对称性破缺的胜利!!!.docVIP

对称性破缺的胜利 虽然对称与守恒是现代物理学的核心，但物理学依然执迷于对称中的“破缺”。 2008年10月，诺贝尔奖委员会第三次将物理学奖授予在对称性破缺领域作出杰出贡献的科学家。因发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制，日裔美籍科学家南部阳一郎将获得一半的奖金；另外两位日本科学家小林诚、益川敏英则因发现对称性破缺的起源，共同分享另一半的奖金。 在140亿前的宇宙大爆炸之初，所产生的正物质和反物质的数量是相同的，二者相遇会湮灭，同时释放出能量，如果果真如此，那么世界将空无一物，我们也不会存在。但宇宙幸存下来了，因为这里面出现了微小的偏差，每100万个反物质粒子中，就会多出一个正物质粒子，正物质因此战胜反物质，宇宙因此充满了星系、太阳、恒星和行星，还有每天的生活，物质世界得以诞生。（图片来自诺贝尔奖官方网站） 现代物理理论认为，宇宙爆炸时应产生同等数量的正物质与反物质，二者相遇会湮灭，如果真是这样，那么世界将一无所有，人类也不会存在。但事实并非如此，在那场开天辟地的大爆炸中，正物质终于战胜反物质，世界得以幸存。物理学家们说，对称性破缺是隐藏在其中的关键原因。 最早对宇宙对称性提出挑战的是两位华人物理学家。1956年，理论物理学家李政道和杨振宁提出，在弱相互作用下宇称不守恒，两人因此分享了1957年的诺贝尔物理学奖；1964年，美国科学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在实验中发现了K介子衰变过程打破了宇称和电荷的联合对称，他们因此获得1980年诺贝尔物理学奖。 目前，仍然还有在爆炸之初产生的同类对称性破缺没有得到解释。2008年度获诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的理论为这些问题的解释提供了重要线索，他们将人类探索物质世界起源的旅程带到了最后一步，这一步也许就在眼前，但也可能远在天边。 对称中的破缺 许多年来，物理学家们一直在寻找隐藏在纷繁表象下的自然法则。他们认为，自然法则应该是完美对称和唯一的，这在绝大多数情况下是行得通的。 从麦克斯韦的电磁学方程到爱因斯坦的质能守恒定律，物理学中的对称性不仅仅只具备审美意义，它们能简化许多复杂的计算，并在用数学公式描述宏观世界中起着决定性的重要作用。一个更为重要的事实是，对称性所包括的守恒定律也适用于宏观世界的许多情况，比如，能量不会在基本粒子间的碰撞中消失；也就是说，碰撞前后的能量是相同的，这就是对称。 粒子物理学的基本理论描述了三种类型的对称：镜像对称、电荷对称和时间对称。镜像对称是像与物相对于镜面对称，即像和物的关系为等大、正立；电荷对称是指除了所带电荷相反外，正反粒子的所有性质完全一致；时间对称则是指微观层面上，无论时间向前还是逆转，物理事件具有同等的独立性。 但也有对称性解释不了的现象。 20世纪中期，对称性破缺首先出现在对物质本质的研究中。这时的物理学家们有一个伟大的梦想：将组成物质的所有基本粒子和控制这些粒子的全部力量统一到一个理论中。他们提出了标准模型，但这个模型有一个缺陷：它没有描述到重力；而且，如果这个模型中所有的力量完美对称，那么质量将不会存在，但这不是事实。 1956年，34岁的杨振宁和30岁的李政道合作，第一次提出了宇称不守恒理论，两人于1957年获诺贝尔物理学奖（图片来自诺贝尔奖官方网站） 最先对宇宙的对称性提出质疑的是两位理论物理学家。1956年，当李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒的理论时，几个月后，华人物理学家吴健雄等通过实验证明了这个理论，世界为之震惊。一年后，两人即获得诺贝尔物理学奖，颁奖词写道：他们对所谓的宇称不守恒的深刻研究导致了基本粒子中的重要发现。 然而，当时物理学界还是认为，宇称和电荷的对称不可能同时被打破。1964年，一种新的破缺出现在一种陌生粒子的衰变中，美国科学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在这个实验中观察到了宇称和电荷对称都被打破了，说明自发性破缺早在宇宙形成之初就已经存在，物理学家彻底被震撼，他们无法解释这种现象。 日本理论物理学家小林诚和益川益川敏英（图片来自诺贝尔奖官方网站） 这种状况在1972年得到了解释。当时，名古屋大学28岁的小林诚博士和32岁的益川敏英合作，提出“小林—益川理论”，在标准模型的框架内解释了对宇称和电荷破缺现象，但需要将夸克的数量增加到6种，因此还应该有3种新夸克，他们认为，造成宇宙中正粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同。 这一大胆预言得到了精确求证。1974年，粲夸克被发现；1977年，底夸克被发现；1994年，顶夸克被发现。2001年，位于美国斯坦福的线性加速器中心和日本高能加速器机构的两个巨型粒子探测器独立证实这种对称性破缺，完全证明了30年前提出的“小林—益川理论”，也就是对称性破