不对称的量子世界

 

张力

根据现有理论，大约137亿年前，宇宙在“大爆炸”中诞生。

在此之后，夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的反粒子构成了物质。粒子和反粒子一旦碰撞，将在释出光后“同归于尽”。因此，如果两者始终并存，宇宙中的物质最终将消失殆尽，但是，现在的宇宙中只有粒子“幸存”，没有发现反粒子。科学家认为，反粒子幸存率不如粒子，是因为除电荷相反外，还存在其他微小差异，这种粒子和反粒子的性质差异被称为“对称破缺”，它的机制是亚原子物理学的一大谜团。

日本学者小林诚和益川敏英和美国籍日本科学家南部阳一郎在就是由于准确预言量子世界中不对称行而分了2008年诺贝尔物理学奖。他们分别在上世纪60年代和70年代通过数学模型“预言”了量子世界自发性对称破缺现象的存在机制和根源。然而，这些预言直到本世纪初才通过高能粒子实验验证。

瑞典皇家科学院说，美国芝加哥大学名誉教授南部阳一郎因发现亚原子物理学中的自发性对称破缺机制而获奖。他将获得诺贝尔物理学奖的一半奖金，即500万瑞典克朗（约合70万美元）。日本高能加速器研究机构名誉教授小林诚和京都大学名誉教授益川敏英则因有关对称性破缺起源的发现而获奖。他们两人将分享另外500万瑞典克朗。

◆　研究“对称破缺”

物质为何会多出反物质？对称性破缺是背后的关键原因。

据测算，宇宙中物质粒子的数量只要比反物质粒子多出百亿分之一，就足以形成我们今天的物质世界。但为什么会出现这种对称性的微小“偏离”，一直是科学家未能揭开的一个重大谜团。获得今年诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的有关理论，为解释宇宙的构成提供了重要线索。

　　在三位科学家中，小林诚和益川敏英早在1973年就提出了“小林－益川理论”，认为造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同。他们还预言存在6种夸克。夸克是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位。

　　在小林诚和益川敏英提出预言之初，科学家只发现了3种夸克，因此一直难以证明他们的理论。1995年，6种夸克都被发现。2001年，日本和美国科学家确认了由夸克构成的正反粒子——B介子和反B介子的“CP对称性破缺”现象，从而证明了“小林－益川理论”。现在，“小林－益川理论”已得到全球基本粒子物理学家的普遍认可。

　　另一位获奖者、美籍科学家南部阳一郎则是由于发现了自发对称性破缺机制而获奖。所谓自发对称性破缺，是指一个物理系统的拉格朗日量（概括整个系统动力状态的函数）具有某种对称性，而基态（系统的最低能阶）却不具有该对称性。

对称破缺是量子场论的重要概念，对探索宇宙的本原有重要意义。它包含“自发对称破缺”和“动力学对称破缺”两种情形。

◆预言三种夸克的存在

　  南部阳一郎对自发性对称破缺机制的研究奠定了亚原子物理学的“标准理论” 基础。

　　“早在1960年，南部阳一郎就阐明了基本粒子物理中自发对称破缺的数学描述。”瑞典皇家科学院在授奖评语中写道，“自发对称破缺机制隐藏着表面上杂乱无序的自然秩序。它被证明极其有用，南部的理论奠定了基本粒子物理学的标准模型。这一模型融合了所有物质最微小的组成部分，使4种自然力量中的3种在同一理论中得到解释。”

　　4种自然力量指电磁力、强核力、弱核力和重力。

　　小林诚和益川敏英的贡献体现在他们“在标准模型的框架内解释了对称破缺机制”，并据此“预言”了3种夸克的存在。

　　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年通过粒子试验才向世人证实了这一“神秘存在”。“小林－益川理论”也因此成为支撑亚原子物理学标准理论的重要支柱。

◆对称破缺产生根源

小林诚和益川敏英1972年发表论文，解释了对称破缺的起源。值得一提的是，当时两人分别只有29岁和33岁。

　　根据他们的理论，只要存在6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3种夸克。另外3种夸克分别发现于1974年、1977年和1995年。此后再无夸克发现。

　　剩下的课题是通过实验确证对称破缺。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实现了对称性破缺。结果与小林、益川30年前的预测一致。

　瑞典皇家科学院7日发布的有关材料，用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺：一支以笔尖直立于水平面上的铅笔，可以被看成是完全对称的，任何方向对它来说都没有区别；但如果这支铅笔倒在水平面上，它的对称性就被“打破”了，而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶，此时它的状态最为稳定。

　　自发对称性破缺的概念最早出现在凝聚态物理中，20世纪60年代被南部阳一郎引入量子场论。他的理论某种程度上揭示出在大自然混乱的表面下所隐藏着的对称性。目前，有关基本粒子物理学标准模型的所有理论中，几乎都渗入了南部阳一郎的成果。标准模型将自然界4种基本力中的3种以及组成所有物质的基本粒子都统一到一套理论之中。

　　但标准模型有个致命缺陷，那就是无法解释物质质量的来源。有科学家认为，其中奥妙可能在于自发对称性破缺机制。根据有关理论，在宇宙大爆炸时存在一种处于完全对称状态的“希格斯场”，其中所有粒子都不存在质量。但“希格斯场”就像笔尖直立的铅笔一样并不稳定，随着宇宙逐渐冷却，它的对称性被破坏， 一些基本粒子在这一过程中产生不同的质量。

　  “希格斯场”理论预言了希格斯玻色子的存在。标准模型预言了62种基本粒子的存在，其他粒子基本都已被实验证实，唯有希格斯玻色子至今仍未现身。正式启动的欧洲大型强子对撞机，重要任务之一就是寻找希格斯玻色子。

    目前，有关对称性破缺和自发对称性破缺仍有许多悬而未决的问题尚待解决。解决了这些问题无疑将有助于人类进一步了解宇宙的起源、更好地认识当今的物质世界。

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