對稱還是不對稱

黃　濤

2008年10月7日瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布將2008年度諾貝爾物理學獎授予美國科學家南部陽一郎和兩位日本科學家小林誠、益川敏英。南部陽一郎因為發現亞原子物理的對稱性自發破缺機制而獲獎，日本科學家小林誠、益川敏英因發現對稱性破缺的來源并預言了自然界至少存在三代夸克獲此殊榮。

這兩個互相關聯的成就的重要意義是什么?什么是物理學中對稱性?什么是對稱性破缺和自發破缺?這兩個重大發現對物理學發展有什么樣的深遠影響?

對稱性和對稱性破缺是自然界中的基本規律

對稱性存在于自然界許多客觀物體的幾何形狀之中，例如物體和鏡中的像物體有鏡像對稱性，一個球形物體對它的軸有轉動對稱性等。從物理上講，在不同時間不同地點做同樣一個物理實驗其結果是相同的，不會因為在中國和美國做出不同物理規律的結果。這意味著對一個物理系統時空坐標原點的選取和坐標軸方向的選取都不影響客觀的物理規律，或者說時間一空間是均勻對稱和各向同性的。這就決定了微觀世界中基本粒子特性和它們之間的相互作用規律存在各種對稱性質。

物理系統的對稱性是和物理量的守恒律緊密相關的。例如時間－空間的各向同性意味著物理系統在時間一空間平移變換和轉動變換下是不變的，這相應于能量一動量守恒律和角動量守恒律，其守恒量是能量、動量、角動量。與空間坐標反射對稱性相關的是宇稱守恒律，其守恒量是宇稱(以p標記)。在微觀物理研究領域，每個粒子都存在著一個反粒子，例如電子的反粒子是正電子，質子的反粒子是反質子。粒子與反粒子的質量相同但守恒量子數相反，兩者相遇會發生劇烈的湮滅反應生成能量量子。與正、反粒子對稱性相關的是電荷共軛守恒量(以C標記)。與時間反演對稱性相關的守恒量是時間反演宇稱(以T標記)。由物理學普遍原理知微觀世界遵從空間反射、時間反演、電荷共軛三者聯合變換下是不變的，即所謂的CPT定理。

1956年，李政道、楊振寧首先提出宇稱(左右)對稱性在弱相互作用下是破缺的，即宇稱不守恒規律。這就打破了人們在歷史上一貫認為的運動中對稱性守恒是基本規律的傳統觀念。1964年克隆寧和費希等從K介子系統實驗中又發現宇稱和電荷共軛聯合(CP)也是破缺的。人們逐漸認識到對稱性和對稱性破缺是自然界中的基本規律。

CP對稱性破缺起源于存在第三代夸克

大家知道，物質結構的研究已從早先的原子層次深入到夸克和輕子這一新層次。20世紀60年代初人們從加速器實驗中發現了100多種基本粒子，于是產生了高能物理學(或粒子物理學)。這些基本粒子可以分為兩類：一類是參與強相互作用的粒子，如質子、中子、π介子、奇異粒子和～系列的共振態粒子等，統稱為強子；另一類是不參與強相互怍用，只參與電磁、弱相互作用拘粒子，如電子、μ子和中微子等，統稱為輕子。高能物理實驗又進一步揭示上百種強子并不‘基本”，是有內部結構的。質子、中子、π介子等強子是由更小的夸克組成的，夸克被看成是物質結構的新層次，并提出了夸克模型理論。這些強子是由三種更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇異夸克s)組成的。20世紀60年代大量的實驗證實了這三種夸克的存在。1974年，丁肇中和里克特發現了第四種夸克——粲夸克c，1977年發現了底夸克b，1995年發現了頂夸克t。因此，這6種夸克就是構成所有數百種強子的“基本”單元。同時輕子的發現也達到了6種(電子e、電子型中微子v_e。μ子、μ型中微子v_μ、τ輕子、τ型中微子v_τ)。因此夸克和輕子就是目前階段我們所認識的物質結構的新層次，人們稱上夸克u、下夸克d為第一代夸克，粲夸克c、奇異夸克s為第二代夸克，頂夸克t、底夸克b為第三代夸克。

夸克、輕子通過電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用和引力相互作用等運動規律就構成了自然界萬物奧妙無窮、千變萬化的物理現象。傳遞電磁相互作用的媒介子是光子(γ)，傳遞弱相互作用的是荷電中間玻色子(w＋，W-)和中性中間玻色子，傳遞強相互作用的是8種膠子(g)。

早在底夸克b發現之前五年，1973年小林和益川在日本學術刊物《理論物理進展》發文指出：如果自然界中還存在(至少)第三代夸克(頂夸克t和底夸克b)，微觀粒子系統中的CP破壞見象就可以得到解釋。從而預言了底夸克b和頂夸克t的存在并為實驗所證實。他們還認識到B介子(包含b夸克的介子)有可能是研究CP對稱性破壞的最理想的場所。90年代末美國和日本花巨資建造了B介子工廠就是為了尋找在B介子中CP不守恒現象。此后幾年來兩個B介子工廠拘實驗(美國的BaBar和日本的Belle)證實了他們提出的CKM矩振(KM是Kobayashi-Maskawa的縮寫，c是意大利科學家NicolaCab ibbo的代稱)。迄今為止CP破壞現象是在K介子和B介子中發現的，人們也可以問，除了夸克系統外，在輕子系統是否也存在CP不守恒的現象?自發對稱性破缺和它的重要性

1967年，溫伯格和薩拉姆提出了電磁相互作用和弱相互作用統一理論，并預言了弱中性流的存在以及傳遞弱相互作用的中間玻色子的質量，格拉肖、溫伯格和薩拉姆獲1979年諾貝爾物理學獎。1983年1月和6月分別發現了帶電的和中性的中間玻色子，實驗上測到的中間玻色子的質量與理論預言驚人地一致。這一發現證實了弱電統一理論的成功，其意義可以與將麥克斯韋電學和磁學統一理論的驗證相比擬。弱電統一理論與1973年提出的描述夸克之間強相互作用的量子色動力學理論合在一起統稱為高能物理(或粒子物理)中的標準模型理論。20世紀70年代到20世紀末，大量的高能物理實驗證實了粒子物理中標準模型理論的成功，這一理論已經受到了實驗檢驗并正在繼續發展。標準模型理論是近半個世紀以來探索物質結構研究的結晶，是本世紀探索微觀世界規律的極重要的成就。可以相信，標準模型理論的發展必將導致深層次動力學規律的發現和建立。

弱電統一模型理論成功的一個關鍵點是引入真空對稱性自發破缺機制。在弱電統一理論模型中，電磁相互作用和弱相互作用分別通過光子和中間玻色子等媒介子傳遞，它們可以用一種統一的量子規范場來描述，這一規范場與相互作用的夸克和輕子遵從規范不變的內部對稱性。然而精確的規范不變性要求光子和中間玻色子是無質量的，這一點僅對傳遞電磁相互作用的光子是正確的。引入真空對稱性自發破缺機

制使得中間玻色子獲得質量，并預言了質量值的大小。實驗找到了它們。此項成果獲得了1984年諾貝爾物理學獎。

對稱性自發破缺機制最早是1960年南部陽一郎將鐵磁系統和超導體中對稱性破缺引入到微觀粒子系統提出的。量子場論是描述微觀粒子系統的基本理論體系，量子場系統的能量最低狀態就是真空態，這個基態的能量、動量為零。粒子是真空激發的量子，所以粒子的性質必然與真空的本質密切相關。真空的性質和各種粒子的運動規律由量子場論體系中基本原理給出的相互作用形式確定。因此，自然界的真空不是一無所有的虛無，而是充滿物質場相互作用的最低能量態。真空性質的復雜性及其物理后果都充分表明了真空不空，它對物理學發展產生了深刻的影響。南部的對稱性自發破缺理論就是基于對真空的認識提出的。

對稱性破缺還有另一種形式就是自發破缺。1960年南部首先認識到在某種相互作用形式下真空態可能不是唯一的，存在多個最低能量態，此時可能發生真空對稱性自發破缺。這時真空的對稱性小于相互作用的對稱性。舉個例子講，一枝鉛筆立在一個圓盤的中央，它對所有方向都是相同的或者說是對稱的，然而不穩定立著的鉛筆一定會倒下，倒下后僅一個方向被選定，不再具有這種對稱性，或者說對稱性存在于鉛筆倒下之前。

按照戈德斯通定理，當連續對稱性產生自發破缺時，系統中一定會出現零質量的戈德斯通粒子。戈德斯通粒子的數目取決于相互作用對稱性的大小(G)和物理真空保留對稱性大小(H)之差。弱電統一理論中弱相互作用和電磁相互作用具有共同的非阿貝爾規范群對稱性，規范場介子的質量為零。當選取了某一特定物理真空后，對稱性產生自發破缺，系統中出現的零質量戈德斯通粒子變成了規范介子的縱向自由度，使原來沒有質量的規范介子獲得了很重的靜止質量，使統一的電弱相互作用分解為性質截然不同的電磁相互作用和弱相互作用兩部分。這就是黑格斯機制，從而精確地預言了前面提到拘中間玻色子質量，還保持了理論的規范不變性和可重整性。弱電統一理論在精確預言了中間玻色子質量的同時，也預言了一種中性標量粒子，稱為黑格斯粒子的存在，但理論上無法預言它的質量。自弱電統_模型提出以后，人們一直在尋找它，從幾個MeV一直找到幾十個GeV都沒有發現它，每一臺新加速器建成以后都企圖發現它，然而就是找不到，在目前加速器能量極限下只能給出黑格斯粒子的下限是114GeV。這就成為近20年來粒子物理中的一個令人不解的謎——黑格斯粒子在哪里?如果黑格斯粒子不存在，那么對稱性破缺的機制是什么?在西歐中心正在建造的大型強子對撞機(LHC)，以幾十億美元、歷時十多年的投資，其物理目標之一就是要回答對稱性破缺的本質這一難題。

宇宙演化中對稱性和對稱性破缺

對稱性自發破缺和CP對稱性破缺還具有更深遠的科學意義，它提供了解釋宇宙起源和今日宇宙的存在。大約140億年前我們的宇宙從大爆炸開始，宇宙大爆炸理論預言了早期宇宙很可能處于高度對稱狀態，經過冷印和相變才變成今日之世界，這就相應于一系列的對稱性自發玻缺過程。大爆炸開始是在普朗克能量尺度，溫度在10¹⁹GeV(時間相當于10^-44秒)，這時宇宙中引力、強、弱、電四種相互作用是統一的。然后冷卻能量尺度降至1015GeV(時間相當于10－35秒)、10¹⁴GeV(時間相當于10^-33秒)，強、弱、電三種相互作用乃是統一的，有可能是粒子物理中超對稱大統一理論所描述，夸克、膠子處于等離子體狀態。當盛度降至10²GeV時，真空選取一寺定方向，弱電對稱性自發破缺茂為兩種差別很大的相互作用。顯度繼續下降到1Gev(時間相當于10^-6秒)，夸克在強相互作，用下形成強子，由量子色動力學描述。當溫度下降到O.1Gev(時間相當于10²秒)，輕原子核形成，由核合成理論描述。這就是宇宙最初三分鐘形成物質世界的圖像。而后是中性原子的形成(溫度降到leV，時間相當于10¹²秒)，星系形成直至當今的萬千世界。

早期宇宙處于高度對稱狀態，粒子數和反粒子數相等，粒子與反粒子兩者相遇會發生劇烈的湮滅反應生成能量輻射，因而就不會有今日之宇宙。然而人們至今在浩瀚的宇宙空間還沒有找到反物質，自然界萬物都是正物質構成的。宇宙學研究表明，宇宙在早期經歷了一個暴漲階段，物質在暴漲后的再加熱過程中產生，隨著宇宙的冷卻，湮滅反應不再可逆，所有的反重子全部湮滅，出超的百億分之一的重子被殘留下來，湮滅生成的大量輻射冷卻后成為宇宙微波背景，殘留重子在暗物質和引力塌縮的作用下凝聚為星系和恒星。所以物質與反物質的不對稱也必然是宇宙演化的結果。近年來，由于中微子振蕩實驗結果肯定中微子有質量，這樣輕子數本來就可能不守恒，由輕子數非對稱轉化為重子數非對稱，是比較自然發生的機制。但最終答案有待進一步探討。因此，粒子物理學對物質結構的探索，從低能量加速器到高能量加速器以及理論上追求不同能量標度的大統一理論，正是與宇宙演化過程相一致的，粒子物理與宇宙學的交叉也是必然的。因此揭示自然界中對稱性和對稱性破缺的本質仍是探求微觀物質結構和宇宙起源的基本難題。

(責任編輯蒲暉)