问题的现代观点考虑了香农的熵和信息的关系。现代计算的很多有趣结果都和这个问题有密切关系——可逆计算,量子计算和物理极限计算。这些看起来形而上学的问题,在今天用这些方法,都慢慢转变成了自然科学的内容。

       现在大多数观点是把一个相空间中的香农信息和熵等价起来,这样就可以很好的解决上述的问题了。在这个观点中,宏观系统的一个固定的初始状态相对地会有较小的熵,因为物体分子的坐标被束缚了。随着系统的分子热运动,分子将会运动到更大的相空间中,它的坐标也就变得更不确定,因此导致了系统熵的增加。

       同样地设想宇宙的一个状态:宇宙中所有粒子在某一瞬间都发生反演了(严格讲,CPT反演)。然后这样一状态将会逆向的发展下去,因此宇宙的熵大概就会减小了(Loschmidt悖论)。为什么“我们的”状态会优先于其他的呢?

       有一个观点指出我们观察到熵增加的发生,只是由我们宇宙的初始状态决定的。其他可能的宇宙状态(如处于热寂平衡的宇宙)不会导致熵增加。在这个观点中,宇宙的时间反演对称性在宇宙学中显然有个问题:为什么宇宙初始状态熵会很低?这样看来,若时间反演对称性根据未来宇宙观测依然可行,那就会引出一个超出现在物理知识的问题——宇宙初始条件问题。

       一个物体从一个黑洞外部穿过它的事件视界,然后会很快陷入它的中心区域,也就是我们物理学失效的地方。因为在黑洞内,向前的光锥是指向中心,而向后的光锥指向黑洞的外部,我们甚至不能以正常的方式来定义时间反演。一个物体唯一能逃离黑洞的方式是霍金辐射。

      可以先假设存在一种黑洞时间反演后的产物,称之为白洞。从外部来看,他们显得很相似。黑洞具有一个起点并且不可逃脱的,而白洞是具有一个终点并且是不可进入的。白洞向前的光锥是指向外部;它的向后的光锥是指向中心的。

    一个黑洞的事件视界可以被认为是一个以光速向外运动的表面,而且就是在逃脱和回落的边缘。一个白洞的事件视界则可看做一个以光速向中心运动的表面,且就是在被排除出去和成功到达中心的边缘。它们是两种完全不同的视界——白洞视界就像是被翻转过来的黑洞视界。

       既然黑洞被看做是热力学对象,那么根据热力学第二定律,黑洞具有不可逆转性。甚至,根据Gauge-gravity二象性猜想,在一个黑洞里的所有微观过程是可逆的,而只有集体行为是不可逆的,就像其他宏观热力学系统一样。

       微观现象:时间反演的不变性。

       因为大多数系统在时间反演下都不保持不变,实际上问题变成是否能够找出一个系统具有时间反演对称性。在经典力学中,速度v在时间反演操作T下反向,但是加速度在时间反演操作下不变。因此耗散系统中必然包含速度v的奇次方项。但是如果设计一个精巧的实验将耗散尽可能移除的话,力学定律被证明是时间反演不变的。耗散的出现源自热力学第二定律。

       当带电物体在磁场中B中运动时,系统受到洛伦兹力,而洛伦兹力的表达式包括v×B项,这使得在磁场中的系统初看起来在T操作下并不保持不变。但是仔细观察后发现B在时间反演操作下同样改变了符号。这是因为磁场是因电流J产生的,因此在T操作下B会变号。因此带电物体在电磁场中的运动是时间反演不变的(如果认为外场是固定不变的,则电磁场中运动的物体在局部仍然将不具有时间反演不变性)。引力在经典力学中一般也被认为是时间反演不变的。

       物理理论可以被分为与运动有关的运动学和与力有关的动力学。以量子力学为基础建立的运动学同以牛顿运动定律为基础建立的运动学一样,初始的时候并没有假设动力学方程具有时间反演不变性。换句话说如果动力学方程具有时间反演不变性则运动学方程也会保持这种性质;如果动力学方程不具备这种性质,则运动学方程也会表现出来。量子力学相比经典力学包含了更丰富的内容,值得进一步的探讨。

       量子力学中的时间反演操作有3个重要的特征:

       1.表示时间反演的算符是反幺正的。

       2.保证非简并的量子态的电偶极矩为零。

       3.可以由具有 T2 = −1性质的二维群表示。

       与宇称反演相比,时间反演更为独特。如果有一对量子态在宇称变换操作下相互转变,则可以对量子态相加及相减后得到的具有良好宇称定义的新基底(一个为偶宇称另一个为奇宇称)。但是对于时间反演操作,并不能做类似的事情。这似乎与所有的阿贝尔群可由一维单模表示这一定理相矛盾,之所以如此是因为时间反演是由反幺正算符表示的,这要求量子力学引入旋量这一概念。

       CP破坏是物理学,尤其是粒子物理学中的一个术语和定理。它说明在一个物理过程中所谓的CP对称被破坏了。在宇宙学中它对解释今天宇宙中物质的数量超过反物质的数量有极其重要的意义。1964年在CP破坏首先在中性K介子的衰变中被实验证实。至今为止对CP破坏的研究依然是一个在理论物理和试验物理中非常活跃的领域。

       CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积:C对称即电荷对称,量子操作为电荷共轭运算,这个运算将一个带电荷粒子转化为其反粒子;P是宇称,宇称运算造成一个物理系统的镜像。在强相互作用和电磁作用中CP转化运算对整个物理系统不产生任何影响(CP对称),但是在一定的弱相互作用中这个对称被微小地打破。在1950年代时,人们发现宇称破坏后曾经设想CP对称可以补救这个破坏。

       宇称守恒的基本思想是在镜像反演后粒子物理学的公式不变。也就是说一个系统里的反应(比如化学反应或者放射性衰退)在一个镜像系统中以同样的速度进行。直到1940年代物理学家相信所有的反应全部是宇称守恒的。1950年代物理学家发现了宇称破坏的反应。一些放射性反应显然不是宇称守恒的,它们的镜像系统里的反应概率比原来的反应概率低。

       在量子力学中一个系统中的一个对称被破坏后往往可以通过另一个对称来弥补,这两个对称的乘积依然守恒。在宇称破坏被发现后不久物理学家就发现了希尔伯特空间结构中的这个很微妙的特性。当时有人猜测反粒子共轭运算是可以弥补宇称破坏的对称。

       简单地说反粒子共轭运算是粒子与反粒子之间的对称,因此CP对称被看作是物质与反物质间的对称。

       1964年克罗宁和菲奇提供了明显的CP对称也被破坏的迹象,为此他们于1980年获得诺贝尔奖,他们的发现显示弱相互作用既破坏了反粒子共轭运算C,同时也破坏了宇称P,这个发现对粒子物理学带来了巨大的冲击,至今为止它为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。CP被微弱地破坏了,但是与此同时又几乎保持了守恒是一个重要的未解之谜。

       克罗宁、菲奇等在一个K介子衰变的实验中发现了CP对称的破坏,在这个物理现象中只有一个更弱的对称被保存了,即CPT对称。在CPT对称中除C和P外还有一个第三个运算符号,即时间反演(T)也必须加入。时间反演与运动反演相应。在物理定理中时间反演对称表示任何运动的反运动也同样存在。因此CPT对称被看作组成所有基本反应形式的精确对称。由于CPT对称任何破坏CP对称的反应也破坏T对称。也就是说任何破坏CP对称的反应的逆反应发生的可能性与原反应不同。CPT对称被看作是量子场论中的一个基本定理,在这里反粒子共轭运算、宇称和时间反演同时运用。

       最近美国斯坦福直线加速器中心和日本高能加速器研究机构的一代新的试验使用B介子也发现了CP破坏。此前至少理论上有可能CP破坏仅限于K介子。这些试验无疑地证明了标准模型理论中的反应破坏CP。

       至今为止没有任何发现量子色动力学破坏CP的试验。

       为什么在量子色动力学中CP不被破坏是粒子物理学中的一个谜。这个问题被称为强CP问题。

       量子色动力学不像电弱相互作用那么容易破坏CP。电弱相互作用里的规范场与费米子场组成的手性流相关,而量子色动力学中的胶子则与矢量流相关。至今为止没有任何显示量子色动力学破坏CP的试验迹象。

       问题在于在量子色动力学中有一些公式理论上允许破坏CP。

       强CP问题最著名的解决方案是帕西-奎恩理论,这个理论引入了一个新的名为轴子的标量粒子。

       宇宙物理学中的一个未解的理论问题是为什么在宇宙中物质比反物质多,而不是两者大致一样多。通过一系列有理的假设宇宙学家可以显示在宇宙诞生的大爆炸后数秒内的极端状况下由于CP破坏所导致的不对称可以产生现在观察到的物质-反物质比。不包含CP破坏的解释均不十分可信,因为它们依靠初始状态,而且还与宇宙膨胀说相背,因为宇宙膨胀说稀释这个假设的初始状态。

       假如CP对称的话大爆炸应该产生同样多的物质和反物质,两者应该相互完全抵消。这将导致一个没有物质,只有光子的宇宙。这显然不是这样的,因此在大爆炸时或大爆炸后物质与反物质的反应显然不同。由于CP对称表明物质与反物质的反应应该相同,因此显然不是在所有情况下CP均对称。 

       因此有人猜测有一个使得重子数与轻子数不相同的力。标准模型理论中只有两种破坏CP的方法。一个方法是上面提到的量子色动力学的强CP破坏。但是这个理论的结果是要么没有CP破坏,要么CP破坏应该比现在观察到的强许多许多数量级。另一个方法是弱相互作用所导致的很小的CP破坏,但是这个方法预言的破坏所导致的物质-反物质差只留下能够组成一个单个星系的物质。 

       由于标准模型理论对这个物质差做不出精确的预言,这似乎说明标准模型理论有缺陷或者有错误。而且确定这些与CP有关的缺陷不需要巨大的、实际上无法达到的加速器和能量。因此试验粒子物理学对这些问题非常感兴趣,而且一些天体物理学的不同理论(比如宇宙膨胀说和重子产生)需要解释CP破坏的理论基础。

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