2008-10-15 16:44:52 来源:南方周末
对称性破缺让我们存在_编辑精选多数人并不知道我们这个宇宙的存在其实十分偶然和幸运。宇宙每产生100亿个反物质粒子的同时，就有一个额外物质粒子的偏离，正是这样的偏离导致的对称性破缺，才使得我们今天的宇宙得以存活
观测表明，我们这个宇宙是物质为主的，这就产生了一个问题：为什么宇宙中的反物质远少于物质？对于这个问题，目前还没有完整的答案，但对称性破缺是解决问题的关键之一。
诺贝尔奖官方网站的在线投票结果显示，有58%的人不知道宇宙存在的原因是“对称性破缺”。
10月7日，2008年诺贝尔物理学奖揭晓，美国和日本的三名科学家因为在“对称性破缺”研究中做出的贡献而获奖。美国芝加哥大学恩里科·费米研究所的南部阳一郎 (Yoichiro Nambu)由于“发现亚原子物理中的对称性自发破缺机制”而获得一半奖金，日本高能加速器研究组织的小林诚(Makoto Kobayashi)和日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英 (Toshihide Maskawa)则由于“发现破缺对称性的起源并预言自然界中至少存在三代夸克”而分享了另一半奖金。
尽管“对称性破缺”听起来有点陌生，但“对称”却是人们所熟知的现象。一片雪花具有对称的结构，而且从镜子里看去和在镜子外看上去并没有什么区别。类似的现象在粒子物理学中叫做“镜像对称”。
此外还有两种对称，分别是“电荷对称”和“时间对称”，前者指的是粒子和反粒子虽然带电情况相反，性质却相同。如果有一个小球在一个密闭的容器里弹来弹去，旁边有一个摄影师把它录下来，然后不管录像带是正着放还是倒着放，不告诉你的话你从画面上是区别不出来两种放法的，这就是“时间对称”。当然，这个概念针对的是微观世界中粒子的性质。
英美籍日裔科学家南部阳一郎
质量起源问题
当物理学家考察微观世界的时候，他们发现很多时候，这些对称性都是破缺的。这有点出乎他们的意料。1960年前后，南部阳一郎开始研究对称性破缺，并提出了亚原子物理中的对称性自发破缺。
他提出的这一机制可能会解答一个令人迷惑的问题：物质的质量从何而来？在粒子物理学的“标准模型”中，组成我们这个世界的所有的基本粒子以及自然界中四种基本力中的三种都被纳入了同一套理论，但标准模型无法回答物质的质量是从哪里来的。而且，奇怪的是，为什么粒子与粒子之间的质量差别还会非常巨大？有的粒子很重，而光子却没有质量。
英国物理学家希格斯在南部阳一郎之后提出了一种解释，现在被寄予厚望。瑞典皇家科学院在一份解释名为“揭示自然界隐藏的对称”的材料中打了一个形象的比方。如果把一支铅笔笔尖朝下竖立在圆桌中心，那么，铅笔和圆桌沿铅笔的中轴在各个方向上都是对称的。但这样状态的铅笔是不稳定的，它一旦倒下，这种对称性就丧失了。不过，这样一来，这支铅笔的状态就稳定了——它没有办法再向哪里倒了，它已经达到了能量最低的状态。
在宇宙诞生的时刻，希格斯提出的理论中的“希格斯场”是完美对称的（就像那支竖立的铅笔），所有的粒子都没有质量。但希格斯场是不稳定的，它在宇宙早期的时候失去能量了，这些能量被粒子们接收，哪种粒子接受到的能量多哪种粒子就重一些。“希格斯场”理论预言了希格斯玻色子的存在，也就是不久前启动的大型强子对撞机（LHC）要寻找的目标之一。“我希望在LHC看到希格斯玻色子之后，南部能够和希格斯一起获奖。”中国科学技术大学交叉学科理论研究中心教授李淼在诺贝尔奖揭晓前曾这样猜测今年的物理奖。结果表明，南部捷足先登了。
不过，李淼的预测还是相当准确，他一共提到了七名物理学家（其中说霍金此生无望），此次获奖的三名都在其中。
日本科学家益川敏
宇宙存在的原因
有的物理学家则完全没有料到今年的物理奖会颁给对称性破缺领域。“我还以为以前就颁过了呢。”一名中国的物理学家说。从历届的诺贝尔奖来看，除了今年，已经有四次都颁给了对称性破缺领域，这的确容易给人造成迷惑。美国《物理世界》杂志在奖项揭晓前预测了七组科学家，无一命中。“此次获奖者所做的工作与前四次还是很不同的。”李淼说，“实际上，其他两位和南部的工作也很不同，我不知道为什么会把他们放在一起。”
最早在对称性破缺领域获得诺贝尔物理奖的是华人科学家李政道和杨振宁。他们发现镜面对称在四种基本力之一的弱相互作用中是破缺的，由此获得1957年的诺贝尔奖。他们的发现让物理学家思考是否会有更多未被发现的破缺。
如果说南部阳一郎可能帮助解释了物质为何有质量的话，那么小林诚和益川敏英的工作则可能解释了我们为什么至今还存在。物理学理论显示，宇宙创生之时，等量的物质和反物质应被制造出来，二者相遇便会湮灭，化为能量。但果真如此的话，我们所看到的星系、恒星，包括我们自身便都不会存在了。我们的存在说明宇宙早期物质和反物质的对称被打破了，宇宙中的物质多于反物质。
小林诚和益川敏英在1973年发表论文提出了“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。正是对称性破缺造成的细微差别让物质在宇宙中占了上风。他们还预言了存在6种夸克，这些夸克在之后的二十多年里陆续被证实。2002年，其他的物理试验也明确证实了“小林－益川理论”。
现在物理学家相信，宇宙每产生100亿个反物质粒子的同时，就有一个额外物质粒子的偏离，正是这样的偏离导致的对称性破缺才使得我们今天的宇宙得以存活。
物理学家曾经认为，如果有一个反物质组成的外星人来到人类面前，我们是无从判断它是由物质还是反物质组成的，因为“电荷对称”。但1964年美国物理学家克罗宁和菲奇发现有一种粒子不遵守电荷对称（他们于1980年获得诺贝尔物理学奖），因此反物质的外星人还是有可能被发现其组成的。不然的话，我们在与外星人握手之前，永远都不会知道这一握是否会导致双方湮灭。
日本科学家小林诚
一件事吃一辈子
今年的三名获奖者中，年龄最大的是南部阳一郎，87岁。小林诚和益川敏英分别为64岁和68岁。据报道，益川敏英在获奖后的记者会上分析，“诺贝尔奖的评选有一定的规律，直到去年我都认为自己绝对不会获奖，而今年却有一定程度的预感”。不过，最令他高兴的是他们的理论被试验证实，而诺贝尔奖只不过是“世俗的东西”。另外，益川敏英还说“小林－益川理论”是他1972年一天洗澡时灵光一闪的产物。“小林诚和益川敏英除了这个工作之外，似乎没有什么很好的工作可说，他们是所谓一件事吃一辈子的那种人。”李淼评价说。“希格斯也是一件事吃一辈子的人。看来，一个人最要做的事是与众不同的事，而不是一辈子做很多很多事。”他补充道。
标准模型预言了62种基本粒子的存在，现在唯有希格斯玻色子尚未被发现。已于今年9月10日启动的大型强子对撞机正试图找到这种粒子。诺贝尔奖也许在不远的未来等待着希格斯，而物理学家们也要开始回答下一个问题了：为什么我们的世界会是由物质组成的，而非反物质？
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