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本文发表于《科学画报》二零零八年第十一期 (上海科学技术出版社出版)。 发表稿应编辑要求包含了一节有关反物质制备的内容, 因与获奖工作无直接关系, 未包含在本站版本中。

从对称性破缺到物质的起源

- 2008 年诺贝尔物理学奖获奖成果简介 -

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》约稿而写的科普短文。 本站版本在若干学术术语、 人名及获奖原因后面加注了英文, 并包含了一些注释。

2008 年诺贝尔物理学奖的宣布现场
2008 年诺贝尔物理学奖的宣布现场

2008 年 10 月 7 日, 瑞典皇家科学院 (The Royal Swedish Academy of Sciences) 宣布了 2008 年诺贝尔物理学奖的得主。 美籍日裔物理学家南部阳一郎 (Yoichiro Nambu) 由于 “发现了亚原子物理中的对称性自发破缺机制” ("for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics") 而获得了一半奖金; 日本物理学家小林诚 (Makoto Kobayashi) 和益川敏英 (Toshihide Maskawa) 则由于 “发现了预言自然界中至少存在三代夸克的破缺对称性的起源” ("for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature") 而分享了另一半奖金。

在本文中, 我们将对这三位物理学家的工作及这些工作的意义作一个简单介绍。

一. 从对称性自发破缺到质量的起源

由于这三位物理学家的工作都与对称性的破缺有关, 我们不妨便从对称性开始谈起。

对称性是一种广泛存在于自然界中的现象。 比方说, 很多动物的外观具有左右对称性, 雪花则具有六角对称性。 对称性不仅在直觉上给人以美的感觉, 而且还具有很大的实用性, 因为任何东西倘若具有对称性, 就意味着我们只需知道它的一部分, 就可以通过对称性推知其余的部分。 比如对于雪花, 我们只要知道它的六分之一, 就可以通过对称性推知它的全部。 对称性所具有这种化繁为简的特点, 使它成为物理学家们倚重的概念。

当然, 宏观世界的对称性都是近似的, 不过物理学家们曾经相信, 微观世界的对称性要严格得多。 可是, 当他们深入到微观世界, 尤其是亚原子世界时, 却发现很多曾被认为是严格的对称性其实是破缺的。 大自然仿佛就象那些有意在对称图案上添加不对称元素的艺术家那样, 并不总是钟爱完整的对称性。

既然对称性会破缺, 那么一个很自然的问题就是: 它是如何破缺的? 这个问题在 1960 年前后进入了南部阳一郎的研究视野, 他通过对一种超导理论的考察, 提出了对称性自发破缺 (spontaneous symmetry breaking) 的概念[注一], 并在时隔四十八年之后由于这一工作获得了诺贝尔物理学奖。

那么, 到底什么是对称性自发破缺呢? 我们可以通过一个简单的例子来说明: 我们知道, 倘若把一根筷子竖立在一张水平园桌的中心, 那么筷子与圆桌就具有以筷子为转轴的旋转对称性。 但是, 竖立在圆桌上的筷子是不稳定的, 任何细微的扰动都会使它倒下。 而筷子一旦倒下, 无论沿哪个方向倒下, 那个方向就变成了一个特殊方向, 从而破坏了旋转对称性。 在这个例子中, 倒下的筷子处于势能最低的状态, 这样的状态在物理学上被称为基态。 所谓对称性自发破缺, 指的就是这种对称性被基态所破坏的现象。

对称性自发破缺为什么重要呢? 首先是因为在这种情况下, 虽然基态不再具有对称性, 但理论本身仍然具有对称性, 因此对称性所具有的那种化繁为简的特点依然存在。 但更重要的则是, 由对称性自发破缺所导致的一系列后续研究, 对于人类探索质量起源的奥秘起到了重要作用。 在南部阳一郎的工作之后仅仅过了四年, 英国物理学家希格斯 (P. Higgs) 等人发现, 如果把对称性自发破缺的概念用到某一类可以描述现实世界的理论中, 就可以使某些基本粒子获得质量。 他们的这一发现是人类迄今提出的解释质量起源问题的最重要的机制之一[注二]

如果说, 艺术家们通过在对称图案上添加一些不对称的元素, 而创造出了更精巧的艺术品, 那么从某种意义上讲, 大自然这位更高明的艺术家则是通过对称性的自发破缺, “创造” 出了基本粒子的质量。 南部阳一郎等人的工作, 使我们对这一切有了一种全新的认识。

二. 从夸克混合到物质的起源

与南部阳一郎的工作类似, 小林诚和益川敏英的工作也与一个重要的起源问题有关, 那便是物质的起源。 这个故事得从 1956 年讲起。

这个故事最早的情节是我们都很熟悉的: 1956 年, 美籍华裔物理学家李政道 (T. D. Lee) 和杨振宁 (C. N. Yang) 发现微观世界中的宇称对称性 - 通俗地讲就是左右 (或镜面) 对称性 - 在所谓的弱相互作用中是破缺的[注三]。 他们的这一发现使人们对其它一些对称性也产生了怀疑, 这其中一个很重要的对称性叫做 CP 对称性[注四], 它宣称如果我们把世界上的粒子与反粒子互换, 并且通过一面镜子去看它, 我们看到的新世界与原先的世界满足相同的物理规律。

1964 年, CP 对称性迎来了实验的判决, 结果被判 “死刑”, 因为它在弱相互作用中同样也是破缺的。 但与宇称对称性的破缺不同, CP 对称性的破缺非常微小, 并且很难找到一个理论来描述。 在 1964 年之后的一段时间里, 如何解释 CP 对称性的破缺成为了一个恼人的悬案。

这一悬案直到 1972 年才被小林诚和益川敏英所破解。 他们发现, 解决这一悬案的关键在于一些被称为夸克 (quark) 的基本粒子。 当时人们已经知道, 夸克在弱相互作用中会以彼此混合的方式参与[注五]。 初看起来, 这跟 CP 对称性似乎没什么关系, 但小林诚和益川敏英发现, 倘若自然界中至少存在三代 (即六种 - 物理学家们将夸克两两分组, 每组称为一代) 夸克, 那么它们的混合就可以导致 CP 对称性的破缺[注六]。 在他们做出这一发现的时候, 人们预期的夸克只有两代 (即四种), 已被实验发现的则只有一代半 (即三种)。 因此他们的工作不仅为 CP 对称性的破缺提供了一种可能的解释, 而且还预言了至少一代 (即两种) 新的夸克。 这两种新夸克分别于 1977 年和 1995 年被实验所发现, 而他们提出的描述夸克混合的具体方式, 也在过去三十几年里得到了很好的实验验证。

那么, CP 对称性的破缺有什么深远意义呢? 我们知道, 所有基本粒子都有自己的反粒子 (少数粒子, 比如光子, 的反粒子恰好是它自己)。 多数物理学家认为, 宇宙大爆炸之初是处于正反物质对称的状态的。 但天文观测表明, 如今的宇宙却是以物质为主的。 这就产生了一个问题: 即宇宙中的反物质到哪里去了? 对于这个问题, 目前还没有完整的答案, 但物理学家们普遍认为, CP 对称性的破缺正是解决问题的关键环节之一。 因为 CP 对称性的破缺表明物质与反物质在参与相互作用时存在着细微差别, 正是这种差别, 外加另外一些条件, 最终导致了两者的数量差异。 从这个意义上讲, 我们这个五彩缤纷的物质世界, 包括人类自身, 都是 CP 对称性的细微破缺留下的遗迹[注七]

在结束本文之前, 让我们来展望一种奇异的未来。 假定有一天, 人类与某种遥远的外星文明取得了通讯联络, 大家言谈甚欢后, 决定见面拥抱 (有点象地球上的网恋)。 但问题是: 谁都不想 “见光死”, 因此必须先确认对方相对于自己会不会是反物质。 有人也许会想到, 双方可以问一下对方电子所带电荷的正负, 假如相同那就 OK 了。 但这是行不通的, 因为双方对电荷正负的定义有可能恰好相反。 事实上, 假如 CP 对称性是严格的, 双方将不会有任何方法在完全不接触的情况下, 确定对方是物质还是反物质。 不过幸运的是, 在这个 CP 对称性破缺的世界里, 存在一种双方都可以确认的中性粒子, 它衰变时产生电子的概率要比产生反电子的概率略低。 利用这一点, 双方就可以问对方这样一个问题: 你们那里的电子在那种粒子的衰变过程中出现得较多还是较少? 如果双方的答案相同, 就说明拥抱是安全的, 否则就只好老死不相往来了[注八]

注释

  1. 南部阳一郎所考察超导理论是 J. Bardeen、 L. Cooper 及 R. Schrieffer 提出的 BCS 理论 (1956 年)。 对称性自发破缺在凝聚态物理中的出现可以远溯至 W. Heisenberg 的铁磁模型 (1928 年), 南部阳一郎是最早将之引进到量子场论中的物理学家。 比他稍晚, J. Goldstone 也提出了类似的想法。
  2. 这里所说的 “可以描述现实世界的理论” 是指规范理论。 Higgs 等人提出的这一机制被称为 Higgs 机制 (Higgs mechanism), 它是粒子物理标准模型的重要组成部分。 当然, 质量起源问题迄今仍是一个未解决的问题, 对这方面更详细的介绍可参阅本人作品 质量的起源。 在这里, 我顺便提醒读者, 本文介绍的成果是标准模型的一部分, 因此本文的很多论述都只适用于标准模型这一框架, 在后文中我将不再一一指明其适用范围。
  3. 严格地讲, 粒子物理中的宇称变换是左右 (或镜面) 反射与一个旋转变换的叠加。 由于旋转对称性在粒子物理中是严格成立的, 因此人们常常把宇称对称性等同于左右 (或镜面) 对称性。
  4. CP 对称性是电荷宇称联合对称性, 其中的 “CP” 是电荷共轭 (Charge conjugation) 与宇称 (Parity) 的首字母缩写组合。 电荷共轭对称性通常也叫做正反粒子对称性。
  5. 夸克以彼此混合的方式参与弱相互作用的设想, 可以回溯到 1963 年意大利物理学家 N. Cabibbo 的工作。 不过当时夸克模型尚未问世, Cabibbo 提出的其实是流 (current) 的混合。 1964 年, 夸克模型问世后, M. Gell-Mann 和 M. Lévy 立刻将 Cabibbo 的工作转译成了夸克语言 (Gell-Mann 和 Lévy 对 Cabibbo 的工作相当熟悉, 因为后者曾受到他们几年前的一些工作的影响)。 Cabibbo 的设想可以很好地解释某些实验, 但却与另一些实验相矛盾 (比如它所预言的 K0→μ+μ- 的衰变几率远大于实验值)。 这些问题直到 1970 年才被 S. Glashow、 J. Iliopoulos 和 L. Maiani 通过引进第四种夸克 (即 c 夸克) 所解决, 他们的解决方案被称为 GIM 机制 (GIM mechanism)。 Cabibbo 的理论虽有缺陷, 但他是这一领域的先驱者, 他与今年的诺贝尔物理学奖失之交臂, 与 Goldstone 一样, 有点令人惋惜。
  6. 需要提醒读者注意的是, 虽然今年获奖的三位物理学家的工作都与对称性破缺有关, 但它们所涉及的对称性破缺的方式是完全不同的。 南部阳一郎提出的是对称性的自发破缺, 而小林诚与益川敏英的工作所涉及的则是对称性的明显破缺。
  7. 对宇宙中正反物质的不对称, 及物理学家们为解释这种不对称而提出的几个必要条件的更多介绍, 可参阅本人作品 反物质浅谈 (下)
  8. 这里所说的中性粒子是长寿命中性 K 介子 K0L, 所涉及的衰变模式则是 K0L→e+π-ν 与 K0L→e-π+ν。 另外, 这里讨论的是一个完全假想的局面, 事实上, 双方若果真想要搞明白对方的组成, 只要各自提供一个自己世界里的电子, 看彼此是否会湮灭就可以了。

附录: 获奖者小档案

南部阳一郎 (左)   小林诚 (中)   益川敏英 (右)

南部阳一郎 (左)   小林诚 (中)   益川敏英 (右)

  • 南部阳一郎 (Yoichiro Nambu): 美籍日裔物理学家, 出生于 1921 年 1 月 18 日, 1952 年获东京大学 (University of Tokyo) 博士学位, 1970 年入美国籍, 目前在美国芝加哥大学费米研究所 (Enrico Fermi Institute, University of Chicago)。 南部阳一郎主要从事场论研究, 除此次获奖的工作外, 他还是弦理论的创始人之一。
  • 小林诚 (Makoto Kobayashi): 日本物理学家, 出生于 1944 年 4 月 7 日, 1972 年获名古屋大学 (Nagoya University) 博士学位, 目前在日本筑波高能加速器研究社 (High Energy Accelerator Research Organization)。 小林诚主要从事高能物理研究。
  • 益川敏英 (Toshihide Maskawa): 日本物理学家, 出生于 1940 年 2 月 7 日, 1967 年获名古屋大学 (Nagoya University) 博士学位, 目前在日本京都产业大学 (Kyoto Sangyo University) 及京都大学汤川理论物理研究所 (Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University)。 益川敏英主要从事高能物理研究。

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网友讨论选录

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2008-10-11)

    好文, 就是嫌短了点 (相比之下注释显得多了点, 差不多超过正文长度了^_^)。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2008-10-11)

    没办法, 这么简略也已经超过规定字数了 (规定字数是 2500 字, 其中还得包括三位获奖者的生平)。 注释因不受约稿的字数及深度限制, 就写得比较多。

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2008-10-11)

    我还一直以为 CP、T 对称性破缺的真正理论解释还没有找到呢! 曾经让中科院的同学给我寄来这方面的综述文章, 试图进入这一课题领域研究之, 幸亏后来因为读研没有时间闭门造车。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2008-10-11)

    标准模型对 CP、T 破缺的描述只能算是唯象描述, 因此说那些对称性破缺的真正原因尚未找到也是完全可以的。

  • 网友: duality   (发表于 2008-10-12)

    很好的科普文章, 让我对自己以前的那段知识的理解又清晰明了了许多!

  • 网友: 书虫   (发表于 2008-10-12)

    都是日本人, 真牛。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2008-10-13)

    二战后日本人在场论方面是很努力的, 有些方向基本冷掉了, 日本人仍在干。 我记得杨振宁曾有一篇文章提到 Yang-Mills 理论提出后因面临规范粒子的质量问题而无法继续, 遭遇冷场。 但某位日本物理学家 (记得好象是 Sakurai) 仍在不断努力, 试图把介子当成 SU(2) 的规范粒子。 我印象中杨振宁提到这事时是当成一个引以为戒的例子来说的。 当然, 在这件事上杨的判断恰好是对的, 介子并不是规范粒子。 但由此也可看出日本人当年对场论的各种可能性都在进行探索, 他们获得今天的荣誉并非幸致。

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2008-10-13)

    昌海兄说得不错, 日本人远不是只会靠模仿, 或者只会亦步亦趋地跟在人家屁股后面。 量子场论产生以前, 日本的 S. Tomonaga (诺贝尔物理学奖得主) 曾经与 J. Schwinger 和 P. A. M. Dirac 等分别研究过量子力学的多时形式 (many-time formalism), 这种研究算是一种科学进化途中的过渡和尝试, 虽然后来被量子场论取代, 但这说明他们随时都保持一种高度的原创状态。

  • 网友: shanqin   (发表于 2008-10-17)

    Cabibbo 和 Goldstone 这次比较郁闷了。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2008-10-17)

    Cabibbo 看来不会有希望了。 Goldstone 或许还有一点点可能性, 那就是看 Higgs 得奖时能否分一瓢羹。 不过能和 Higgs 分羹的不止他一人, 究竟谁能分到还得走着瞧。

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