對稱還是不對稱

黃　濤

2008年10月7日瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布將2008年度諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家南部陽一郎和兩位日本科學(xué)家小林誠、益川敏英。南部陽一郎因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)亞原子物理的對稱性自發(fā)破缺機(jī)制而獲獎，日本科學(xué)家小林誠、益川敏英因發(fā)現(xiàn)對稱性破缺的來源并預(yù)言了自然界至少存在三代夸克獲此殊榮。

這兩個互相關(guān)聯(lián)的成就的重要意義是什么?什么是物理學(xué)中對稱性?什么是對稱性破缺和自發(fā)破缺?這兩個重大發(fā)現(xiàn)對物理學(xué)發(fā)展有什么樣的深遠(yuǎn)影響?

對稱性和對稱性破缺是自然界中的基本規(guī)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(zhuǎn)動對稱性等。從物理上講，在不同時間不同地點(diǎn)做同樣一個物理實(shí)驗(yàn)其結(jié)果是相同的，不會因?yàn)樵谥袊兔绹龀霾煌锢硪?guī)律的結(jié)果。這意味著對一個物理系統(tǒng)時空坐標(biāo)原點(diǎn)的選取和坐標(biāo)軸方向的選取都不影響客觀的物理規(guī)律，或者說時間一空間是均勻?qū)ΨQ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(guī)律存在各種對稱性質(zhì)。

物理系統(tǒng)的對稱性是和物理量的守恒律緊密相關(guān)的。例如時間－空間的各向同性意味著物理系統(tǒng)在時間一空間平移變換和轉(zhuǎn)動變換下是不變的，這相應(yīng)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(biāo)反射對稱性相關(guān)的是宇稱守恒律，其守恒量是宇稱(以p標(biāo)記)。在微觀物理研究領(lǐng)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(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。粒子與反粒子的質(zhì)量相同但守恒量子數(shù)相反，兩者相遇會發(fā)生劇烈的湮滅反應(yīng)生成能量量子。與正、反粒子對稱性相關(guān)的是電荷共軛守恒量(以C標(biāo)記)。與時間反演對稱性相關(guān)的守恒量是時間反演宇稱(以T標(biāo)記)。由物理學(xué)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(lián)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(guī)律。這就打破了人們在歷史上一貫認(rèn)為的運(yùn)動中對稱性守恒是基本規(guī)律的傳統(tǒng)觀念。1964年克隆寧和費(fèi)希等從K介子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)宇稱和電荷共軛聯(lián)合(CP)也是破缺的。人們逐漸認(rèn)識到對稱性和對稱性破缺是自然界中的基本規(guī)律。

CP對稱性破缺起源于存在第三代夸克

大家知道，物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jì)60年代初人們從加速器實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了100多種基本粒子，于是產(chǎn)生了高能物理學(xué)(或粒子物理學(xué))。這些基本粒子可以分為兩類：一類是參與強(qiáng)相互作用的粒子，如質(zhì)子、中子、π介子、奇異粒子和～系列的共振態(tài)粒子等，統(tǒng)稱為強(qiáng)子；另一類是不參與強(qiáng)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(tǒng)稱為輕子。高能物理實(shí)驗(yàn)又進(jìn)一步揭示上百種強(qiáng)子并不‘基本”，是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。質(zhì)子、中子、π介子等強(qiáng)子是由更小的夸克組成的，夸克被看成是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次，并提出了夸克模型理論。這些強(qiáng)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(jì)60年代大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這三種夸克的存在。1974年，丁肇中和里克特發(fā)現(xiàn)了第四種夸克——粲夸克c，1977年發(fā)現(xiàn)了底夸克b，1995年發(fā)現(xiàn)了頂夸克t。因此，這6種夸克就是構(gòu)成所有數(shù)百種強(qiáng)子的“基本”單元。同時輕子的發(fā)現(xiàn)也達(dá)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(rèn)識的物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(qiáng)相互作用和引力相互作用等運(yùn)動規(guī)律就構(gòu)成了自然界萬物奧妙無窮、千變?nèi)f化的物理現(xiàn)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(qiáng)相互作用的是8種膠子(g)。

早在底夸克b發(fā)現(xiàn)之前五年，1973年小林和益川在日本學(xué)術(shù)刊物《理論物理進(jìn)展》發(fā)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(tǒng)中的CP破壞見象就可以得到解釋。從而預(yù)言了底夸克b和頂夸克t的存在并為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。他們還認(rèn)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(xiàn)象。此后幾年來兩個B介子工廠拘實(shí)驗(yàn)(美國的BaBar和日本的Belle)證實(shí)了他們提出的CKM矩振(KM是Kobayashi-Maskawa的縮寫，c是意大利科學(xué)家NicolaCab ibbo的代稱)。迄今為止CP破壞現(xiàn)象是在K介子和B介子中發(fā)現(xiàn)的，人們也可以問，除了夸克系統(tǒng)外，在輕子系統(tǒng)是否也存在CP不守恒的現(xiàn)象?自發(fā)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(tǒng)一理論，并預(yù)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(zhì)量，格拉肖、溫伯格和薩拉姆獲1979年諾貝爾物理學(xué)獎。1983年1月和6月分別發(fā)現(xiàn)了帶電的和中性的中間玻色子，實(shí)驗(yàn)上測到的中間玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)言驚人地一致。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了弱電統(tǒng)一理論的成功，其意義可以與將麥克斯韋電學(xué)和磁學(xué)統(tǒng)一理論的驗(yàn)證相比擬。弱電統(tǒng)一理論與1973年提出的描述夸克之間強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)理論合在一起統(tǒng)稱為高能物理(或粒子物理)中的標(biāo)準(zhǔn)模型理論。20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)末，大量的高能物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粒子物理中標(biāo)準(zhǔn)模型理論的成功，這一理論已經(jīng)受到了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并正在繼續(xù)發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)模型理論是近半個世紀(jì)以來探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的結(jié)晶，是本世紀(jì)探索微觀世界規(guī)律的極重要的成就。可以相信，標(biāo)準(zhǔn)模型理論的發(fā)展必將導(dǎo)致深層次動力學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和建立。

弱電統(tǒng)一模型理論成功的一個關(guān)鍵點(diǎn)是引入真空對稱性自發(fā)破缺機(jī)制。在弱電統(tǒng)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(tǒng)一的量子規(guī)范場來描述，這一規(guī)范場與相互作用的夸克和輕子遵從規(guī)范不變的內(nèi)部對稱性。然而精確的規(guī)范不變性要求光子和中間玻色子是無質(zhì)量的，這一點(diǎn)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(fā)破缺機(jī)

制使得中間玻色子獲得質(zhì)量，并預(yù)言了質(zhì)量值的大小。實(shí)驗(yàn)找到了它們。此項(xiàng)成果獲得了1984年諾貝爾物理學(xué)獎。

對稱性自發(fā)破缺機(jī)制最早是1960年南部陽一郎將鐵磁系統(tǒng)和超導(dǎo)體中對稱性破缺引入到微觀粒子系統(tǒng)提出的。量子場論是描述微觀粒子系統(tǒng)的基本理論體系，量子場系統(tǒng)的能量最低狀態(tài)就是真空態(tài)，這個基態(tài)的能量、動量為零。粒子是真空激發(fā)的量子，所以粒子的性質(zhì)必然與真空的本質(zhì)密切相關(guān)。真空的性質(zhì)和各種粒子的運(yùn)動規(guī)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(zhì)場相互作用的最低能量態(tài)。真空性質(zhì)的復(fù)雜性及其物理后果都充分表明了真空不空，它對物理學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。南部的對稱性自發(fā)破缺理論就是基于對真空的認(rèn)識提出的。

對稱性破缺還有另一種形式就是自發(fā)破缺。1960年南部首先認(rèn)識到在某種相互作用形式下真空態(tài)可能不是唯一的，存在多個最低能量態(tài)，此時可能發(fā)生真空對稱性自發(fā)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(wěn)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(dāng)連續(xù)對稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺時，系統(tǒng)中一定會出現(xiàn)零質(zhì)量的戈德斯通粒子。戈德斯通粒子的數(shù)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(tǒng)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(guī)范群對稱性，規(guī)范場介子的質(zhì)量為零。當(dāng)選取了某一特定物理真空后，對稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺，系統(tǒng)中出現(xiàn)的零質(zhì)量戈德斯通粒子變成了規(guī)范介子的縱向自由度，使原來沒有質(zhì)量的規(guī)范介子獲得了很重的靜止質(zhì)量，使統(tǒng)一的電弱相互作用分解為性質(zhì)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(jī)制，從而精確地預(yù)言了前面提到拘中間玻色子質(zhì)量，還保持了理論的規(guī)范不變性和可重整性。弱電統(tǒng)一理論在精確預(yù)言了中間玻色子質(zhì)量的同時，也預(yù)言了一種中性標(biāo)量粒子，稱為黑格斯粒子的存在，但理論上無法預(yù)言它的質(zhì)量。自弱電統(tǒng)_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(fā)現(xiàn)它，每一臺新加速器建成以后都企圖發(fā)現(xiàn)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(jī)制是什么?在西歐中心正在建造的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)，以幾十億美元、歷時十多年的投資，其物理目標(biāo)之一就是要回答對稱性破缺的本質(zhì)這一難題。

宇宙演化中對稱性和對稱性破缺

對稱性自發(fā)破缺和CP對稱性破缺還具有更深遠(yuǎn)的科學(xué)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(yù)言了早期宇宙很可能處于高度對稱狀態(tài)，經(jīng)過冷印和相變才變成今日之世界，這就相應(yīng)于一系列的對稱性自發(fā)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(dāng)于10^-44秒)，這時宇宙中引力、強(qiáng)、弱、電四種相互作用是統(tǒng)一的。然后冷卻能量尺度降至1015GeV(時間相當(dāng)于10－35秒)、10¹⁴GeV(時間相當(dāng)于10^-33秒)，強(qiáng)、弱、電三種相互作用乃是統(tǒng)一的，有可能是粒子物理中超對稱大統(tǒng)一理論所描述，夸克、膠子處于等離子體狀態(tài)。當(dāng)盛度降至10²GeV時，真空選取一寺定方向，弱電對稱性自發(fā)破缺茂為兩種差別很大的相互作用。顯度繼續(xù)下降到1Gev(時間相當(dāng)于10^-6秒)，夸克在強(qiáng)相互作，用下形成強(qiáng)子，由量子色動力學(xué)描述。當(dāng)溫度下降到O.1Gev(時間相當(dāng)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(zhì)世界的圖像。而后是中性原子的形成(溫度降到leV，時間相當(dāng)于10¹²秒)，星系形成直至當(dāng)今的萬千世界。

早期宇宙處于高度對稱狀態(tài)，粒子數(shù)和反粒子數(shù)相等，粒子與反粒子兩者相遇會發(fā)生劇烈的湮滅反應(yīng)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(zhì)，自然界萬物都是正物質(zhì)構(gòu)成的。宇宙學(xué)研究表明，宇宙在早期經(jīng)歷了一個暴漲階段，物質(zhì)在暴漲后的再加熱過程中產(chǎn)生，隨著宇宙的冷卻，湮滅反應(yīng)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(zhì)和引力塌縮的作用下凝聚為星系和恒星。所以物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱也必然是宇宙演化的結(jié)果。近年來，由于中微子振蕩實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定中微子有質(zhì)量，這樣輕子數(shù)本來就可能不守恒，由輕子數(shù)非對稱轉(zhuǎn)化為重子數(shù)非對稱，是比較自然發(fā)生的機(jī)制。但最終答案有待進(jìn)一步探討。因此，粒子物理學(xué)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(biāo)度的大統(tǒng)一理論，正是與宇宙演化過程相一致的，粒子物理與宇宙學(xué)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(zhì)仍是探求微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源的基本難題。

(責(zé)任編輯蒲暉)