对称破缺(英文名:broken-symmetry)的概念在上世纪六七十年代就被引入
基本粒子物理学,用最简单的话来说,该观念使数学形式保持对称,而使物理结果保持不对称。“
标准模型”就建立在具有对称破缺的
规范理论的基础之上。其中需要注意的是,系统表现的
对称性减少,通常与
相变相关。
根据已知理论,大约137亿年前,宇宙在一次“大爆炸”中诞生。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
释放能量后“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,甚至人类自身都将不会存在。但是,现在的宇宙中只有粒子“幸存”,没有发现反粒子。科学家发现,除电荷相反外,粒子和反粒子还存在其他微小差异,这种性质差异被称为“对称破缺”,这也就是反粒子幸存率为什么不如粒子的关键原因。
今年的
物理学奖背景介绍即以《对称破缺》为题,充满历史感的陈述长达20页。
对称的观念古已有之,它影响了人类早期的音乐、美术等各种艺术形态,进入19世纪,对称开始对科学界产生重要影响,成为
晶体学、
分子学、化学、物理学等
现代科学的中心观念。
物理学定律此前一直显示出左右之间完全对称,这种对称可以形成为一种
守恒定律,称之为
宇称(P)守恒,1954年出现的θ-τ难题却导致了
宇称不守恒定律的提出,
杨振宁和
李政道因此项工作共同获得了1957年
诺贝尔物理奖。
解决
宇称不守恒的办法一度是引进电荷C,得到
CP守恒,而
芝加哥大学的
克罗宁(JamesCronin)和
普林斯顿大学的菲奇(ValLFitch),却于1964年在中性K-
介子衰变中发现
CP破坏,他们也因此获得了1980年
诺贝尔物理奖。
苏联的核
物理学家安德烈沙卡洛夫在1967年指出,
CP破坏一定是宇宙物质不对称的起源。我们知道,除了能量以外,宇宙中的“原材料”可以归结为正物质和
反物质两种,物理学家认为大爆炸产生了相同数量的正反物质,但为什么目前来看,正物质占据了统治性地位呢?对称破缺正试图解释这一现象。
南部阳一郎出身东京大学物理系,师承1965年诺贝尔物理奖得主
朝永振一郎,
二战后不久赴美,1956年开始任教于
芝加哥大学。2008年10月7日物理奖宣布后不久,芝大的网站即迅速更新了头条,庆贺他们又多了一位诺奖获得者。
约十年前,李淼在芝大费米研究所(EFI)工作时期就认识南部教授,“办公室离得很近,也一起讨论过物理,特别是所谓的‘南部括号’,之后与合作者就这个问题写过一篇论文”。印象中,这位老人是“很本分、很深刻的一位物理学家 ”,虽说那时已经退休,但每隔一天去办公室,参加几乎所有理论组的学术报告。
上世纪50年代末超导研究正酣,库柏等人提出
超导体中有
库柏电子对,南部则想到用场论来解释超导体的
对称性自发破缺,1960年更是创造性地把这条原理应用到量子力学,这是一个非常漂亮的举措,对自发性对称破缺的深入研究带来了
希格斯机制:在
标准模型中,所有
基本粒子的质量都来源于
电弱统一理论中的规范对称性自发破缺,此即标准模型对质量起源问题的直接回答。
倘若9月10日开机的
LHC(很不幸它启动一个星期就开始了大修)能于不久的将来撞出
希格斯粒子的话,就可以对此进行一番验证了。
这一评价对于其他两位获奖者同样适用。64岁的
小林诚是日本高能源加速器研究机构(
KEK)的
名誉教授,68岁的
益川敏英是
京都大学名誉教授,担任过汤川
理论物理研究所(YITP)所长。他们获奖的理由是“发现对称破缺的起源,预测自然界存在第三族
夸克”。
“小林-益川理论”对宇宙中只见正物质不见反物质的解释是,
夸克的反应衰变速率不同,并在30多年前就作出过宇宙中存在6种夸克的预言,而当时被发现的夸克只不过3种而已。之后同行根据他们的预言不断努力,1974年
粲夸克被发现,1977年底夸克被发现,1995年
顶夸克也终在
费米实验室的Tevatron加速器上被找到了……这些实验成果毫无疑问说明了两人是多么有洞察力。