从对称性破缺到物质的起源 - 2008 年诺贝尔物理学奖获奖成果简介 - - 卢昌海 - 本文是应《科学画报》杂志约稿而写的科普短文。 本站版本在若干学术术语、 人名及获奖原因后面加注了英文， 并包含了一些注释。

2008 年 10 月 7 日， 瑞典皇家科学院 (The Royal Swedish Academy of Sciences) 宣布了 2008 年诺贝尔物理学奖的得主。 美籍日裔物理学家南部阳一郎 (Yoichiro Nambu) 由于 “发现了亚原子物理中的对称性自发破缺机制” ("for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics") 而获得了一半奖金； 日本物理学家小林诚 (Makoto Kobayashi) 和益川敏英 (Toshihide Maskawa) 则由于 “发现了预言自然界中至少存在三代夸克的破缺对称性的起源” ("for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature") 而分享了另一半奖金。 在本文中， 我们将对这三位物理学家的工作及这些工作的意义作一个简单介绍。

一. 从对称性自发破缺到质量的起源 由于这三位物理学家的工作都与对称性的破缺有关， 我们不妨便从对称性开始谈起。 对称性是一种广泛存在于自然界中的现象。 比方说， 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其余的部分。 比如对于雪花， 我们只要知道它的六分之一， 就可以通过对称性推知它的全部。 对称性所具有这种化繁为简的特点， 使它成为物理学家们倚重的概念。 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， 微观世界的对称性要严格得多。 可是， 当他们深入到微观世界 - 尤其是亚原子世界 - 里时， 却发现很多曾被认为是严格的对称性其实是破缺的。 大自然仿佛就象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， 那么一个很自然的问题就是： 它是如何破缺的？ 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 (spontaneous symmetry breaking) 的概念[注一]， 并在时隔四十八年之后由于这一工作获得了诺贝尔物理学奖。 那么到底什么是对称性自发破缺呢？ 我们可以通过一个简单的例子来说明： 我们知道， 倘若把一根筷子竖立在一张水平园桌的中心， 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， 指的就是这种对称性被基态所破坏的现象。 对称性自发破缺为什么重要呢？ 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。 但更重要的则是， 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四年， 英国物理学家希格斯 (P. Higgs) 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的最重要的机制之一[注二]。 如果说， 艺术家们通过在对称图案上添加一些不对称的元素， 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。 南部阳一郎等人的工作， 使我们对这一切有了一种全新的认识。

注释 1、南部阳一郎所考察超导理论是 J. Bardeen、 L. Cooper 及 R. Schrieffer 提出的 BCS 理论 (1956 年)。 对称性自发破缺在凝聚态物理中的出现可以远溯至 W. Heisenberg 的铁磁模型 (1928 年)， 南部阳一郎是最早将之引进到量子场论中的物理学家。 比他稍晚， J. Goldstone 也提出了类似的想法。 2、这里所说的 “可以描述现实世界的理论” 是指规范理论。 Higgs 等人提出的这一机制被称为 Higgs 机制 (Higgs mechanism)， 它是粒子物理标准模型的重要组成部分。 当然， 质量起源问题迄今仍是一个未解决的问题， 对这方面更详细的介绍可参阅本人作品 质量的起源。 在这里， 我顺便提醒读者， 本文介绍的成果是标准模型的一部分， 因此本文的很多论述都只适用于标准模型这一框架， 在后文中我将不再一一指明其适用范围。 3、严格地讲， 粒子物理中的宇称变换是左右 (或镜面) 反射与一个旋转变换的叠加。 由于旋转对称性在粒子物理中是严格成立的， 因此人们常常把宇称对称性等同于左右 (或镜面) 对称性。 4、CP 对称性是电荷宇称联合对称性， 其中的 “CP” 是电荷共轭 (Charge conjugation) 与宇称 (Parity) 的首字母缩写组合。 电荷共轭对称性通常也叫做正反粒子对称性。 5、夸克以彼此混合的方式参与弱相互作用的设想， 可以回溯到 1963 年意大利物理学家 N. Cabibbo 的工作。 不过当时夸克模型尚未问世， Cabibbo 提出的其实是流 (current) 的混合。 1964 年， 夸克模型问世后， M. Gell-Mann 和 M. Lévy 立刻将 Cabibbo 的工作转译成了夸克语言 (Gell-Mann 和 Lévy 对 Cabibbo 的工作相当熟悉， 因为后者曾受到他们几年前的一些工作的影响)。 Cabibbo 的设想可以很好地解释某些实验， 但却与另一些实验相矛盾 (比如它所预言的 K0→μ+μ- 的衰变几率远大于实验值)。 这些问题直到 1970 年才被 S. Glashow、 J. Iliopoulos 和 L. Maiani 通过引进第四种夸克 (即 c 夸克) 所解决， 他们的解决方案被称为 GIM 机制 (GIM mechanism)。 Cabibbo 的理论虽有缺陷， 但他是这一领域的先驱者， 他与今年的诺贝尔物理学奖失之交臂， 与 Goldstone 一样， 有点令人惋惜。 6、需要提醒读者注意的是， 虽然今年获奖的三位物理学家的工作都与对称性破缺有关， 但它们所涉及的对称性破缺的方式是完全不同的。 南部阳一郎提出的是对称性的自发破缺， 而小林诚与益川敏英的工作所涉及的则是对称性的明显破缺。 7、CP 对称性的破缺只是解释正反物质不对称的几个必要条件之一， 这方面更多的内容可参阅本人作品 反物质浅谈 (下)。 8、这里所说的中性粒子是长寿命中性 K 介子 K0L， 所涉及的衰变模式则是 K0L→e+π-ν 与 K0L→e-π+ν。 另外， 这里讨论的是一个完全假想的局面， 事实上， 双方若果真想要搞明白对方的组成， 只要各自提供一个自己世界里的电子， 看彼此是否会湮灭就可以了。 二零零八年十月十一日写于纽约 http://www.changhai.org/