本报特约撰稿池晴佳

　　当地时间10月7日12时17分，瑞典皇家科学院宣布了今年诺贝尔物理学奖的结果，3名科学家因为在粒子物理 领域的贡献而获奖：美籍日裔科学家南部阳一郎，因在亚原子物理学中发现对称破缺机制而获奖；另两名日本科学家小林诚和 益川敏英则因发现破缺对称性的起源，并预测出至少还有3种夸克家族的存在而获殊荣。美国《对称性》杂志网站和美国能源 部布鲁克·海文国家实验室网站刊文，对今年的诺贝尔物理学奖进行了解读。

　　“万能公理”先被华人打破

　　对称破缺、夸克、亚原子世界，今年的诺贝尔物理学奖，让人领略了微观物理的高深莫测。从该奖介绍得知，3位科 学家的贡献涉及“失去对称后的世界”。1957年华裔科学家杨振宁、李政道荣获诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒”发现， 就与此相关。“宇称”指经过空间平移或旋转后，物理系统不发生变化。杨、李二人的发现说明在微观物理的弱相互作用中， 系统的运动并不对称，即会发生对称破缺。那“对称破缺”是什么？它对物理学会产生什么影响？

　　3位粒子物理学家驰骋的高深领域，也不难用日常生活中的例子来说明。如果说对称性反映自然界的统一性，那“对 称破缺”就反映了其多样性。举例说，正方形沿其对角线是对称的，但如果在任何一边上加一个黑点，其对称性就遭到了破坏 ；在已经平衡的天平一端加上重物，天平马上失去平衡，这些都叫对称破缺。

　　在物理学家们看来，世界应该是对称的。我们身处的自然界，存在很多种对称性。很多人一提到对称就会想到物体在 几何结构上的对称，而物理意义上的对称则更广义，除了上面提到的宇称外，还有时间对称(T对称)、电荷对称(C对称) 。在时间对称里，物理系统不随时间平移而改变特性；在电荷对称里，拥有相反电荷的粒子拥有相同的性质。

　　毫不夸张地说，对称性是现有物理理论的“生命线”，小到粒子物理中的带电粒子自旋理论、粒子间的能量交换，大 到牛顿力学三大定理、行星绕恒星运转，再到贯穿整个物理学领域的能量守恒定理，都是基于先前的对称设想。科学界对这种 设想深信不疑，认为它是宇宙间普遍适用的“万能公理”，很少有人质疑过它是否合理。

　　首先挑战对称性的，是两个来自中国的年轻人，李政道和杨振宁。1956年，当时分别只有30岁和34岁的李政 道和杨振宁提出，在弱相互作用中宇称不守恒，他们的理论很快被另一位华裔女科学家吴健雄在实验中证实。

　　这时候物理学家们还是相信，宇称(P)与电荷对称(C)两者不是同时破坏的，所以从整体上看对称性还是完整的 。但是科学界的最后一个幻想不久也被击碎了。1964年，美国科学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·费奇在美国能源部(DOE) 所属的布鲁克·海文国家实验室的加速器上，发现电荷对称和宇称(CP)在中性K介子(一种质量约为质子重量一半的粒子 )衰变中被破坏，两人为此荣获1980年的诺贝尔物理学奖。

　　“对称破缺”撼动物理学

　　在50多年的时间里，这已经是诺贝尔物理学奖第三次颁给对称破缺这一领域了。物理学中原来存在非对称性！基于 对称性的现代物理学支柱——量子物理理论体系是否需要改写？一时间，物理学大厦的根基被动摇了。其中面临危机最严重的 ，是在粒子物理领域取得极大成功的标准模型。

　　物理学家将自然界中的力分为4种：强力、弱力、电磁力及引力，其中前3种都是近程力，只有引力是远程力。标准 模型是一套描述强力、弱力及电磁力这3种基本力，及组成所有物质的基本粒子的理论，它试图将3种近程力统一起来。标准 模型基本建立在3大对称性支撑的守恒律上，是现代物理学所依赖的基本理论工具之一。理论物理学家共用它解释或预言了62 种基本粒子，除至今还未现形的“上帝粒子”希格斯玻色子(本版9月19日曾报道)外，其他61种粒子都与该模型的理论 框架完全一致。

　　为了挽救标准模型，1964年希格斯玻色子的提出者、英国科学家彼德·希格斯提出了自发破缺的希格斯机制，很 好地将对称破缺现象融入了标准模型。而这种自发破缺的设想，就是由美国芝加哥大学恩里科·费米研究所的南部阳一郎，于 1960年首次引入量子场论。南部阳一郎将超导现象中的对称破缺，引入了粒子物理，提出了南部-戈德斯通定理。该定理 目前已成为量子物理的基本定理之一。

　　瑞典皇家科学院7日发布的诺贝尔奖介绍材料中，用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺：一支笔尖朝上直 立于水平面上旋转着的铅笔，可以被看成是完全对称的，任何方向对它来说都没有区别；但如果铅笔速度逐渐减慢并最终倒在 水平面上，它的对称性就被“打破”了，但此时它的状态最为稳定。由此可见，失去对称并不可怕，它也可以是最稳定的。南 部阳一郎的开创性工作给物理学界吃了一颗定心丸。

　　但对称破缺是怎么出现的？南部阳一郎并没有给出答案，剩下的问题由他的两位同胞解决了。小林诚与益川敏英引入 了一种全新的夸克(粒子物理中组成中子、质子等的更基本粒子)相互作用机制，在当时只发现了3种夸克的情况下，预测自 然界应该至少存在6种夸克，CP破缺才可能发生。他们在1973年发表了相关论文，提出了粒子物理标准模型中著名的小 林-益川理论，预言夸克至少有3种还未发现，至今这篇论文的引用率接近5000次。

　　理论的最大威力在于预言被证实，在小林和益川提出存在6种夸克的时候，人们刚刚发现了3种夸克。1974年、 1977年人们分别在实验室中观察到了另外两种夸克，只有最后一种夸克至今还未被找到。2001年，日本和美国科学家 确认了由夸克构成的正反粒子发生的CP(电荷和宇称)破缺现象，从而证明了“小林-益川理论”。现在，该理论已得到全 球基本粒子物理学家的普遍认可。

　　“我们都是对称破缺的孩子”

　　3位科学家用极具洞察力的预见，成功地将科学界引入了对称破缺后物理学世界的“蛮荒之地”。然而目前人们还只 能在实验室观测到这种现象，人们还感觉不到非对称现象对宏观世界的影响。但见惯了各种对称现象的人们或许还不曾知道， 宇宙就是由非对称物质组成的。

　　目前物理学界关注的前沿热点之一就是宇宙起源问题。已被广为接受的宇宙大爆炸理论认为，宇宙起源于约140亿 年前一次大爆炸中。如果当时创造出的物质和反物质总量是相等的(即对称的)，那么它们应该已经相互湮灭了。但这并未发 生，对每100亿个反物质粒子而言，会有一个额外的物质粒子的微小偏离。似乎正是这一对称破缺，令我们的宇宙幸存下来 。但让这一切发生的精确机制仍然是个未解之谜。

　　物质与反物质的非对称现象，在现在的宇宙仍然存在。根据目前的宇宙模型，宇宙中可见物质只占宇宙质量的10％ ，剩下的90％则藏在“暗物质”(反物质的别称)中。据推算暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，是宇宙结构的主要组 成部分。因此，暗物质研究目前被认为是宇宙学中最具挑战性的课题。

　　目前非对称的概念已经被人们逐渐接受。“自然的法则应该是对称的，但是我们的宇宙并不完美，实际上正是因为对 称性的破缺，才有了我们的宇宙、星系、地球，还有我们。”诺贝尔物理奖评审委员会在评审公报中说，“我们都是对称性破 缺的孩子。”诺贝尔奖评审委员会成员、瑞典皇家理工学院基本粒子物理学教授佩尔·卡尔松也表示，“对称破缺导致了物质 世界”。