卢昌海：从对称性破缺到物质的起源

从对称性破缺到物质的起源


来源：《科学画报》08年11月号 2008-12-1 9:00:00 【文章字体：大 中 小】


文：卢昌海
2008年10月7日，瑞典皇家科学院宣布了2008年诺贝尔物理学奖的得主，他们分别是美籍日裔物理学家南部阳一郎和物理学家小林诚、益川敏英。物理学家们曾经认为，微观世界的对称性十分严格，但这三位物理学家的研究却与对称性的破缺有关。
从对称性自发破缺到质量的起源
既然这三位物理学家的工作都与对称性的破缺有关，那什么是对称性呢？对称性是一种广泛存在于自然界中的对象，例如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它的全部。对称性所具有的这种化繁为简的特点，使它成为物理学家们所倚重的概念。
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，却发现很多被认是严格的对称性其实是破缺的。大自然如同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，那么它是如何破缺的呢？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的概念，并在时隔48年之后由于这一工作获得了诺贝尔物理学奖。
我们知道，倘若把一根筷子竖立在一张水平圆桌的中心，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，指的就是这种被基态所破坏的现象。
对称性破缺为什么重要呢？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4年，英国物理学家希格斯等人发现，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德尔最重要的机制之一。
如果说艺术家们通过在对称图案上添加一些不对称元素，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。南部阳一郎等科学家的工作，使我们对这一切有了一种全新的认识。
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和杨振宁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。他们的这一发现，使人们对其他一些对称性也产生了怀疑：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，电荷-宇称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。但是，与宇称对称性的破缺不同，电荷-宇称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，如何解释电荷-宇称对称性的破缺成为一个悬案。
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的基本粒子。当时人们已经知道，夸克在弱作用中会以彼此混合的方式参与。初看起来，这跟电荷-宇称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电荷-宇称对称性的破缺。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，他们的工作不仅为电荷-宇称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，也在过去的三十多年里得到了很好的实验验证。
那么，电荷-宇称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，它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。但是，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，电荷-宇称对称性的破缺正是解决问题的关键环节之一。因为电荷-宇称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，都是电荷-宇称对称性的细微破缺留下的遗迹。
既然谈到反物质，我们一起来看看人类在制备反物质方面所作的努力。我们知道，物质与反物质可以相互湮灭，并转化为能量。这种转化过程远比人类目前使用的任何能源都更高效，因此它不仅是科幻故事的素材，也是一些科学家研究的对象。不过，为了让正反物质的湮灭能够产生具有实用意义的能量，首先必须制备一定数量的反物质，可惜人类在这方面的工作进行得异常艰难。早在1956年，物理学家们就已发现了电子、质子、中子这三种物质基本组元的反粒子，但直到39年后的1995年，才有人制备出了9个反氢原子，而且它们只存在了一亿分之四秒就在与物质的“亲密接触”中灰飞烟灭了。它们所释放的能量还不到实验室里一盏普通电灯1秒钟所消耗电能的一百亿分之一。因此，目前人类距离利用反物质能源的时代还很遥远，但这方面的努力仍将继续。
在结束本文之前，让我们来展望一下奇异的未来。假定有一天，人类与遥远的外星文明取得了通信联络，大家言谈甚欢后，决定见面拥抱（有点像地球上的网恋）。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，假如相同那就可行。然而，这其实是行不通的，因为双方对电子正负i的定义有可能恰好相反。事实上，假如电荷-宇称对称性是严格的，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，在这个电荷-宇称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。



文章来源：《科学画报》08年11月号