不對(duì)稱的量子世界
張力
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根據(jù)現(xiàn)有理論，大約137億年前，宇宙在“大爆炸”中誕生。
在此之后，夸克、電子等粒子和同樣數(shù)量質(zhì)量但電荷相反的反粒子構(gòu)成了物質(zhì)。粒子和反粒子一旦碰撞，將在釋出光后“同歸于盡”。因此，如果兩者始終并存，宇宙中的物質(zhì)最終將消失殆盡，但是，現(xiàn)在的宇宙中只有粒子“幸存”，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)反粒子?？茖W(xué)家認(rèn)為，反粒子幸存率不如粒子，是因?yàn)槌姾上喾赐?，還存在其他微小差異，這種粒子和反粒子的性質(zhì)差異被稱為“對(duì)稱破缺”，它的機(jī)制是亞原子物理學(xué)的一大謎團(tuán)。
2008年10月7日，日本學(xué)者小林誠(chéng)和益川敏英和美國(guó)籍日本科學(xué)家南部陽(yáng)一郎在就是由于準(zhǔn)確預(yù)言量子世界中不對(duì)稱行而分了2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們分別在上世紀(jì)60年代和70年代通過(guò)數(shù)學(xué)模型“預(yù)言”了量子世界自發(fā)性對(duì)稱破缺現(xiàn)象的存在機(jī)制和根源。然而，這些預(yù)言直到本世紀(jì)初才通過(guò)高能粒子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
瑞典皇家科學(xué)院說(shuō)，美國(guó)芝加哥大學(xué)名譽(yù)教授南部陽(yáng)一郎因發(fā)現(xiàn)亞原子物理學(xué)中的自發(fā)性對(duì)稱破缺機(jī)制而獲獎(jiǎng)。他將獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半獎(jiǎng)金，即500萬(wàn)瑞典克朗（約合70萬(wàn)美元）。日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)名譽(yù)教授小林誠(chéng)和京都大學(xué)名譽(yù)教授益川敏英則因有關(guān)對(duì)稱性破缺起源的發(fā)現(xiàn)而獲獎(jiǎng)。他們兩人將分享另外500萬(wàn)瑞典克朗。
◆　研究“對(duì)稱破缺”
物質(zhì)為何會(huì)多出反物質(zhì)？對(duì)稱性破缺是背后的關(guān)鍵原因。
據(jù)測(cè)算，宇宙中物質(zhì)粒子的數(shù)量只要比反物質(zhì)粒子多出百億分之一，就足以形成我們今天的物質(zhì)世界。但為什么會(huì)出現(xiàn)這種對(duì)稱性的微小“偏離”，一直是科學(xué)家未能揭開的一個(gè)重大謎團(tuán)。獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家提出的有關(guān)理論，為解釋宇宙的構(gòu)成提供了重要線索。
　　在三位科學(xué)家中，小林誠(chéng)和益川敏英早在 1973 年就提出了“小林－益川理論”，認(rèn)為造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反應(yīng)衰變速率不同。他們還預(yù)言存在 6 種夸克。夸克是比質(zhì)子和中子等亞原子粒子更基本的物質(zhì)組成單位。
　　在小林誠(chéng)和益川敏英提出預(yù)言之初，科學(xué)家只發(fā)現(xiàn)了 3 種夸克，因此一直難以證明他們的理論。 1995 年， 6 種夸克都被發(fā)現(xiàn)。 2001 年，日本和美國(guó)科學(xué)家確認(rèn)了由夸克構(gòu)成的正反粒子 ——B 介子和反 B 介子的“ CP 對(duì)稱性破缺”現(xiàn)象，從而證明了“小林－益川理論”?，F(xiàn)在，“小林－益川理論”已得到全球基本粒子物理學(xué)家的普遍認(rèn)可。
　　另一位獲獎(jiǎng)?wù)?、美籍科學(xué)家南部陽(yáng)一郎則是由于發(fā)現(xiàn)了自發(fā)對(duì)稱性破缺機(jī)制而獲獎(jiǎng)。所謂自發(fā)對(duì)稱性破缺，是指一個(gè)物理系統(tǒng)的拉格朗日量（概括整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力狀態(tài)的函數(shù)）具有某種對(duì)稱性，而基態(tài)（系統(tǒng)的最低能階）卻不具有該對(duì)稱性。
對(duì)稱破缺是量子場(chǎng)論的重要概念，對(duì)探索宇宙的本原有重要意義。它包含“自發(fā)對(duì)稱破缺”和“動(dòng)力學(xué)對(duì)稱破缺”兩種情形。
◆預(yù)言三種夸克的存在
　    南部陽(yáng)一郎對(duì)自發(fā)性對(duì)稱破缺機(jī)制的研究奠定了亞原子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)理論” 基礎(chǔ)。
　　“早在 1960 年，南部陽(yáng)一郎就闡明了基本粒子物理中自發(fā)對(duì)稱破缺的數(shù)學(xué)描述?！比鸬浠始铱茖W(xué)院在授獎(jiǎng)評(píng)語(yǔ)中寫道，“自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)制隱藏著表面上雜亂無(wú)序的自然秩序。它被證明極其有用，南部的理論奠定了基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這一模型融合了所有物質(zhì)最微小的組成部分，使 4 種自然力量中的 3 種在同一理論中得到解釋。”
　　 4 種自然力量指電磁力、強(qiáng)核力、弱核力和重力。
　　小林誠(chéng)和益川敏英的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在他們“在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)解釋了對(duì)稱破缺機(jī)制”，并據(jù)此“預(yù)言”了 3 種夸克的存在。
　　授獎(jiǎng)評(píng)語(yǔ)說(shuō)，自發(fā)對(duì)稱破缺似乎早在宇宙誕生時(shí)就存在，但直到小林和益川于 1964 年通過(guò)粒子試驗(yàn)才向世人證實(shí)了這一“神秘存在”?！靶×郑娲ɡ碚摗币惨虼顺蔀橹蝸喸游锢韺W(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論的重要支柱。
◆對(duì)稱破缺產(chǎn)生根源
小林誠(chéng)和益川敏英1972年發(fā)表論文，解釋了對(duì)稱破缺的起源。值得一提的是，當(dāng)時(shí)兩人分別只有29歲和33歲。
　　根據(jù)他們的理論，只要存在 6 種以上夸克，對(duì)稱破缺就能發(fā)生。發(fā)表這篇論文時(shí)，科學(xué)家只發(fā)現(xiàn)了 3 種夸克。另外 3 種夸克分別發(fā)現(xiàn)于 1974 年、 1977 年和 1995 年。此后再無(wú)夸克發(fā)現(xiàn)。
　　剩下的課題是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確證對(duì)稱破缺。 2001 年和 2004 年，美國(guó)斯坦福實(shí)驗(yàn)室和日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)的粒子探測(cè)器分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱性破缺。結(jié)果與小林、益川 30 年前的預(yù)測(cè)一致。
　瑞典皇家科學(xué)院7日發(fā)布的有關(guān)材料，用一個(gè)形象的類比來(lái)解釋什么是自發(fā)對(duì)稱性破缺：一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，可以被看成是完全對(duì)稱的，任何方向?qū)λ鼇?lái)說(shuō)都沒(méi)有區(qū)別；但如果這支鉛筆倒在水平面上，它的對(duì)稱性就被“打破”了，而它也同時(shí)達(dá)到了自己的基態(tài)或者說(shuō)最低能階，此時(shí)它的狀態(tài)最為穩(wěn)定。
　　自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念最早出現(xiàn)在凝聚態(tài)物理中， 20 世紀(jì) 60 年代被南部陽(yáng)一郎引入量子場(chǎng)論。他的理論某種程度上揭示出在大自然混亂的表面下所隱藏著的對(duì)稱性。目前，有關(guān)基本粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的所有理論中，幾乎都滲入了南部陽(yáng)一郎的成果。標(biāo)準(zhǔn)模型將自然界 4 種基本力中的 3 種以及組成所有物質(zhì)的基本粒子都統(tǒng)一到一套理論之中。
　　但標(biāo)準(zhǔn)模型有個(gè)致命缺陷，那就是無(wú)法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。有科學(xué)家認(rèn)為，其中奧妙可能在于自發(fā)對(duì)稱性破缺機(jī)制。根據(jù)有關(guān)理論，在宇宙大爆炸時(shí)存在一種處于完全對(duì)稱狀態(tài)的“希格斯場(chǎng)”，其中所有粒子都不存在質(zhì)量。但“希格斯場(chǎng)”就像筆尖直立的鉛筆一樣并不穩(wěn)定，隨著宇宙逐漸冷卻，它的對(duì)稱性被破壞， 一些基本粒子在這一過(guò)程中產(chǎn)生不同的質(zhì)量。
　    “希格斯場(chǎng)”理論預(yù)言了希格斯玻色子的存在。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了 62 種基本粒子的存在，其他粒子基本都已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，唯有希格斯玻色子至今仍未現(xiàn)身。2008年 9 月 10 日正式啟動(dòng)的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，重要任務(wù)之一就是尋找希格斯玻色子。
目前，有關(guān)對(duì)稱性破缺和自發(fā)對(duì)稱性破缺仍有許多懸而未決的問(wèn)題尚待解決。解決了這些問(wèn)題無(wú)疑將有助于人類進(jìn)一步了解宇宙的起源、更好地認(rèn)識(shí)當(dāng)今的物質(zhì)世界。

不對(duì)稱的量子世界

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