想象一下一个辉煌的未来，人类已经克服了我们当前的困扰，最终离开这个微小的星球，生活在星辰之间。随着时间的推移，我们的后代遍布整个银河系，无数的兆亿生物和谐地生活在银河系的中心和最远的螺旋臂之间。

有一天，一条来自外部的信息抵达，来自另一个遥远的星系，另一个遥远的星团。宇宙中存在其他生命，其他智慧。思想交流、科学、艺术和哲学繁荣发展。最终，计划制定了——在星际空间的黑暗中，两个伟大的文明将相遇。

许多代人为建造能够跨越巨大距离的巨大飞船而辛勤努力。许多代人在这个漫长的旅程中诞生、生活和死亡。但经过无数的千年，在墨黑的虚空中，这两个文明的使者靠近了。两个个体在虚空中飘荡，伸出双手。

他们触碰到一起。两者都在一道耀眼的闪光中消失了。巨大的飞船彼此对峙，惊讶地凝视着。这两个文明在根本上是不同的。现在才清楚——一个是由物质构成，另一个是由反物质构成，任何接触都会导致湮灭。飞船们撤退到黑暗中，知道真正的接触将永远是不可能的。

但是这是怎么发生的？他们怎么不知道彼此基本构成的差异？他们分享了他们的科学、数学和工程。这个差异肯定是显而易见的，不是吗？但科学家知道得更多，他们知道自然紧紧抓住它的秘密。

他们知道宇宙规律中隐藏着遮掩这些秘密的规则。这些规则对宇宙的运作至关重要。他们知道这些规则被融入到宇宙的许多过程中，从超大尺度到微小尺度。他们知道正是这些规则帮助现实在时间的前十亿分之一秒里冻结下来。

在这些规则的背后——他们知道总是存在一个共同因素。对称性。

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两个伟大的文明，居住在宇宙中不同而遥远的地区，在我们的宇宙区域，物质无处不在，反物质很少见。但在他们的宇宙区域，情况肯定相反。而我们在一颗恒星的光辉下生活，他们却在反星光的照耀下生活。

当我们的船只由原子构建时，他们的船只则由反原子构建。可以简单的理解，物理规律并不关心物质和反物质之间的差异。但这并不完全正确。我们现在知道，自然界对待物质和反物质的方式稍有不同。

虽然这些差异微妙而出乎意料，它们与物理学中最深层的概念之一有关。什么是对称性？我们都知道对称性的最初感知是左右对称的镜像反射。拿着这样的镜子，孩子可以勾勒出对称的形状，左边的东西也出现在右边，反之亦然。

然而，通过照镜子可以看到这种反射在自然界中深刻存在。我们的面部和身体是对称的，右眼和左眼对称，左手臂和右手臂对称。自然界利用这种镜像或双侧对称性。大多数哺乳动物、爬行动物、鸟类和鱼类都共享这种简单的镜像对称性。而当自然对称性的规则被打破时，比如一只招潮蟹的超大钳子，外观可能会相当突兀。

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但对称性不仅仅是反射。海星使用旋转对称性来构建自身，所以在旋转时外观不会改变；而千足虫使用平移对称性，以相同的部分组成身体。通过对称性，自然在设计上非常节约。对称性也能引发深层次的情感反应。

在人类对美的概念中，外貌的对称性是令人愉悦的，尽管美只是肤浅的，我们内部可能是不对称的。这种欣赏也已经融入到艺术和设计中。埃及和希腊古代的伟大寺庙展现了精美的对称性，如同泰姬陵、凯旋门等更现代的建筑，以及许多伟大的艺术作品，如达·芬奇的《最后的晚餐》。

艺术和设计所追求的不仅仅是简单的镜像对称性，旋转对称性也可以产生强大的效果。从前哥伦布时期美洲人的旋转盘到装饰在全球众多清真寺上的精美伊斯兰图案。而且美国国防部的庞大五角大楼也以其几何学为名。

对称性无处不在。但你可能想知道这与宇宙的基本规则有什么关系？我们的故事开始于一个决斗，就像所有好的故事一样。1832年5月30日黎明时分，两个人在巴黎郊外的一片田野上相遇。导致这场冲突的原因不明，但传言是因为一位年轻女子的感情纠葛。

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当那天太阳完全升起时，20岁的数学家埃维斯特·加罗瓦躺在草地上奄奄一息。前一天晚上，加罗瓦有过对即将到来的死亡的预感。在深夜里，他写了信给朋友和同事，并在这些信件中倾吐了他的数学思想。

在他短暂的一生中，加罗瓦给数学界带来了许多新的思想，其中核心就是对称性的概念。对称性的数学并不是一个新的概念。古代的几何学家意识到旋转的圆仍然是同一个圆。而三角形、正方形和五边形经过固定旋转后仍然相同。

但加罗瓦看得更深。他的重点是代数，更具体地说是多项式。多项式是带有数量的方程，有平方、立方和更高次数。例如，“一加x加x的平方”是一个简单的多项式。另一个例子是“三加五乘以x的五次方减去x的七次方”。

这种多项式在科学、工程、经济学和许多其他领域中都有应用。其他数学家曾经费尽心思地寻求高阶多项式的代数解，但加罗瓦想知道是否存在一个方程能解开所有多项式的谜题。然而，他并没有发现这个终极方程，事实上他证明了这是一个徒劳无益的努力——这些解根本就不存在。

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他做到这一点不仅仅是通过代数的斗争，而是通过研究解的对称性。他意识到多项式方程的解是复数，每个复数都是无限复平面上的一个点。这些点可以形成形状，如三角形、五边形或其他形状。

而形状，当然，具有对称性——它们可以反射或旋转。这是一种进行数学研究的激进方式——将方程转化为几何图像，并思考它们的对称性。自19世纪初以来，关于对称性的数学洞见不断增长，发展成为群论，即研究具有共同属性和对称性的事物的学科。

现代密码学以群论为基础，但对称性对科学的影响才是最令人震惊的。当加罗瓦在晨光中垂危时，并不知道他的涂鸦会改变我们的宇宙。在两个伟大文明相遇之前，它们通过射向宇宙的无线电波进行了联系，这需要数百万年才能到达目的地。

这是一种缓慢而笨重的交流方式，但这种与遥远邻居的新对话确实奏效了。两个文明都了解电磁学的法则。在地球上，电子的振动形成了携带信息的无线电波束。

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在外星人的仪器中，当信息到达时，电荷也会振动。但与地球上不同的是，这些是反电子，即正电子，它们随着无线电波的节奏跳舞。电磁学具有基本的对称性。如果交换所有正负电荷，结果仍然相同。两个文明之间仅仅通过无线电波的交流无法区分物质和反物质。

还需要其他东西，物理学对称性中的某种破缺。为了理解其中的原因，我们需要从将近一个世纪之前的故事开始。我们需要从一个葬礼开始。1935年5月1日，纽约时报上刊登了一篇讣告，这并不是什么不寻常的事情，但是作者却是著名的物理学教授阿尔伯特·爱因斯坦。

爱因斯坦写道，艾米·诺特（Emmy Noether）是“至今为止最有创造力的女性数学天才”，她的洞察力对于“更深入地探索自然规律”是必要的。但他是什么意思呢？艾米·诺特得了癌症时只有53岁。虽然她的名字今天可能没有爱因斯坦和其他物理学界的前辈那么具有代表性，但她的工作同样重要 - 诺特定理与对称性密切相关。

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而其中的关键是一个简单的事实 - 宇宙本身是懒惰的。随着现代科学的发展，数学逐渐取代了神秘主义，并从方程中出现了几何对称性。牛顿引力的球形吸引导致了球形的行星和恒星，而电流的磁场被发现形状像一个圆柱体。

这些几何对称性，即形状上的对称性，令人愉悦，但它们实际上只是肤浅的。在宇宙的数学中还存在着其他更深层次的对称性。就像任何故事一样，可能有很多潜在的角色，但在这里我们只关注两个。第一个是意大利出生的乔瑟普·洛多维科·拉格朗日（Giuseppe Lodovico Lagrangia），更为人所知的是约瑟夫-路易·拉格朗日。

还有爱尔兰数学家威廉·罗恩·哈密尔顿（William Rowan Hamilton）。他们的生活几乎没有什么相似之处 - 拉格朗日经历了法国大革命，并且在引入公制度量衡方面起了重要作用 - 哈密尔顿几乎一个世纪后在都柏林成长为一个神童。但尽管他们在时间上分隔甚远，他们的工作却在一个关键点上相互补充 - 重新构建牛顿方程。

他们洞察的关键在于宇宙是懒惰的 - 奇特的“最小作用”概念。事实上，在此之前很久，法国数学家皮埃尔·德·费马提出了光线总是沿着光学系统的最快路径传播的观点。想象一下，你在海滩上，海浪冲向岸边。

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在左边的远处，你发现水中有个人。不，有个人正在溺水！你必须赶快去救他们。但是你该怎么走？你可以在沙滩上快速奔跑，也可以在水中慢慢游泳。径直冲向岸边，然后游泳并向左走会花费太长时间。

你是否应该沿着海岸奔跑，尽量减少在水中游泳的时间？当你在脑海中进行计算时，你意识到有一条更好的路径。一条最佳路径！你可以先沿着海滩跑一段距离，然后跳入水中。这条路径将是你和那个溺水者之间最短的时间路径。

其他所有路径都更长。费马意识到，光从一个地方传播到另一个地方就像你在海滩上一样。光在两点之间选择用时最短的路径。光在水中折射时的弯曲路径就像你在陆地和海之间选择的弯曲路径一样。但费马只考虑了光的情况 - 拉格朗日和哈密尔顿想知道这个概念是否可以扩展到物理学的所有领域。

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因此，在他们的方程中隐藏着一个事实，即自然总是选择最懒惰的方式。这听起来可能很奇怪。为什么宇宙会以这种方式运行？我们仍然不知道 - 但它确实有效。为了测试这一点，物理学家定义了所谓的“作用量”，然后考虑了物理过程的每一个可能性。

事实上，光在两点之间可以采取无限多个虚拟路径，对于这些路径，物理学家可以计算相关的作用量。似乎自然总是选择作用量最小的路径。从牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学，从量子力学到爱因斯坦的广义相对论，宇宙的惰性统治着一切。

这个最小作用量原理是用数学语言描述的，正是艾米·诺特发现了其中的一些有趣之处。她意识到，如果方程具有对称性，那么这将意味着会有与对称性相关联的特殊不变量。

这是现代物理学的一个核心思想。守恒量的概念——那些不会改变的量。其中最著名的就是能量守恒的概念。我们从小学时就被告知能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。将球扔到空中，你所消耗的能量会转化为势能，然后再转化为动能。

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点燃一堆火，投入的燃料产生的热和光等于从另一侧散发出来的热和光。但这只是个开始。物理学中充满了守恒量。在粒子反应中，每当产生或消失一个正电荷时，就会同时产生或消失一个相等但相反的负电荷。

宇宙的总电荷保持着和谐的零量。在两个物体碰撞中，动量的量是守恒的。碰撞前后的动量量恰好相等。因此，就动量而言，宇宙也呈现出和谐的平衡状态。

但是为什么这些量是守恒的呢？其他物理量——质量、速度、加速度、温度——都不是守恒的，是什么使这些量特殊？分开守恒量和非守恒量的答案，正是艾米·诺特找到的答案，就是对称性。想象一下，在桌子上设置了一个物理实验。

其中涉及弹簧和弹跳球。你进行实验并记录结果，记录各种零件的移动和相互作用。然后你将桌子向左推动10米，重新进行实验。当然，移动桌子不会改变实验结果。弹簧会拉伸，球会以与之前相同的方式弹跳。

控制实验的物理规律不会随着位置的变化而改变。这意味着物理规律具有平移对称性。对诺特来说，这种对称性的存在必然意味着某些东西是守恒的，某些东西不会改变。根据最小作用量原理的数学基础，即懒惰宇宙的数学，她表明这个守恒量就是线性动量，质量乘以速度的总和。

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因此，平移对称性意味着线性动量守恒。但数学中还隐藏着其他对称性，因此必然存在其他守恒量。也许最令人震惊的是时间对称性的影响。明天进行的实验应该得到与今天相同的结果，因此时间对称性的存在导致了最著名的守恒定律。

因为正是时间对称性导致了能量守恒。艾米·诺特发现方程导致了一个非凡的结论，在过去的一个世纪里经过了无数次的测试和证明：宇宙中的每个守恒量都可以追溯到一个基本的对称性，而每个对称性都导致了一个守恒量。

虽然它们并不总是直截了当...许多守恒量隐藏在量子力学的方程中，虽然微妙，但它们的影响可以是深远的。在量子力学中，物体被描述为波动。这些量子波动就像池塘上的涟漪，但与波动的水不同，量子波动是概率波。

这些波动与水的振动有很多相似之处。量子波动除了有一个告诉我们波长有多长的特征外，还有一个告诉我们波的强度的振幅。而且，像水波一样，量子波动也具有称为相位的属性。相位是波动的振荡周期中处于何种位置的测量。

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波是处于峰值还是低谷？但电子的性质与其波函数的相位无关——无论相位如何变化，它们都不会改变。正是这种对称性赋予了我们电荷守恒的概念。在量子力学的数学中，其他对称性揭示了更多奇特的守恒定律。

夸克数、轻子数、同位旋和奇异度等等。甚至可以找到预测基本力的对称性——例如规范对称性导致规范玻色子，即通过强核力将质子和中子结合在一起的胶子。质子和中子之间的对称性、它们固有的相似性，导致了这种量子力。

因此，当物理学家揭示大型强子对撞机中粒子之间的复杂相互作用时，这些量子守恒定律至高无上。不可避免地，我们应该预期所有基本相互作用都完全受到这些基本定律的约束 - 对称性和守恒定律共同作用。

一切都在平衡之中。实际上，它们大多数都是。但也存在例外。正是这些例外可能形成了我们的宇宙。到了20世纪中叶，天文学家开始思考外星人的问题。巨型射电望远镜在天空中搜索来自遥远文明的微弱信号，有些人纳闷着想知道当我们最终接触到外星文明时，我们应该说些什么。

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但也有人对更基本的问题感到担忧 - 例如反物质生物的存在。问题集中在左右的区分上。这可能看起来微不足道，但它与物质和反物质以及我们注定要灭亡的星际文明的双重命运紧密相连。你如何告诉外星人左和右的意义？这比你想象的要困难。

你不能发送一张图片，因为他们需要知道左和右才能正确重构图像。你不能引用文明的附属物，比如书写，因为他们再次需要一个参考。你需要向写入基本宇宙的左右上诉，你需要找到一种允许你这样做的对称性的突破口。

这一切始于对偶性的概念。在1956年，在华盛顿特区的实验室里，钴原子在磁场中旋转。实验者吴健雄耐心地观察着钴原子的变化 - 它们会发生放射性衰变并喷出一个电子。

通过冷却钴原子并将它们置于磁场中，吴健雄可以确保它们一起旋转，并且可以记录电子从钴原子中飞出的方向。角动量守恒意味着它们应该从钴的两极被喷出。一些从钴的北极出来，同样数量的从南极出来。

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但是当吴健雄坐下来数电子时，出现了一个令人不安的模式。除了一些电子向北和南方飞出之外，所有电子似乎都从钴原子的一侧逃逸出来。这表明钴的这种放射性衰变不对称！但这意味着什么呢？如果钴更喜欢从一侧喷出电子而不是另一侧又如何呢？这完全涉及到一个叫做偶极性的概念。

直到20世纪50年代，守恒偶极性是基本物理学的核心。它意味着在镜像宇宙中看到的任何东西都与我们宇宙中所见的物理一样真实。想象一个原子。当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射出光子。但是光子往哪个方向逃逸？你会看到一半的光子向右移动，另一半向左移动。

那么，在镜像中的原子是什么样子呢？镜像将右边变为左边，反之亦然。但它还会改变自旋，从顺时针变为逆时针，从逆时针变为顺时针。因此，在镜像中看到的光子有一半向左移动，一半向右移动，并且总的角动量保持不变。

因此，光子的发射，即电磁相互作用，遵守偶极性守恒。引力也是如此。想象一个以顺时针方向旋转并绕着恒星运转的行星。在镜像宇宙中，一切都会转变为逆时针运动。在量子层面上，我们还需要考虑其他力量。

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在质子和中子内部，夸克与夸克相互作用，交换一个被称为胶子的小粒子。这就是强力的作用，它将你的原子核束缚在一起。无论是电磁力还是强力，都遵守量子对称性和量子守恒定律。但还有另一种基本力量。

弱核力。弱力似乎与众不同。它负责放射性衰变的一些方面，将中子变成质子并喷出电子。但在宇宙中，放射性衰变并不常见，弱力似乎只是一个小角色。但是在1955年，人们意识到弱力是其中最奇怪的力量。

粒子物理学在20世纪上半叶蓬勃发展。大量的粒子发现和量子洞察力剥离了微观世界。随着粒子家族中的模式和图像开始浮现，弱力的作用逐渐显现出来。杨振宁和李政道是这一领域的先锋。

作为普林斯顿的年轻科学家，他们开始探索核实验揭示的内容。他们知道弱力负责一些放射性衰变，并且在这些衰变中，伟大的沃尔夫冈·泡利预言了一种幽灵般的新粒子 - 中微子的存在。虽然没有人曾见过中微子，但能量守恒是不可侵犯的，所以它必须存在。

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然而，杨振宁和李政道对他们所看到的情况感到困惑。他们知道基本力量守恒偶极性，但没有确凿的证据证明弱力明白这是规则。一个大胆的想法萌发了 - 也许弱力不守恒偶极性，也许它在镜像宇宙中不起作用。

虽然这听起来作为一个理论观点很有趣，但他们需要一个能够证明弱力破坏了宇宙的实验。这就是为什么吴健雄冷却了她的钴原子并将它们放置在磁场中。就像光子从原子中喷出一样，电子的自旋可以在顺时针和逆时针之间切换，我们应该期望有相同数量的电子向北和向南飞出，但这并不是吴健雄在她敏感的实验中观察到的情况！为什么电子更喜欢从旋转的钴核的一个极点出来？

令人惊讶的结论是，泡利的中微子只能相对于其运动以一种方式旋转。只有顺时针方向的中微子，根据角动量守恒，它们只能从钴的一个极点被喷出，电子则从另一个极点被喷出。镜像中的中微子将看起来是逆时针旋转的，而这样的中微子在我们的宇宙中根本不存在。

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弱力违背了偶极性！这个发现使杨振宁和李政道赢得了1957年诺贝尔物理学奖，这是有史以来授予得最快的诺贝尔奖之一，比爱因斯坦等待的17年要快得多。神秘的是，吴健雄错过了这个奖项，但她的名字被写入科学史册，因为她的实验震撼了物理学的核心。

弱力违反空间反演意味着中微子可以区分左右，这意味着宇宙本身以某种方式可以区分左右。然而，弱力更深层次的研究发现，还有其他形式的空间反演对称性受到了破坏。原来，弱力喜欢打破的不仅仅是空间反演对称性。

现在，物质和反物质之间的谜团开始被揭开。人们意识到，如果在空间反演的同时还进行了另一种转换，可以恢复对吴健雄实验的解释。如果所有粒子都被转化为它们的反粒子，也就是所谓的荷共轭转换，那么我们的宇宙中可能会出现自旋反中微子的镜像视图。

这种双重转换被称为CP（荷与空间反演）变换，因此虽然弱力违反了空间反演，但也许它会遵守CP变换？但是，很快就有一系列新实验表明情况并非如此。这来自于被称为K介子的粒子的奇怪行为。K介子是介子，由一个夸克和一个反夸克组成。

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中性K介子是由一个奇异夸克和一个下夸克组成的混合物。但是存在两种中性K介子，一种由奇异夸克和反下夸克组成，另一种由反奇异夸克和下夸克组成。这种特殊情况意味着这两种中性K介子可以相互转变，而中性K介子的束流必须被视为两者的量子力学混合态。

K介子的寿命非常短，大约在十亿分之一秒后会衰变为轻子介子——π介子。荷和空间反演的守恒意味着衰变过程中应该始终有三个π介子。1964年，人们进行了一项实验，探索荷和空间反演的组合是否守恒，将K介子束流射入一个长管中，物理学家们计算了衰变的结果。

几乎所有衰变中，500个中的499个会产生三个介子的爆发，但是500个中的1个只会产生两个π介子。在这里，宇宙再次被打破了。K介子的衰变不守恒荷和空间反演。这个结果使实验者瓦尔·费奇和詹姆斯·克罗宁获得了1980年的诺贝尔物理学奖，并震惊了物理学界。

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但是，CP荷和空间反演的破坏真正意味着什么呢？它对我们所知的宇宙有什么影响？深入思考起源于我们最初开始这个伟大的星际文明会议时，我们终于找到了答案。

中性K介子必须被视为物质和反物质的量子混合态。有时，这种量子混合会衰变为电子及其反物质伴侣正电子。如果CP是守恒的，这些衰变过程应该产生相等数量的电子和正电子。然而，克罗宁和费奇发现CP并未守恒。

在衰变中产生的每300个电子中，会有301个正电子。因此，我们所有的星际后代只需要独立进行中性K介子的实验，就可以区分物质和反物质。他们就会知道是否可以安全地握手。

虽然通过电磁作用无法揭示这一点，也无法通过重力和强核力的讨论来实现，但是如果发生这种遥远的会议，我们将能够与他们谈论弱相互作用的实验，那里我们会找到绝对的真理。但是为什么宇宙要打破这些看似明显的对称性呢？如果物质和反物质的物理性质完全对称、完全平衡，宇宙将变得简单得多。

然而，这只是开始。CP破坏的影响似乎对宇宙有更广泛的后果。要真正理解这一点，我们需要回到时间的最初，当宇宙的炽热火球如何冷却下来。基本物理学的终极目标是什么？是理解一切由什么构成？是揭示宇宙的起源？对爱因斯坦来说，在他临终时，有一个简单的答案。

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最终的目标是一个万有理论——一个将所有基本力量统一起来的理论。重力、电磁力、强核力和弱核力。这一直是量子力学和广义相对论的圣杯，自从爱因斯坦在50年代初的努力以来，物理学家们一直在这个方向上稳步前进，首先在20世纪60年代将弱力与电磁力统一起来。

核强力的统一工作更加艰巨，但在量子色动力学中，它也加入了这场盛会。长达一个多世纪以来，基本物理学的焦点一直是将重力纳入其中，但物理学家们尚未最终实现这一目标。那么物理学家如何构建这些万有理论呢？再次，他们的指导思想是完美和对称。

重要的线索来自高能实验，其中粒子在高速碰撞中相互撞击。随着相互作用能量的增加，基本力量开始发生奇怪的变化。它们开始改变自己的本质，它们在粒子之间的作用方式也发生改变。

它们开始失去其独特性，开始看起来都一样。让我们考虑一下今天宇宙中的电磁力和弱力。它们似乎完全不同，电磁力连接着电荷，而弱力是一种放射性形式。电磁力由无质量的光子传递，而弱力使用三个有质量的粒子，即Z0粒子和正负W粒子。

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但是在更高能量下，这种区别开始模糊。在所谓的电弱理论中，这些看似不同的力实际上是同一个力。因此，当宇宙炽热年轻时，只存在这一种单一力量。宇宙通过大爆炸的冷却打破了它们的对称性，使它们变得独特。

在温度进一步降低时，电弱力与强力之间的区别也消失了，人们认为在超高温下，重力也变得模糊不清。这表明在宇宙诞生时存在一个真正的力量，即超级力量。这个超级力量是完美和对称的。

《圣经》的创世纪以“起初有道，道与神同在，道就是神”开头。《圣经》以完美的神圣之初开始，但最终被腐败了。现代宇宙学以非常类似的方式开始。在开始时，宇宙是完美和对称的。存在一个真正的超级力量，它统治着一切。

但是宇宙冷却过程中基本力量的分离并不是平静无波的。随着力量走自己的路，宇宙的本质也发生了变化。分离之前和之后的宇宙是明显不同的，它经历了相变。随着温度降低，水会冻结成冰，对称性被降低。

同样，随着宇宙冷却，基本力量的分离标志着宇宙对称性的明显破裂。宇宙学家认为这些分离影响了现实的重要特征。重力的分离发生在宇宙年龄约为10^(-43)秒的普朗克时间。关于宇宙在这个时候我们几乎一无所知，除非我们能够建立起统一量子领域和引力的宏大统一理论，否则它可能永远保持神秘。而强力的分离则不同，它发生在约10^(-34)秒的时候。物理学家们认为他们对这个时间有更好的把握。

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因为这个时候宇宙经历了膨胀。在20世纪70年代末，艾伦·古斯特对宇宙感到担忧。他的研究生涯始于粒子物理学，追求万有理论，寻求一切的解释。同时也追求一个永久的教授职位。但在1978年，他参加了一场改变一切的讲座。

演讲者是罗伯特·迪克（Robert Dicke），科学界的元老。与古斯特处于职业生涯的另一端，迪克已经探索了宇宙的许多奥秘。在这次演讲中，他想知道为什么宇宙看起来是平的，而不是像球体或马鞍形那样弯曲。我们的宇宙诞生的某种方式必须经过精心调整，从所有可能的几何形状中选择了平坦。

古斯特对宇宙的这种特殊性感到好奇，并想知道它是否与宇宙中似乎缺失了一部分有关。这一部分再次通过对称性预测出来。驱动古斯特的动机是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）对电和磁的本质的研究。他的方程式具有深刻的不对称性，拥有电荷，但没有磁性的等效物。

我们看到的所有磁铁都有南极和北极-都是二极体。在古斯特之前，许多人都想知道这些“磁单极子”——纯粹的磁性南极或北极——可能在哪里。因此，古斯特认为它们一定是隐藏起来了。在宇宙早期的时刻，当宇宙变得炽热、密集和激荡时，古斯特提出电磁学是对称的，磁单极子是宇宙粒子的一部分。

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但随着宇宙经历了一次巨大的膨胀，几乎瞬间扩大了80倍，磁单极子的数量稀释到每个可观测宇宙中只有一个。在这个被称为膨胀的时期之后，宇宙中没有足够的能量来产生新的磁单极子。

它们实际上消失了，再也无法在物理实验室中观察到。在宇宙经历了戏剧性的膨胀过程中发生了什么？能量的背景场，被称为充气子，一定起主导作用。宇宙的密度急剧下降，所有粒子都被剥夺了能量。宇宙变成了一个冰冷而空荡的地方。

但是随着充气子最终衰变和膨胀结束，能量重新注入了宇宙。宇宙重新加热到数十亿度，并创造了今天存在于宇宙中的物质。但是磁单极子早就消失了。所有这一切都始于相变的同时——正如强力分离的时候。

这只是一个巧合吗？还是说，强力的离去给充气子注入了能量？我们不确定。事实上，我们对这个时期的物理学知识仍然有一些模糊的地方。因此，我们无法确切确定我们已经找到了膨胀的真正罪魁祸首。有些人还将充气子与希格斯场的形成联系在一起，希格斯场是赋予粒子质量的场。

同时，还有人想知道充气子是否只是今天暗能量的早期化身。因此，当宇宙大约10-12秒大时，温度为1015K，所有基本力都分化为我们今天所知的各种形式。但是对称破缺的作用仍然有一招未展示。

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在这个时期，重子发生了。这是基本粒子（夸克和胶子）的“汤”开始凝结成质子和中子的时候。而今天宇宙中的物质，也就是你和我存在的物质，最终诞生了。但是对称性的问题仍然存在。请记住，在膨胀后，充气子的能量被注入了宇宙，这是宇宙中物质和光子的最终来源。

这种再加热应该同样产生了物质和反物质。如今宇宙中最明显的不对称之一就是物质相对于反物质的奇怪优势。宇宙搜索揭示了宇宙中丰富的物质——以及最微弱的反物质痕迹。例如，科学家相信我们银河系内的反物质与正常物质的比例约为一千万亿分之一。

那么，这种不对称是在宇宙的生命周期中的哪个时刻产生的呢？为什么会有这么多物质？人们认为答案深藏在重子发生中。虽然我们知道和见过物理定律能够区分物质和反物质，但区别的程度实在太小，无法解释物质相对于反物质的差异。

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因此，我们仍然在试图理解宇宙中存在任何物质的根本定律。我们可以从一个不太可能的来源——宇宙微波背景辐射中估算出物质/反物质的不对称程度。这些光子是在宇宙中的物质和反物质最终湮灭时发射出来的，而在今天的宇宙中，对于每个质子或中子，大约有十亿个这样的宇宙微波背景光子。

这意味着宇宙必须几乎是对称的。对于每十亿个反物质粒子，必定存在十亿零一的物质粒子。正是这种微小的差异成为了今天宇宙质量的来源。令人警醒的是，我们之所以存在，只是因为这种微小的不对称性。

但是还有一个最后的谜团可能会被对称性揭示。如果对称性是我们真正的指引，而基本物理学纯粹是对称的，那么宇宙中不仅仅存在磁单极子。例如，在超对称理论中，对于每个夸克都应该有一个对称的夸克。

对于每个电子，应该有一个超对称的选择子。这种命名过程在标准模型中持续进行——从超中微子到超子，从希格斯子到光子，一种隐藏的超对称宇宙中的超粒子可能就在我们无法触及的地方潜伏着。超对称性是许多万有理论的关键部分，科学家长期以来一直希望在大型强子对撞机（LHC）中找到证据。

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然而，对于这些神秘粒子在我们的对撞机中的探索，迄今为止还没有找到这些超对称候选者。我们找到的只是我们宇宙中的夸克和电子这些常见的粒子。一些物理学家声称对称性使我们误入歧途，我们走错了方向。但对于其他人来说，对称性太具诱惑力了，对超对称性和超力的追寻仍在继续。

现在，我们看到，对称性显然是我们理解宇宙的核心。但正是对称性的破裂赋予了宇宙其独特的特性。基本定律和物质的存在确实源于完美中的缺陷。

但在结束之前，还有一件事需要考虑。对称破缺似乎是关于遥远过去的事情，然而我们的宇宙仍在膨胀，仍在冷却，仍在变化。而我们只是踏入了无尽未来的第一步。在我们的实验范围之外，隐藏着能量远低于我们能够触及的其他未被发现的对称性。随着宇宙继续冷却，总有一天这些对称性也可能破裂，释放出新的力量和新的阶段，从根本上改变宇宙。

我们的宇宙从完美走向终极堕落的征程可能还没有结束。

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