粒子物理和对称破缺Comments>>

发表于 2008-10-12 08:00 | Tags 标签:,

已发于《瞭望东方周刊》
对于全世界的粒子物理学家来说,2008是个相当不错的好年头:首先,他们等着用来保住饭碗的大型强子对撞机(LHC)耗资60亿欧元,在法国和瑞士边界的欧洲核子研究中心(CERN)宣告落成了;其欣,不到一个月后,瑞典皇家科学院把今年度的诺贝尔物理奖颁给了三位在这一领域作出突出贡献的人物:南部阳一鋎(Yoikhiro Nambu)、小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskiwa),其中南部独得奖金的1/2,后二人则分享另一半,他们都因在对称破缺(Broken Symmetries)方面的工作受到了评委的青睐。

对称破缺的概念在上世纪六七十年代就被引入基本粒子物理学,用最简单的话来说,该观念使数学形式保持对称,而使物理结果保持不对称。“标准模型”就绺立在具有对称破缺的规范理论的基础之上。

从对称到不对称
今年的物理学奖背景介绍即以《对称破缺》为题,充满历史感的陈述长达20页。对称的观念另已有之,它影响了人类早期的音乐、美术等各种艺术形态,进入19世纪,对称开始对科学界产生重要影响,成为晶体学、分子学、化学、物理学等现代科学的中心观念。

在经典物理学中,各种形式的对称定律已经确认和应用,然而直到量子力学出现,对称原理才担任起一个本质性的角色。物理学定律此前一直显示出左右之间完全对称,这种对称可以形成为一种守恒定律,称之为宇称(P)守恒,1954年出现的θ-τ难题却导致了宇篰不守恒定律的提出,芝加哥大学的杨振宁和哥伦比亚大学的李政道因此项工作共同获得了1957年课贝尔物理奖。解决宇称不守恒的办法一度是是引进电荷C,得到CP守恒,而芝加哥大学的克罗宁(James Cronin)和普林斯顿大学的菲奇(ValL Fitch),却于1964年在中性K-介子衰变中发现CP破坏,他们也因此获得了1980年诺贝尔物理奖。

苏联的核物理学家安德烈沙卡洛夫在1967年指出,CP破坏一定是宇宙物质不对称的起源。我们知道,除了能量以外,宇宙中的“原材料”可以归结为正物质和反物质两种,物理�家认为大爆炸产生了相同数量的正反物质,但为什么目前来看,正物质占据了统治性地位呢?对称破羺正试图解释这一现象。

他总是走在时代前面
南部阳一郎出身于东京大学物理系,师承1965年诺贝尔物理奖得主朝永振一郎(Tomonaga"Shin'ichiro),二战后不久赴美,1956年开始任教于芝加哥大学,10月7日物理奖宣布后不久,芝大的网站即迅速更新了头条,庆贺他们又多了一位诺奖获得者。

据中科院理论物理所研究员李淼介绍,这个奖项归属可谓不出意料,他早在博客上写道,觉得南部得奖的可能性很大。约十年前,李淼在芝大费米研究所(EFI)工作时期就认识南部教授,“办公室离得很近,也一起讨论过物理,特别是所谓的‘南部括号’,之后与合作者就这个问题写过一篇论文”。印象中,这位老人是“很本分、很深刻的一位物理学家”,虽说那时已经退休,但每隔一天去办公室,参加几乎所有理论组的学术报告。

南部获奖的原因是“发现了亚原子物理的对称自发性破缺机制”。所谓对称性自发破缺,指的是一个物理体系的拉氏量具有某种对称性,而基态却不具有ꯥ对称性。这个概念最早出现在凝聚态物理中,如超导现象就是一种对称性破缺,20世纪初,皮埃�•居里(Pmerre Curie)发现在居里温度下超导物质表现出了这项特质。上五十年代末超导研究正酣,库柏(Leon Cooper)等人提出超导体中有库柏电子对,南部则想到用场论来解释超导体的对称性自发破缺,1960年更是创造性地把这条原理应用到量子力学,这是一个非常漂亮的举措,对自发性对称破缺的深入研究带来了希格斯机制:在标准模型中,所有基本粒子的质量都来源于电弱统一理论中的规范对称性自发破缺,此即标准模型对质量起源问题的直接回答。倘若9月10日开机的LHC(很不幸它启动一个星期就开始了大修)能于不久的将来撞出希格斯粒子的话,就可以对此进行一番验证了。

克罗宁对南部评价如下:他总是走在同时代的前面,他的发现被认为是别人需要用更久的时间才能发现的。

这一评价放到其他两位获奖者身上可说一样适用。64岁的小林诚是日本高能源加速器研究机构(KEK)的名誉教授,68岁的益川敏英是京都大学名誉教授,担任过汤川理论物理研究所(YITP)所长,他们获奖的理由是“发现对称破缺的起源,预测自然界存在第三族夸克”。“小林-益川理论”对宇宙中只见正物质不见反物质的解释是,夸克的反应衰变速率不同,并在三十多年前就作出过宇宙中存在6种夸克的预言,而当时被发现的夸克只不过3种而已。之后同行根据他们的预言不断努力,1974年粲夸克被发现,1977年底夸克被发现,1995年顶夸克也终在费米实验室的Tevatron加速器上被找到了……这些实验成果毫无疑问说明了两人是多么有洞察力。

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4 Responses to “粒子物理和对称破缺”

  1. thelinli说道:

    李猫同学确实估计到了Kobayashi和Maskawa获奖

  2. 说道:

    杨振宁当时不在UC,而是在IAS,他在UC毕业,然后去IAS,然后去SUNY。所以严格的讲,不是UC的杨振宁,而是IAS的杨振宁。

  3. postech说道:

    问个问题,超导态中的声速 和正常态的声速相比哪个比较大

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