微观粒子物理学的一条基本规律

清华大学物理系匡玉平院士、中国科学院理论物理研究所吴月良院士、中国科学院研究生院苏刚教授、清华大学高能物理中心何红建教授、中国科学院理论物理研究所欧阳中灿院士解读2008年诺贝尔奖获奖项目:微观粒子物理的基本定律。瑞典皇家科学院10月7日宣布，2008年诺贝尔物理学奖的一半被授予日裔美国科学家南部阳一郎，以表彰他“在亚原子物理学中发现了自发对称性破缺机制”。另一半奖励给了两位日本科学家小林建和Akkawa Minying，因为他们“发现了对称性破缺的起源，预言了自然界中至少存在三种不同的夸克”。三位获奖的理论物理学家建立的理论基础深厚，对促进人们理解由基本粒子组成的微观世界的结构、运动规律和宇宙起源发挥了重要作用。《科学时报》采访了理论物理学领域的五位学者。其中，清华大学物理系教授匡玉平院士指出:“南部阳一郎的工作与肖林成、应传民的工作虽然都是对称性破缺的研究，但属于两个不同的方面。”对称性和对称性破缺对自然界的对称性现象并不陌生。例如，人体是左右对称的，物体和图像具有镜像对称，古建筑的窗缘图案通常具有平移对称。直觉上，对称是物体相同部分的规则重复。深入到数学和物理学，匡玉平指出，对称性是指物体在某些变换(如空间反射、旋转和平移)下的不变性。这里的“对象”可以是图形或物理定律。"对称性是物理学中最常见和最基本的概念."尽管对称性在物理学中起着重要的认识论作用，但科学家的发现越来越表明对称性破缺具有重大的科学意义，揭示了自然进化和发展的基本原理中国科学院理论物理研究所所长吴月良院士说。与对称性相反，对称性破缺指的是在某些变换下对称性的可变性或减少。换句话说，在一定的变换下，物体的某个特征将不再保持不变，它的对称性将被破坏。例如，附着有半径或标记点的盘是均匀的、未标记的盘对称断裂，椭圆是圆对称断裂，固态是液体对称断裂，等等。中国科学院研究生院的苏刚教授举了一个形象的例子:当两个体重相同的孩子在玩跷跷板时，两个孩子分别坐在两端。在静止状态下，跷跷板保持水平和平衡。当孩子离开时，跷跷板失去平衡。跷跷板的一端接触地面，而另一端必然向上倾斜。原始水平状态被打破，原始对称被打破。李政道和杨振宁在20世纪50年代中期发现，在弱相互作用过程中，宇称不守恒，这是对称性破缺的一个重要突破吴月良说道。粒子物理学的基本定律之一，对称性破缺，包括两种形式，即显式对称性破缺和自发对称性破缺。“自发对称性破缺意味着描述系统内相互作用的物理定律所具有的对称性被系统的最低能量态(即真空基态)打破，而显式对称性破缺意味着物理定律本身的表达包含打破对称性的特征。物理学家普遍认为自发对称性破缺比显式对称性破缺更基本、更自然。清华大学高能物理中心的何宏建教授向记者解释道。苏刚说:“自发对称性破缺的重要性不仅体现在粒子物理领域，而且在宇宙学、化学和生物学等其他领域也是一种普遍现象。”自发对称性破缺的概念是由南部阳一郎于1960年首次引入粒子物理学的。这一介绍具有重要的方法论意义。”匡玉平在国外听过南部阳一郎的报告。虽然没有深入交流，但他对南部阳一郎的学术思想非常了解。"简而言之，南部阳一郎给出了一种机制，即对称运动方程可以导致不对称的物理状态."邝玉平进一步解释说:“自发对称性破缺的本质是，在某些理论中，一个具有某种对称性的方程可以解一个没有这种对称性的物理状态，因此物理观察反映了对称性破缺的效果。这种机制是微观粒子物理学的基本定律。”听起来很深奥。吴月良举了一个简单的例子来解释:放在山顶上的球是完全对称的。然而，它的状态是不稳定的，因为一个非常轻微的扰动力可以使球以特定的方向滚下山。此时，对称被打破，因为球滚动的方向不同于任何其他方向。“事实上，理论物理大师海森堡早在1928年就研究了铁磁系统中空间旋转对称性的自发破缺。然而，南部阳一郎在粒子物理系统中提出的自发对称性破缺机制与基本粒子的质量密切相关，这与海森堡的研究大相径庭何红建指出，“南部阳一郎模型很好地解释了质子和中子如何通过低能近似理论中的自发对称性破缺获得质量，这与实验数据是一致的。然而，对于更基本的粒子(如电子和夸克等。)，质量产生的机理仍然未知，也没有通过实验得到证实。”30年前的预测“具体地说，南部阳一郎在粒子物理学中的贡献是提出了由动力学引起的手征对称性自发破缺的概念，这可以使光夸克(构成物质的最基本粒子)获得解释构成原子核的中子和质子质量的动态质量的来源。”吴月良说:“郑晓林和闵应康的贡献预言了三代夸克的存在，并给出了一个可能的CP破坏机制，但他们没有回答和解释CP破坏的起源。如果我们想了解观察到的宇宙中物质和反物质之间的不对称性，我们还需要引入新的CP破坏源。”吴月良说，与肖林成、易传民英同时期，李政道先生首次提出了自发破环对称的概念。他们最近的研究表明，这一想法可以在一个简单的双希格斯二项式模型中实现，这不仅可以解释小林诚和易川敏英的CP破坏的来源，而且还提供了一个新的CP破坏的来源。在早期，科学家们认为基本粒子的运动规律对于正负粒子交换(C)和空间反演化交换(P)具有对称性，但后来的实验发现2%的损伤被称为阴极保护损伤。1972年，当时29岁的肖林成和33岁的易传民英发表了一篇论文，提出只要有三代以上的夸克存在，CP就会受到破坏。当这篇论文发表时，科学家只发现了3个夸克(u，d，s)，即1.5代。然而，小林诚一传敏英(KM)理论包含六个夸克，因此该论文自发表以来一直没有引起人们的注意。用一些基本粒子，比如J/？随着曼诺和轻子的发现，人们开始关注知识管理理论。另外三个夸克(c，b，t)分别在1974年，1977年和1995年被发现。自1995年以来，没有发现其他新的夸克。“长寿的b夸克的发现为测试CP损伤提供了新的可能性。结果，人们在斯坦福大学和日本高能加速器研究所(KEK)建立了“B工厂”。所有的测量结果和实验数据都与30多年前小林和安川敏英的理论预测惊人地一致。”苏刚说道。"小林成和易川敏英的工作不能提供正确的宇宙CP破坏参数."邝玉平说，“宇宙的起源，物质不仅仅是反物质，它需要满足许多条件，其中之一就是要有强烈的CP破坏。然而，他们的研究给出的阴极保护损坏值远低于要求，这不足以解释。因此，我们仍然需要找到一种新的机制来造成慢性胰腺炎的损害。”迄今为止，产生自然界所有基本粒子质量的自发对称性破缺机制和显式CP对称性破缺的原因完全未知。科学家已经提出了许多模型来解释，但是没有一个被实验证明(包括1979年获得诺贝尔物理学奖的弱电统一模型)。何宏建说:“LHC在2008年秋天正式启动。全世界的科学家都在期待LHC的新实验数据。这也将解决2008年诺贝尔物理学奖无法回答的悬念。”诺贝尔奖不远了。许多年前有人建议这些科学家应该获得诺贝尔奖，但是在粒子物理学中有太多的工作达到了诺贝尔奖的水平况玉萍感慨。“说起来，先生和周先生都很熟悉。他们是同龄人，研究内容也是相关的。周先生关于光夸克轴向矢流部分守恒定理的重要工作就是在那个时期完成的吴月良告诉记者:“我访问日本时，小林成是日本KEK理论部主任，与他进行了讨论。肖林成给我的印象是，他很严肃，不多说话，对问题看得很深。”今年，在小柴昌俊获得2002年诺贝尔物理学奖后，日本学者在五年后再次获得物理学奖。这也是自1949年汤川秀树以来，日本学者第五次获得诺贝尔物理学奖。"这与日本自明治维新以来对基础研究的重视是分不开的."邝玉平指出:“科学家在进行探索自然规律的基础研究时，并不确切知道这种研究在未来会带来什么样的经济利益，但每当发现一个新的主要基本规律时，它通常会带来新的技术发展，甚至技术革命。”20世纪初，人们利用粒子碰撞实验来探索原子的内部结构。这是探索微观物质结构的纯基础研究。研究发现，当在19世纪末发展得近乎完美的经典物理理论应用于发现的原子结构时，基本矛盾就出现了。结果，物理学家们逐渐发展出一种全新的量子理论，这已成为20世纪科学史上划时代的里程碑。几年后，基于量子理论，半导体、超导和激光等高科技技术逐渐发展起来，成为当今造福人类社会的主要技术支柱。“我们不知道研究粒子物理会带来什么新技术，就像我们不知道研究原子时会出现激光一样。”邝玉平指出，“但是如果我们不研究，我们将失去新发现的可能性。”小林诚和易川敏英的获奖论文在日本期刊上发表。对此，中国科学院理论物理研究所的欧阳中灿院士表示:“学术论文的真正价值在于其内容本身，而不是发表在哪个期刊上。”在欧阳中灿担任理论物理研究所所长期间，程晓琳参观了理论物理研究所，欧阳中灿说:“他们不强调发表的文章数量，不管是不是SCI，以及影响因素有多高。任何有资格获得诺贝尔奖的作品，无论在哪里出版，都会得到每个人的认可。”“很多科学家几乎在同一水平上工作，谁实际上获得了诺贝尔奖，就有一定的机会；然而，不可避免的是，揭示自然规律的工作将在重要的方向和领域进行，一些原创性的工作往往显示出一些简单的自然规律之美。”吴岳亮指出，“一些诺贝尔奖获奖作品离我们的研究不远。只要我们国家继续重视和投资基础研究，创造良好的学术氛围，我相信在中国的土地上获得诺贝尔奖是不可避免的。”