南部阳一郎

小林诚（左），益川敏英（右）

继1957年和1980年之后，诺贝尔奖的殊荣再度与对称性破缺结缘

　　【《财经网》专稿/记者 于达维】北京时间10月8日下午5时45分，斯德哥尔摩当地时间上午9时45分，2008年度诺贝尔物理奖在瑞典首都公布，三名来自日本的物理学家由于在对称性破缺上的突破性成果获得此项殊荣。
　　为了这个时刻，他们已经整整等待了30多年。
　　“自然的法则应该是对称的，但是我们的宇宙并不完美，实际上正是因为对称性的破缺，才有了我们的宇宙、星系、地球，还有我们。”诺贝尔物理奖评审委员会在评审公报中说，“我们都是对称性破缺的孩子。”
　　来自美国芝加哥大学费米实验室的南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、日本筑波高能加速器研究所的小林诚（Makoto Kobayashi）以及京都大学理论物理研究所的益川敏英（Toshihide Maskawa），由于分别提出和解释了对称性破缺现象，获得2008年度的诺贝尔物理奖。

破碎的镜子
　　正如中国古人对世界的描述一样，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，在物理学家们看来，世界应该是对称的。在我们身处的自然界，存在很多种对称性；在物理上，则可以分为镜像对称（P对称）、电荷对称（C对称）以及时间对称（T对称）。
　　在镜像对称中，无论是正视还是从镜子里面看，所有事件的都应该是一致的。左和右、上和下，应该没有区别。在电荷对称中，拥有相对电荷的粒子应该拥有相同的性质，比如正电子和负电子，质子和反质子，除了电荷不同，其他性质应该是一样的。而在时间对称上，物理时间在宏观程度上不依赖于时间是向前还是后退。
　　对物理学家来说，对称性不仅仅具有美学价值。利用对称性，可以大大简化很多复杂的计算过程，而且对称性在表述微观粒子的过程中起着关键的作用。举例来说，大多数的守恒定律，都是靠对称性来描述的。比如基本粒子在碰撞前后不会丢失能量。
　　标准模型是当时物理学家对于微观世界描述的一个理论集合，其成立的基础就是爱因斯坦的相对论和量子物理的对称性，这一理论在当时也已经经历的无数次检验。但是终点总是遥不可及。在到达终点之前，一系列现象的发现开始威胁整个标准模型的基础。
　　首先挑战对称性的，是两个来自中国的年轻人，李政道和杨振宁。1956年，当时分别只有30岁和34岁的李政道和杨振宁提出，在弱相互作用中宇称（P对称）不守恒，他们的理论很快被另一位华裔科学家吴健雄用在实验中证实。次年，李、杨二人就为此获得诺贝尔物理学奖。
　　根据李、杨二人的观点，量子世界中的旧有的对称性原则需要改写，宏观世界中存在的规则不一定适用于微观世界。他们的设想在几个月后被吴健雄在钴60的发射性衰变实验中证实——当电子离开钴60原子核的时候，其对放射的方向是有偏爱的。
　　诺贝尔评审委员会在解释这一现象的时候比喻，这就相当于你站在斯德哥尔摩中央车站门口，发现从车站出来的人大多数都是向左走，而不是向两边走。
　　不过，这时候物理学家们还是相信，镜像对称（P）与电荷对称（C）两者不是同时破坏的，所以从整体上看对称性还是完整的。但是他们的这个幻想不久也被击碎了。1964年，詹姆斯·克罗宁（James Cronin）和瓦尔·费奇（Val Fitch）在美国布鲁克海文国家实验室的AGS加速器上，发现电荷共轭和宇称组合对称性（CP）在中性K介子衰变中被破坏。
　　这一发现，挑战了整个标准模型的基础。虽然成为最大的“麻烦制造者”，他们二人因为此项发现，在1980年获得当年的诺贝尔物理奖。
　　这必须有个解释，否则整个标准模型就要坍塌。这时候两个来自日本京都大学的年轻人利用一个3×3矩阵解决了这个问题，并维护了标准模型的尊严。
　　他们认为，K介子由一个夸克和一个反夸克构成，两个夸克之间还在不断交换身份，夸克变成反夸克、同时反夸克变成夸克，让k介子像一个翻转的硬币一样，在不断变成反k介子再变回来。如果两个夸克之间的变换只局限在它们自身的类别之内的话，就不会有CP破缺发生了。
　　他们预测，应该存在第三种、或者更多类别的夸克参与到K介子衰变中来，才会发生CP破缺。小林诚和益川敏英在1973年发表的论文——《弱相互作用重正化理论中的CP破缺》中，提出了粒子物理标准模型中著名的CKM矩阵，预言夸克至少应有六种，并提出CP破缺的一种理论解释，至今这篇论文的引用率接近5000次。
　　夸克的概念，是1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出的，认为中子、质子这一类强子是由更基本的夸克构成。它们电荷是基本电量的三分之二或三分之一，自旋为二分之一。盖尔曼借用詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“Three quarks for Muster Mark”来表示“三个夸克才顶得上一个马克”，将这种基本单元起名为夸克。
　　解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克（up，u）、下夸克（down，d）和奇夸克（strange，s）。强子由三种夸克构成，比如质子就是由两个上夸克和一个下夸克构成，中子则是由两个下夸克和一个上夸克构成。
　　小林和益川提出存在六种夸克的时候，人们刚刚发现了三种夸克，随着1974年粲夸克被发现，1977年底夸克被发现，到1994年顶夸克被发现后，物理学家们认为，顶夸克应该是最后一种了。而2001年中性B介子衰变CP破缺被发现后，小林和益川的预言已经被基本证实了。
　　但是在现实世界中，构成我们宇宙的只是第一类，也是最轻的一类夸克，包括上夸克和下夸克。其他的两类夸克的生命周期都很短暂，他们的出现似乎只是为了在宇宙创生的时候，制造对称性破缺，让物质赢得与反物质的战斗。

大爆炸之后
　　在今年诺贝尔物理奖公布之后，评审委员会成员、瑞典皇家理工学院基本粒子物理学教授佩尔·卡尔松（Per Carlson）在接受诺贝尔网站记者采访时，这样解释对称性破缺对我们的意义：
　　“我们现在都相信宇宙是由于一次大爆炸诞生的，但是在一开始物质和反物质应该是等量的，没有对称性的破缺，我们现在应该处在一个由物质和反物质构成的世界，而我们现在的宇宙是有物质构成的，这是对于对称性的破缺。”他说，“我们认为CP破缺导致了物质世界。”
　　实际上，只要物质比反物质多上一百亿分之一，就足以建立现在物质世界，物理学界普遍认为，原本的世界是对称的，是对称自发破缺导致了这样的优势。
　　虽然标准模型将已经的所有基本粒子和四种作用力中的三种联系起来，但是大爆炸后为什么有那么多种作用力，为什么基本粒子的质量有那么大的差异，还是令科学家们十分费解。在基本粒子中最中费米子的顶夸克质量是电子质量的30万倍，而传递弱作用力的W、Z介子，也非常笨重，传递引力的光子则根本没有静止质量。
　　1964年，英国物理学家希格斯（P. W. Higgs）提出了对称性自发破缺的希格斯机制（Higgs mechanism）。这种机制中认为，在弱电对称群被希格斯场的势能所自发破缺后，各种粒子吸收希格斯场而获得质量，吸收多则质量就大；反之，质量就小。而这种对称性自发破缺的设想，就是1960年由南部阳一郎首先提出的。
　　中国科学技术大学教授李淼对《财经》记者说，超导现象就是对称性自发破缺造成的，南部就是把超导中的现在引入到了粒子物理中。当时，在超导领域做研究的南部阳一郎，所做的工作是对超导现象进行理论计算，后来他把这种理论引入粒子物理。现在他当时的数学工具已经被应用到与标准模型有关的几乎所有的理论计算中。
　　南部在自发对称破缺作出的开创性工作，其结果被称为南部-戈德斯通定理（Nambu-Goldstone Theorem），认为连续性整体对称性被自发破缺后，必存在零质量玻色粒子，此粒子被称为南部-戈德斯通玻色子。这个定理在粒子物理中有着重要应用，如π介子就是对应着近似手征对称性破缺的戈德斯通子。
　　诺贝尔奖评审委员会利用圆盘上垂直旋转着的一支铅笔来比喻对称性自发破缺，当铅笔在高速旋转的时候，对称性是完美的。但是当旋转速度渐渐慢下来，铅笔将难以保持平衡而倒下来，这就是对称性的自发破缺，而这种状态是比高速旋转能级更低、更加稳定的状态，实际上，这也是对铅笔来说能级最低的状态。
　　由此可见，在宇宙大爆炸发生后，在能量逐渐降低，系统趋于稳定的过程中，对称性的自发破缺就开始发生了。对于现实世界来说，真空是能量最低的状态，但是真空并不是一无所有，量子物理认为，真空中充满了稍纵即逝的粒子泡浆，并由此形成了不可见的量子场。我们外界的真空中充满了这样的量子场，其中引力场就是我们熟知的一种量子场。
　　南部阳一郎提出，真空是研究对称性自发破缺非常好的场所，这里在理论上应该是对称性最低的。
　　利用对称性自发破缺机制，基本粒子的质量问题也可以迎刃而解。大爆炸发生后的瞬间，一切都是对称的，所有基本粒子也都没有质量，而希格斯场就是那支站着的铅笔，随着宇宙逐渐冷却，它也将滑落到更低的能量状态，铅笔迟早是要倒下的。
　　希格斯场势能的降低，意味着对称性的破坏，希格斯场也就变成了一锅充满的吸收了不同希格斯场能量的粒子原浆。吸收的能量大，质量就大，吸收的能量小，质量就小。不过为什么它们之间质量差别那么大，是至今还无法回答的问题。
　　代表希格斯场的粒子就是希格斯粒子。今年9月开始在欧洲核子中心运行的迄今为止能量最大的对撞机——“大型强子对撞机”，目的就是为了寻找希格斯粒子。
　　李淼说，现在看来，不对称历史上只是技术地阻碍了粒子物理的研究，后来人们发现很多不对称性其实是对称性破缺的结果后，又反过来帮助了粒子物理的研究，如果没有对称性破缺，我们就无法解释弱作用和电磁作用其实是统一的。

30年等候
　　上世纪六七十年代，是粒子物理获得空前发展的时代。这时，刚刚走出二战阴云，开始经济崛起的日本，也培养出了第一批自己的学者。小林诚在10月7日午夜接受诺贝尔网站采访时说，我那时候确实很年轻，能够走上粒子物理这条道路确实很幸运。
　　小林诚1944年出生在日本名古屋，1972年获得名古屋大学博士学位。他长期致力于基本粒子理论研究，目前是日本筑波的高能加速器研究机构的名誉退休教授。当时提出，小林-益川理论的时候，还非常年轻。
　　“嗯，我那时只有28岁。”他说。
　　和刚刚提出设想，旋即就被证明，然后就获奖的李政道和杨振宁相比，南部、小林和益川显然没有那么幸运。对他们来说，诺奖已经不是一种资历，只能算是一个安慰。现年64岁的小林说，他得知获奖消息后非常吃惊。他说，一直以来，他俩获诺奖的呼声挺高，但时间一长，也就不抱多大期望了。
　　卡尔松教授解释说，有时候理论物理和实验物理是相辅相成的，有时候它们很快就能够吻合到一起，有时候却要等待很多年。
　　诺贝尔奖的授奖评语说，自发对称破缺似乎早在宇宙诞生时就存在，但直到小林和益川于1964年通过粒子实验才向世人证实了这一“神秘存在”。两人1972年发表论文，解释了对称破缺的起源。
　　根据他们的理论，只要存在六种以上夸克，对称破缺就能发生。发表这篇论文时，科学家只发现了三种夸克。另外三种夸克分别发现于1974年、1977年和1995年。此后再无夸克发现。此后的2001年和2004年，美国斯坦福实验室和日本高能加速器研究机构的粒子探测器分别独立从实验上实现了对称性破缺。
　　李淼说，CP破缺是小林和益川发现所谓的小林-益川矩阵的结论，有了这个矩阵，粒子物理标准模型中的夸克部分就基本清楚了。
　　得知获奖消息后，68岁的益川告诉时事通讯社记者，他为前辈南部获奖感到由衷高兴，倒是认为自己没做出什么了不起的事。
　　“今天没有当年那么兴奋。”益川说，2001年“小林－益川理论”被实验验证时才是他作为学者最高兴的时刻。不过，他还是表示，获诺贝尔奖有点像“过节”。
　　益川敏英1940年出生在日本爱知县，1962年从名古屋大学毕业，并于1967年获得该大学博士学位，益川敏英专攻量子场论，目前是东京大学汤川理论物理研究所的名誉退休教授。益川敏英曾和小林诚共同获得2007年“欧洲物理学会高能与粒子物理学奖”等诸多奖项。
　　现年87岁的南部阳一郎，1921年出生在日本东京。1952年，他从东京大学获得科学博士学位，并移居美国，前往普林斯顿大学研习。1958年，南部阳一郎被芝加哥大学聘为教授。南部阳一郎首先把凝聚态物理方法运用于粒子物理理论，提出了著名的南部-Jona-Lasinio模型，并由此获得了1994-1995年度的沃尔夫奖。
　　李淼告诉《财经》记者，他在芝加哥工作的时候，曾经与南部共事，“他的办公室离我很近”，并写过一篇关于南部括号的论文。我在日本高能加速器研究所的时候，曾经见过小林，当时他是所长，他对我研究的弦论也很感兴趣。我在日本京都大学基础物理研究所访问时见过益川，但是没说过话。
　　“他们的共同点是日本人特有的内向，南部尤其谦虚，是一个非常深刻的人。”李淼说。
　　小林诚在午夜接受诺贝尔网站记者采访的时候说，那时候我们的预测是合乎逻辑的，但是合乎逻辑的可能性也有很多，有时候理论物理必须等待实验物理的检验。“要怎么庆祝还没想好，现在想睡觉。”■

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