想象一下一個輝煌的未來,，人類已經克服了我們當前的困擾，最終離開這個微小的星球,，生活在星辰之間,。隨著時間的推移，我們的后代遍布整個銀河系,，無數(shù)的兆億生物和諧地生活在銀河系的中心和最遠的螺旋臂之間,。

有一天,，一條來自外部的信息抵達,，來自另一個遙遠的星系，另一個遙遠的星團,。宇宙中存在其他生命,，其他智慧。思想交流,、科學,、藝術和哲學繁榮發(fā)展,。最終，計劃制定了——在星際空間的黑暗中,，兩個偉大的文明將相遇,。

許多代人為建造能夠跨越巨大距離的巨大飛船而辛勤努力。許多代人在這個漫長的旅程中誕生,、生活和死亡,。但經過無數(shù)的千年，在墨黑的虛空中,，這兩個文明的使者靠近了。兩個個體在虛空中飄蕩,，伸出雙手,。

他們觸碰到一起。兩者都在一道耀眼的閃光中消失了,。巨大的飛船彼此對峙,，驚訝地凝視著。這兩個文明在根本上是不同的?，F(xiàn)在才清楚——一個是由物質構成,，另一個是由反物質構成，任何接觸都會導致湮滅,。飛船們撤退到黑暗中,，知道真正的接觸將永遠是不可能的。

但是這是怎么發(fā)生的,？他們怎么不知道彼此基本構成的差異,？他們分享了他們的科學、數(shù)學和工程,。這個差異肯定是顯而易見的,，不是嗎？但科學家知道得更多,，他們知道自然緊緊抓住它的秘密,。

他們知道宇宙規(guī)律中隱藏著遮掩這些秘密的規(guī)則。這些規(guī)則對宇宙的運作至關重要,。他們知道這些規(guī)則被融入到宇宙的許多過程中,，從超大尺度到微小尺度。他們知道正是這些規(guī)則幫助現(xiàn)實在時間的前十億分之一秒里凍結下來,。

在這些規(guī)則的背后——他們知道總是存在一個共同因素,。對稱性。

兩個偉大的文明,，居住在宇宙中不同而遙遠的地區(qū),，在我們的宇宙區(qū)域,，物質無處不在，反物質很少見,。但在他們的宇宙區(qū)域,，情況肯定相反。而我們在一顆恒星的光輝下生活,，他們卻在反星光的照耀下生活,。

當我們的船只由原子構建時，他們的船只則由反原子構建,?？梢院唵蔚睦斫猓锢硪?guī)律并不關心物質和反物質之間的差異,。但這并不完全正確,。我們現(xiàn)在知道，自然界對待物質和反物質的方式稍有不同,。

雖然這些差異微妙而出乎意料,，它們與物理學中最深層的概念之一有關。什么是對稱性,？我們都知道對稱性的最初感知是左右對稱的鏡像反射,。拿著這樣的鏡子，孩子可以勾勒出對稱的形狀,，左邊的東西也出現(xiàn)在右邊,，反之亦然。

然而,，通過照鏡子可以看到這種反射在自然界中深刻存在,。我們的面部和身體是對稱的，右眼和左眼對稱,，左手臂和右手臂對稱,。自然界利用這種鏡像或雙側對稱性。大多數(shù)哺乳動物,、爬行動物,、鳥類和魚類都共享這種簡單的鏡像對稱性。而當自然對稱性的規(guī)則被打破時,，比如一只招潮蟹的超大鉗子,，外觀可能會相當突兀。

但對稱性不僅僅是反射,。海星使用旋轉對稱性來構建自身,，所以在旋轉時外觀不會改變；而千足蟲使用平移對稱性，以相同的部分組成身體,。通過對稱性,，自然在設計上非常節(jié)約。對稱性也能引發(fā)深層次的情感反應,。

在人類對美的概念中,，外貌的對稱性是令人愉悅的，盡管美只是膚淺的,，我們內部可能是不對稱的,。這種欣賞也已經融入到藝術和設計中。埃及和希臘古代的偉大寺廟展現(xiàn)了精美的對稱性,，如同泰姬陵,、凱旋門等更現(xiàn)代的建筑，以及許多偉大的藝術作品,，如達·芬奇的《最后的晚餐》,。

藝術和設計所追求的不僅僅是簡單的鏡像對稱性，旋轉對稱性也可以產生強大的效果,。從前哥倫布時期美洲人的旋轉盤到裝飾在全球眾多清真寺上的精美伊斯蘭圖案。而且美國國防部的龐大五角大樓也以其幾何學為名,。

對稱性無處不在,。但你可能想知道這與宇宙的基本規(guī)則有什么關系？我們的故事開始于一個決斗,，就像所有好的故事一樣,。1832年5月30日黎明時分，兩個人在巴黎郊外的一片田野上相遇,。導致這場沖突的原因不明,，但傳言是因為一位年輕女子的感情糾葛。

當那天太陽完全升起時,，20歲的數(shù)學家埃維斯特·加羅瓦躺在草地上奄奄一息,。前一天晚上，加羅瓦有過對即將到來的死亡的預感,。在深夜里,，他寫了信給朋友和同事，并在這些信件中傾吐了他的數(shù)學思想,。

在他短暫的一生中,，加羅瓦給數(shù)學界帶來了許多新的思想，其中核心就是對稱性的概念,。對稱性的數(shù)學并不是一個新的概念,。古代的幾何學家意識到旋轉的圓仍然是同一個圓。而三角形、正方形和五邊形經過固定旋轉后仍然相同,。

但加羅瓦看得更深,。他的重點是代數(shù)，更具體地說是多項式,。多項式是帶有數(shù)量的方程,，有平方、立方和更高次數(shù),。例如,，“一加x加x的平方”是一個簡單的多項式。另一個例子是“三加五乘以x的五次方減去x的七次方”,。

這種多項式在科學,、工程、經濟學和許多其他領域中都有應用,。其他數(shù)學家曾經費盡心思地尋求高階多項式的代數(shù)解,，但加羅瓦想知道是否存在一個方程能解開所有多項式的謎題。然而,，他并沒有發(fā)現(xiàn)這個終極方程,，事實上他證明了這是一個徒勞無益的努力——這些解根本就不存在。

他做到這一點不僅僅是通過代數(shù)的斗爭,，而是通過研究解的對稱性,。他意識到多項式方程的解是復數(shù)，每個復數(shù)都是無限復平面上的一個點,。這些點可以形成形狀,，如三角形、五邊形或其他形狀,。

而形狀,，當然，具有對稱性——它們可以反射或旋轉,。這是一種進行數(shù)學研究的激進方式——將方程轉化為幾何圖像,，并思考它們的對稱性。自19世紀初以來,，關于對稱性的數(shù)學洞見不斷增長,，發(fā)展成為群論，即研究具有共同屬性和對稱性的事物的學科,。

現(xiàn)代密碼學以群論為基礎,，但對稱性對科學的影響才是最令人震驚的。當加羅瓦在晨光中垂危時,，并不知道他的涂鴉會改變我們的宇宙,。在兩個偉大文明相遇之前，它們通過射向宇宙的無線電波進行了聯(lián)系，這需要數(shù)百萬年才能到達目的地,。

這是一種緩慢而笨重的交流方式,，但這種與遙遠鄰居的新對話確實奏效了。兩個文明都了解電磁學的法則,。在地球上,，電子的振動形成了攜帶信息的無線電波束。

在外星人的儀器中,，當信息到達時,，電荷也會振動。但與地球上不同的是,，這些是反電子,，即正電子，它們隨著無線電波的節(jié)奏跳舞,。電磁學具有基本的對稱性,。如果交換所有正負電荷，結果仍然相同,。兩個文明之間僅僅通過無線電波的交流無法區(qū)分物質和反物質,。

還需要其他東西，物理學對稱性中的某種破缺,。為了理解其中的原因,，我們需要從將近一個世紀之前的故事開始。我們需要從一個葬禮開始,。1935年5月1日,，紐約時報上刊登了一篇訃告,，這并不是什么不尋常的事情,，但是作者卻是著名的物理學教授阿爾伯特·愛因斯坦。

愛因斯坦寫道,，艾米·諾特（Emmy Noether）是“至今為止最有創(chuàng)造力的女性數(shù)學天才”,，她的洞察力對于“更深入地探索自然規(guī)律”是必要的。但他是什么意思呢,？艾米·諾特得了癌癥時只有53歲,。雖然她的名字今天可能沒有愛因斯坦和其他物理學界的前輩那么具有代表性，但她的工作同樣重要 - 諾特定理與對稱性密切相關,。

而其中的關鍵是一個簡單的事實 - 宇宙本身是懶惰的,。隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展，數(shù)學逐漸取代了神秘主義,，并從方程中出現(xiàn)了幾何對稱性,。牛頓引力的球形吸引導致了球形的行星和恒星，而電流的磁場被發(fā)現(xiàn)形狀像一個圓柱體。

這些幾何對稱性,，即形狀上的對稱性,，令人愉悅，但它們實際上只是膚淺的,。在宇宙的數(shù)學中還存在著其他更深層次的對稱性,。就像任何故事一樣，可能有很多潛在的角色,，但在這里我們只關注兩個,。第一個是意大利出生的喬瑟普·洛多維科·拉格朗日（Giuseppe Lodovico Lagrangia），更為人所知的是約瑟夫-路易·拉格朗日,。

還有愛爾蘭數(shù)學家威廉·羅恩·哈密爾頓（William Rowan Hamilton）,。他們的生活幾乎沒有什么相似之處 - 拉格朗日經歷了法國大革命，并且在引入公制度量衡方面起了重要作用 - 哈密爾頓幾乎一個世紀后在都柏林成長為一個神童,。但盡管他們在時間上分隔甚遠,，他們的工作卻在一個關鍵點上相互補充 - 重新構建牛頓方程。

他們洞察的關鍵在于宇宙是懶惰的 - 奇特的“最小作用”概念,。事實上,，在此之前很久，法國數(shù)學家皮埃爾·德·費馬提出了光線總是沿著光學系統(tǒng)的最快路徑傳播的觀點,。想象一下,，你在海灘上，海浪沖向岸邊,。

在左邊的遠處,，你發(fā)現(xiàn)水中有個人。不,，有個人正在溺水,！你必須趕快去救他們。但是你該怎么走,？你可以在沙灘上快速奔跑,，也可以在水中慢慢游泳。徑直沖向岸邊,，然后游泳并向左走會花費太長時間,。

你是否應該沿著海岸奔跑，盡量減少在水中游泳的時間,？當你在腦海中進行計算時,，你意識到有一條更好的路徑。一條最佳路徑,！你可以先沿著海灘跑一段距離,，然后跳入水中,。這條路徑將是你和那個溺水者之間最短的時間路徑。

其他所有路徑都更長,。費馬意識到,，光從一個地方傳播到另一個地方就像你在海灘上一樣。光在兩點之間選擇用時最短的路徑,。光在水中折射時的彎曲路徑就像你在陸地和海之間選擇的彎曲路徑一樣,。但費馬只考慮了光的情況 - 拉格朗日和哈密爾頓想知道這個概念是否可以擴展到物理學的所有領域。

因此,，在他們的方程中隱藏著一個事實,，即自然總是選擇最懶惰的方式。這聽起來可能很奇怪,。為什么宇宙會以這種方式運行,？我們仍然不知道 - 但它確實有效。為了測試這一點,，物理學家定義了所謂的“作用量”,，然后考慮了物理過程的每一個可能性。

事實上,，光在兩點之間可以采取無限多個虛擬路徑,，對于這些路徑，物理學家可以計算相關的作用量,。似乎自然總是選擇作用量最小的路徑,。從牛頓的力學和麥克斯韋的電磁學，從量子力學到愛因斯坦的廣義相對論,，宇宙的惰性統(tǒng)治著一切,。

這個最小作用量原理是用數(shù)學語言描述的，正是艾米·諾特發(fā)現(xiàn)了其中的一些有趣之處,。她意識到,，如果方程具有對稱性，那么這將意味著會有與對稱性相關聯(lián)的特殊不變量,。

這是現(xiàn)代物理學的一個核心思想,。守恒量的概念——那些不會改變的量,。其中最著名的就是能量守恒的概念,。我們從小學時就被告知能量不能被創(chuàng)造或銷毀，只能從一種形式轉化為另一種形式,。將球扔到空中,，你所消耗的能量會轉化為勢能，然后再轉化為動能,。

點燃一堆火,，投入的燃料產生的熱和光等于從另一側散發(fā)出來的熱和光,。但這只是個開始。物理學中充滿了守恒量,。在粒子反應中,，每當產生或消失一個正電荷時，就會同時產生或消失一個相等但相反的負電荷,。

宇宙的總電荷保持著和諧的零量,。在兩個物體碰撞中，動量的量是守恒的,。碰撞前后的動量量恰好相等,。因此，就動量而言,，宇宙也呈現(xiàn)出和諧的平衡狀態(tài),。

但是為什么這些量是守恒的呢？其他物理量——質量,、速度,、加速度、溫度——都不是守恒的,，是什么使這些量特殊,？分開守恒量和非守恒量的答案，正是艾米·諾特找到的答案,，就是對稱性,。想象一下，在桌子上設置了一個物理實驗,。

其中涉及彈簧和彈跳球,。你進行實驗并記錄結果，記錄各種零件的移動和相互作用,。然后你將桌子向左推動10米,，重新進行實驗。當然,，移動桌子不會改變實驗結果,。彈簧會拉伸，球會以與之前相同的方式彈跳,。

控制實驗的物理規(guī)律不會隨著位置的變化而改變,。這意味著物理規(guī)律具有平移對稱性。對諾特來說,，這種對稱性的存在必然意味著某些東西是守恒的,，某些東西不會改變。根據(jù)最小作用量原理的數(shù)學基礎,，即懶惰宇宙的數(shù)學,，她表明這個守恒量就是線性動量,，質量乘以速度的總和。

因此,，平移對稱性意味著線性動量守恒,。但數(shù)學中還隱藏著其他對稱性，因此必然存在其他守恒量,。也許最令人震驚的是時間對稱性的影響,。明天進行的實驗應該得到與今天相同的結果，因此時間對稱性的存在導致了最著名的守恒定律,。

因為正是時間對稱性導致了能量守恒,。艾米·諾特發(fā)現(xiàn)方程導致了一個非凡的結論，在過去的一個世紀里經過了無數(shù)次的測試和證明：宇宙中的每個守恒量都可以追溯到一個基本的對稱性,，而每個對稱性都導致了一個守恒量,。

雖然它們并不總是直截了當...許多守恒量隱藏在量子力學的方程中，雖然微妙,，但它們的影響可以是深遠的,。在量子力學中，物體被描述為波動,。這些量子波動就像池塘上的漣漪,，但與波動的水不同，量子波動是概率波,。

這些波動與水的振動有很多相似之處,。量子波動除了有一個告訴我們波長有多長的特征外，還有一個告訴我們波的強度的振幅,。而且,，像水波一樣，量子波動也具有稱為相位的屬性,。相位是波動的振蕩周期中處于何種位置的測量,。

波是處于峰值還是低谷？但電子的性質與其波函數(shù)的相位無關——無論相位如何變化,，它們都不會改變,。正是這種對稱性賦予了我們電荷守恒的概念。在量子力學的數(shù)學中,，其他對稱性揭示了更多奇特的守恒定律,。

夸克數(shù)、輕子數(shù),、同位旋和奇異度等等,。甚至可以找到預測基本力的對稱性——例如規(guī)范對稱性導致規(guī)范玻色子,，即通過強核力將質子和中子結合在一起的膠子,。質子和中子之間的對稱性,、它們固有的相似性，導致了這種量子力,。

因此,，當物理學家揭示大型強子對撞機中粒子之間的復雜相互作用時，這些量子守恒定律至高無上,。不可避免地,，我們應該預期所有基本相互作用都完全受到這些基本定律的約束 - 對稱性和守恒定律共同作用。

一切都在平衡之中,。實際上,，它們大多數(shù)都是。但也存在例外,。正是這些例外可能形成了我們的宇宙,。到了20世紀中葉，天文學家開始思考外星人的問題,。巨型射電望遠鏡在天空中搜索來自遙遠文明的微弱信號,，有些人納悶著想知道當我們最終接觸到外星文明時，我們應該說些什么,。

但也有人對更基本的問題感到擔憂 - 例如反物質生物的存在,。問題集中在左右的區(qū)分上。這可能看起來微不足道,，但它與物質和反物質以及我們注定要滅亡的星際文明的雙重命運緊密相連,。你如何告訴外星人左和右的意義？這比你想象的要困難,。

你不能發(fā)送一張圖片,，因為他們需要知道左和右才能正確重構圖像。你不能引用文明的附屬物,，比如書寫,，因為他們再次需要一個參考。你需要向寫入基本宇宙的左右上訴,，你需要找到一種允許你這樣做的對稱性的突破口,。

這一切始于對偶性的概念。在1956年,，在華盛頓特區(qū)的實驗室里,，鈷原子在磁場中旋轉。實驗者吳健雄耐心地觀察著鈷原子的變化 - 它們會發(fā)生放射性衰變并噴出一個電子,。

通過冷卻鈷原子并將它們置于磁場中,，吳健雄可以確保它們一起旋轉，并且可以記錄電子從鈷原子中飛出的方向,。角動量守恒意味著它們應該從鈷的兩極被噴出,。一些從鈷的北極出來,，同樣數(shù)量的從南極出來。

但是當吳健雄坐下來數(shù)電子時,，出現(xiàn)了一個令人不安的模式,。除了一些電子向北和南方飛出之外，所有電子似乎都從鈷原子的一側逃逸出來,。這表明鈷的這種放射性衰變不對稱,！但這意味著什么呢？如果鈷更喜歡從一側噴出電子而不是另一側又如何呢,？這完全涉及到一個叫做偶極性的概念,。

直到20世紀50年代，守恒偶極性是基本物理學的核心,。它意味著在鏡像宇宙中看到的任何東西都與我們宇宙中所見的物理一樣真實,。想象一個原子。當電子從一個能級躍遷到另一個能級時,，會發(fā)射出光子,。但是光子往哪個方向逃逸？你會看到一半的光子向右移動,，另一半向左移動,。

那么，在鏡像中的原子是什么樣子呢,？鏡像將右邊變?yōu)樽筮?，反之亦然。但它還會改變自旋,，從順時針變?yōu)槟鏁r針,，從逆時針變?yōu)轫槙r針。因此,，在鏡像中看到的光子有一半向左移動,，一半向右移動，并且總的角動量保持不變,。

因此,，光子的發(fā)射，即電磁相互作用,，遵守偶極性守恒,。引力也是如此。想象一個以順時針方向旋轉并繞著恒星運轉的行星,。在鏡像宇宙中,，一切都會轉變?yōu)槟鏁r針運動。在量子層面上，我們還需要考慮其他力量,。

在質子和中子內部,，夸克與夸克相互作用，交換一個被稱為膠子的小粒子,。這就是強力的作用,，它將你的原子核束縛在一起,。無論是電磁力還是強力,，都遵守量子對稱性和量子守恒定律。但還有另一種基本力量,。

弱核力,。弱力似乎與眾不同。它負責放射性衰變的一些方面,，將中子變成質子并噴出電子,。但在宇宙中，放射性衰變并不常見,，弱力似乎只是一個小角色,。但是在1955年，人們意識到弱力是其中最奇怪的力量,。

粒子物理學在20世紀上半葉蓬勃發(fā)展,。大量的粒子發(fā)現(xiàn)和量子洞察力剝離了微觀世界。隨著粒子家族中的模式和圖像開始浮現(xiàn),，弱力的作用逐漸顯現(xiàn)出來,。楊振寧和李政道是這一領域的先鋒。

作為普林斯頓的年輕科學家,，他們開始探索核實驗揭示的內容,。他們知道弱力負責一些放射性衰變，并且在這些衰變中,，偉大的沃爾夫岡·泡利預言了一種幽靈般的新粒子 - 中微子的存在,。雖然沒有人曾見過中微子，但能量守恒是不可侵犯的,，所以它必須存在,。

然而，楊振寧和李政道對他們所看到的情況感到困惑,。他們知道基本力量守恒偶極性,，但沒有確鑿的證據(jù)證明弱力明白這是規(guī)則。一個大膽的想法萌發(fā)了 - 也許弱力不守恒偶極性,，也許它在鏡像宇宙中不起作用,。

雖然這聽起來作為一個理論觀點很有趣，但他們需要一個能夠證明弱力破壞了宇宙的實驗。這就是為什么吳健雄冷卻了她的鈷原子并將它們放置在磁場中,。就像光子從原子中噴出一樣,，電子的自旋可以在順時針和逆時針之間切換，我們應該期望有相同數(shù)量的電子向北和向南飛出,，但這并不是吳健雄在她敏感的實驗中觀察到的情況,！為什么電子更喜歡從旋轉的鈷核的一個極點出來？

令人驚訝的結論是,，泡利的中微子只能相對于其運動以一種方式旋轉,。只有順時針方向的中微子，根據(jù)角動量守恒,，它們只能從鈷的一個極點被噴出,，電子則從另一個極點被噴出。鏡像中的中微子將看起來是逆時針旋轉的,，而這樣的中微子在我們的宇宙中根本不存在,。

弱力違背了偶極性！這個發(fā)現(xiàn)使楊振寧和李政道贏得了1957年諾貝爾物理學獎,，這是有史以來授予得最快的諾貝爾獎之一,，比愛因斯坦等待的17年要快得多。神秘的是,，吳健雄錯過了這個獎項,，但她的名字被寫入科學史冊，因為她的實驗震撼了物理學的核心,。

弱力違反空間反演意味著中微子可以區(qū)分左右,，這意味著宇宙本身以某種方式可以區(qū)分左右。然而,，弱力更深層次的研究發(fā)現(xiàn),，還有其他形式的空間反演對稱性受到了破壞。原來,，弱力喜歡打破的不僅僅是空間反演對稱性,。

現(xiàn)在，物質和反物質之間的謎團開始被揭開,。人們意識到,，如果在空間反演的同時還進行了另一種轉換，可以恢復對吳健雄實驗的解釋,。如果所有粒子都被轉化為它們的反粒子,，也就是所謂的荷共軛轉換，那么我們的宇宙中可能會出現(xiàn)自旋反中微子的鏡像視圖,。

這種雙重轉換被稱為CP（荷與空間反演）變換,，因此雖然弱力違反了空間反演,，但也許它會遵守CP變換？但是,，很快就有一系列新實驗表明情況并非如此,。這來自于被稱為K介子的粒子的奇怪行為。K介子是介子,，由一個夸克和一個反夸克組成,。

中性K介子是由一個奇異夸克和一個下夸克組成的混合物。但是存在兩種中性K介子,，一種由奇異夸克和反下夸克組成,，另一種由反奇異夸克和下夸克組成。這種特殊情況意味著這兩種中性K介子可以相互轉變,，而中性K介子的束流必須被視為兩者的量子力學混合態(tài),。

K介子的壽命非常短,，大約在十億分之一秒后會衰變?yōu)檩p子介子——π介子,。荷和空間反演的守恒意味著衰變過程中應該始終有三個π介子。1964年,，人們進行了一項實驗,，探索荷和空間反演的組合是否守恒，將K介子束流射入一個長管中,，物理學家們計算了衰變的結果,。

幾乎所有衰變中，500個中的499個會產生三個介子的爆發(fā),，但是500個中的1個只會產生兩個π介子,。在這里，宇宙再次被打破了,。K介子的衰變不守恒荷和空間反演,。這個結果使實驗者瓦爾·費奇和詹姆斯·克羅寧獲得了1980年的諾貝爾物理學獎，并震驚了物理學界,。

但是,，CP荷和空間反演的破壞真正意味著什么呢？它對我們所知的宇宙有什么影響,？深入思考起源于我們最初開始這個偉大的星際文明會議時,，我們終于找到了答案。

中性K介子必須被視為物質和反物質的量子混合態(tài),。有時,，這種量子混合會衰變?yōu)殡娮蛹捌浞次镔|伴侶正電子。如果CP是守恒的,，這些衰變過程應該產生相等數(shù)量的電子和正電子,。然而，克羅寧和費奇發(fā)現(xiàn)CP并未守恒。

在衰變中產生的每300個電子中,，會有301個正電子,。因此，我們所有的星際后代只需要獨立進行中性K介子的實驗,，就可以區(qū)分物質和反物質,。他們就會知道是否可以安全地握手。

雖然通過電磁作用無法揭示這一點,，也無法通過重力和強核力的討論來實現(xiàn),，但是如果發(fā)生這種遙遠的會議，我們將能夠與他們談論弱相互作用的實驗,，那里我們會找到絕對的真理,。但是為什么宇宙要打破這些看似明顯的對稱性呢？如果物質和反物質的物理性質完全對稱,、完全平衡,，宇宙將變得簡單得多。

然而,，這只是開始,。CP破壞的影響似乎對宇宙有更廣泛的后果。要真正理解這一點,，我們需要回到時間的最初,，當宇宙的熾熱火球如何冷卻下來?；疚锢韺W的終極目標是什么,？是理解一切由什么構成？是揭示宇宙的起源,？對愛因斯坦來說,，在他臨終時，有一個簡單的答案,。

最終的目標是一個萬有理論——一個將所有基本力量統(tǒng)一起來的理論,。重力、電磁力,、強核力和弱核力,。這一直是量子力學和廣義相對論的圣杯，自從愛因斯坦在50年代初的努力以來,，物理學家們一直在這個方向上穩(wěn)步前進,，首先在20世紀60年代將弱力與電磁力統(tǒng)一起來。

核強力的統(tǒng)一工作更加艱巨,，但在量子色動力學中,，它也加入了這場盛會,。長達一個多世紀以來，基本物理學的焦點一直是將重力納入其中,，但物理學家們尚未最終實現(xiàn)這一目標,。那么物理學家如何構建這些萬有理論呢,？再次,，他們的指導思想是完美和對稱。

重要的線索來自高能實驗,，其中粒子在高速碰撞中相互撞擊,。隨著相互作用能量的增加，基本力量開始發(fā)生奇怪的變化,。它們開始改變自己的本質,，它們在粒子之間的作用方式也發(fā)生改變。

它們開始失去其獨特性,，開始看起來都一樣,。讓我們考慮一下今天宇宙中的電磁力和弱力。它們似乎完全不同,，電磁力連接著電荷,，而弱力是一種放射性形式,。電磁力由無質量的光子傳遞,，而弱力使用三個有質量的粒子，即Z0粒子和正負W粒子,。

但是在更高能量下,，這種區(qū)別開始模糊。在所謂的電弱理論中,，這些看似不同的力實際上是同一個力,。因此，當宇宙熾熱年輕時,，只存在這一種單一力量,。宇宙通過大爆炸的冷卻打破了它們的對稱性，使它們變得獨特,。

在溫度進一步降低時,，電弱力與強力之間的區(qū)別也消失了，人們認為在超高溫下,，重力也變得模糊不清,。這表明在宇宙誕生時存在一個真正的力量，即超級力量,。這個超級力量是完美和對稱的,。

《圣經》的創(chuàng)世紀以“起初有道,，道與神同在，道就是神”開頭,?！妒ソ洝芬酝昝赖纳袷ブ蹰_始，但最終被腐敗了?，F(xiàn)代宇宙學以非常類似的方式開始,。在開始時，宇宙是完美和對稱的,。存在一個真正的超級力量,，它統(tǒng)治著一切。

但是宇宙冷卻過程中基本力量的分離并不是平靜無波的,。隨著力量走自己的路,，宇宙的本質也發(fā)生了變化。分離之前和之后的宇宙是明顯不同的,，它經歷了相變,。隨著溫度降低，水會凍結成冰,，對稱性被降低,。

同樣，隨著宇宙冷卻,，基本力量的分離標志著宇宙對稱性的明顯破裂,。宇宙學家認為這些分離影響了現(xiàn)實的重要特征。重力的分離發(fā)生在宇宙年齡約為10^(-43)秒的普朗克時間,。關于宇宙在這個時候我們幾乎一無所知,，除非我們能夠建立起統(tǒng)一量子領域和引力的宏大統(tǒng)一理論，否則它可能永遠保持神秘,。而強力的分離則不同,，它發(fā)生在約10^(-34)秒的時候。物理學家們認為他們對這個時間有更好的把握,。

因為這個時候宇宙經歷了膨脹,。在20世紀70年代末，艾倫·古斯特對宇宙感到擔憂,。他的研究生涯始于粒子物理學,，追求萬有理論，尋求一切的解釋,。同時也追求一個永久的教授職位,。但在1978年，他參加了一場改變一切的講座,。

演講者是羅伯特·迪克（Robert Dicke）,，科學界的元老,。與古斯特處于職業(yè)生涯的另一端，迪克已經探索了宇宙的許多奧秘,。在這次演講中,，他想知道為什么宇宙看起來是平的，而不是像球體或馬鞍形那樣彎曲,。我們的宇宙誕生的某種方式必須經過精心調整,，從所有可能的幾何形狀中選擇了平坦。

古斯特對宇宙的這種特殊性感到好奇,，并想知道它是否與宇宙中似乎缺失了一部分有關,。這一部分再次通過對稱性預測出來。驅動古斯特的動機是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾（James Clerk Maxwell）對電和磁的本質的研究,。他的方程式具有深刻的不對稱性,，擁有電荷，但沒有磁性的等效物,。

我們看到的所有磁鐵都有南極和北極-都是二極體,。在古斯特之前，許多人都想知道這些“磁單極子”——純粹的磁性南極或北極——可能在哪里,。因此,，古斯特認為它們一定是隱藏起來了。在宇宙早期的時刻,，當宇宙變得熾熱,、密集和激蕩時，古斯特提出電磁學是對稱的,，磁單極子是宇宙粒子的一部分,。

但隨著宇宙經歷了一次巨大的膨脹，幾乎瞬間擴大了80倍,，磁單極子的數(shù)量稀釋到每個可觀測宇宙中只有一個。在這個被稱為膨脹的時期之后,，宇宙中沒有足夠的能量來產生新的磁單極子,。

它們實際上消失了，再也無法在物理實驗室中觀察到,。在宇宙經歷了戲劇性的膨脹過程中發(fā)生了什么,？能量的背景場，被稱為充氣子,，一定起主導作用,。宇宙的密度急劇下降，所有粒子都被剝奪了能量,。宇宙變成了一個冰冷而空蕩的地方,。

但是隨著充氣子最終衰變和膨脹結束,，能量重新注入了宇宙。宇宙重新加熱到數(shù)十億度,，并創(chuàng)造了今天存在于宇宙中的物質,。但是磁單極子早就消失了。所有這一切都始于相變的同時——正如強力分離的時候,。

這只是一個巧合嗎,？還是說，強力的離去給充氣子注入了能量,？我們不確定,。事實上，我們對這個時期的物理學知識仍然有一些模糊的地方,。因此,，我們無法確切確定我們已經找到了膨脹的真正罪魁禍首。有些人還將充氣子與希格斯場的形成聯(lián)系在一起,，希格斯場是賦予粒子質量的場,。

同時，還有人想知道充氣子是否只是今天暗能量的早期化身,。因此,，當宇宙大約10-12秒大時，溫度為1015K,，所有基本力都分化為我們今天所知的各種形式,。但是對稱破缺的作用仍然有一招未展示。

在這個時期,，重子發(fā)生了,。這是基本粒子（夸克和膠子）的“湯”開始凝結成質子和中子的時候。而今天宇宙中的物質,，也就是你和我存在的物質,，最終誕生了。但是對稱性的問題仍然存在,。請記住,，在膨脹后，充氣子的能量被注入了宇宙,，這是宇宙中物質和光子的最終來源,。

這種再加熱應該同樣產生了物質和反物質。如今宇宙中最明顯的不對稱之一就是物質相對于反物質的奇怪優(yōu)勢,。宇宙搜索揭示了宇宙中豐富的物質——以及最微弱的反物質痕跡,。例如，科學家相信我們銀河系內的反物質與正常物質的比例約為一千萬億分之一,。

那么,，這種不對稱是在宇宙的生命周期中的哪個時刻產生的呢,？為什么會有這么多物質？人們認為答案深藏在重子發(fā)生中,。雖然我們知道和見過物理定律能夠區(qū)分物質和反物質,，但區(qū)別的程度實在太小，無法解釋物質相對于反物質的差異,。

因此,，我們仍然在試圖理解宇宙中存在任何物質的根本定律。我們可以從一個不太可能的來源——宇宙微波背景輻射中估算出物質/反物質的不對稱程度,。這些光子是在宇宙中的物質和反物質最終湮滅時發(fā)射出來的,，而在今天的宇宙中，對于每個質子或中子,，大約有十億個這樣的宇宙微波背景光子,。

這意味著宇宙必須幾乎是對稱的。對于每十億個反物質粒子,，必定存在十億零一的物質粒子,。正是這種微小的差異成為了今天宇宙質量的來源。令人警醒的是,，我們之所以存在,，只是因為這種微小的不對稱性。

但是還有一個最后的謎團可能會被對稱性揭示,。如果對稱性是我們真正的指引,，而基本物理學純粹是對稱的，那么宇宙中不僅僅存在磁單極子,。例如,，在超對稱理論中，對于每個夸克都應該有一個對稱的夸克,。

對于每個電子,，應該有一個超對稱的選擇子。這種命名過程在標準模型中持續(xù)進行——從超中微子到超子,，從希格斯子到光子,，一種隱藏的超對稱宇宙中的超粒子可能就在我們無法觸及的地方潛伏著。超對稱性是許多萬有理論的關鍵部分,，科學家長期以來一直希望在大型強子對撞機（LHC）中找到證據(jù)。

然而,，對于這些神秘粒子在我們的對撞機中的探索,，迄今為止還沒有找到這些超對稱候選者。我們找到的只是我們宇宙中的夸克和電子這些常見的粒子,。一些物理學家聲稱對稱性使我們誤入歧途,，我們走錯了方向,。但對于其他人來說，對稱性太具誘惑力了,，對超對稱性和超力的追尋仍在繼續(xù),。

現(xiàn)在，我們看到,，對稱性顯然是我們理解宇宙的核心,。但正是對稱性的破裂賦予了宇宙其獨特的特性?；径珊臀镔|的存在確實源于完美中的缺陷,。

但在結束之前，還有一件事需要考慮,。對稱破缺似乎是關于遙遠過去的事情,，然而我們的宇宙仍在膨脹，仍在冷卻,，仍在變化,。而我們只是踏入了無盡未來的第一步。在我們的實驗范圍之外,，隱藏著能量遠低于我們能夠觸及的其他未被發(fā)現(xiàn)的對稱性,。隨著宇宙繼續(xù)冷卻，總有一天這些對稱性也可能破裂,，釋放出新的力量和新的階段,，從根本上改變宇宙。

我們的宇宙從完美走向終極墮落的征程可能還沒有結束,。