探索物質世界存在之謎諾貝爾物理學獎獲獎成果解讀

　　現代物理學理論認為，宇宙大爆炸時應產生同等數量的粒子與反粒子，二者相遇會湮滅，同時釋放能量。如果真是如此，整個紛繁復雜的物質世界、包括人類自身都將不會存在。

　　物質為何會多出反物質?對稱性破缺是背后的關鍵原因。據測算，宇宙中物質粒子的數量只要比反物質粒子多出百億分之一，就足以形成我們今天的物質世界。但為什么會出現這種對稱性的微小“偏離”，一直是科學家未能揭開的一個重大謎團。獲得今年諾貝爾物理學獎的三位科學家提出的有關理論，為解釋宇宙的構成提供了重要線索。

　　圖表：日美科學家分享2008年諾貝爾物理學獎(新華社發)

　　在三位科學家中，小林誠和益川敏英早在1973年就提出了“小林-益川理論”，認為造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反應衰變速率不同。他們還預言存在6種夸克。夸克是比質子和中子等亞原子粒子更基本的物質組成單位。

　　在小林誠和益川敏英提出預言之初，科學家只發現了3種夸克，因此一直難以證明他們的理論。1995年，6種夸克都被發現。2001年，日本和美國科學家確認了由夸克構成的正反粒子——B介子和反B介子的“CP對稱性破缺”現象，從而證明了 “小林-益川理論”。現在，“小林-益川理論”已得到全球基本粒子物理學家的普遍認可。

　　另一位獲獎者、美籍科學家南部陽一郎則是由于發現了自發對稱性破缺機制而獲獎。所謂自發對稱性破缺，是指一個物理系統的拉格朗日量(概括整個系統動力狀態的函數)具有某種對稱性，而基態(系統的最低能階)卻不具有該對稱性。

　　瑞典皇家科學院10月7日發布的有關材料，用一個形象的類比來解釋什么是自發對稱性破缺：一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，可以被看成是完全對稱的，任何方向對它來說都沒有區別;但如果這支鉛筆倒在水平面上，它的對稱性就被“打破”了，而它也同時達到了自己的基態或者說最低能階，此時它的狀態最為穩定。

　　自發對稱性破缺的概念最早出現在凝聚態物理中，20世紀60年代被南部陽一郎引入量子場論。他的理論某種程度上揭示出在大自然混亂的表面下所隱藏著的對稱性。目前，有關基本粒子物理學標準模型的所有理論中，幾乎都滲入了南部陽一郎的成果。標準模型將自然界4種基本力中的3種以及組成所有物質的基本粒子都統一到一套理論之中。

　　但標準模型有個致命缺陷，那就是無法解釋物質質量的來源。有科學家認為，其中奧妙可能在于自發對稱性破缺機制。根據有關理論，在宇宙大爆炸時存在一種處于完全對稱狀態的“希格斯場”，其中所有粒子都不存在質量。但“希格斯場”就像筆尖直立的鉛筆一樣并不穩定，隨著宇宙逐漸冷卻，它的對稱性被破壞，一些基本粒子在這一過程中產生不同的質量。

　　“希格斯場”理論預言了希格斯玻色子的存在。標準模型預言了62種基本粒子的存在，其他粒子基本都已被實驗證實，唯有希格斯玻色子至今仍未現身。今年9月10日正式啟動的歐洲大型強子對撞機，重要任務之一就是尋找希格斯玻色子。

　　目前，有關對稱性破缺和自發對稱性破缺仍有許多懸而未決的問題尚待解決。解決了這些問題無疑將有助于人類進一步了解宇宙的起源、更好地認識當今的物質世界。