微观粒子物理学的一条基本规律

2019-11-04 03:51栏目:数理科学
TAG:

清华大学物理系教授邝宇平院士、中国科学院理论物理研究所所长吴岳良院士、中国科学院研究生院教授苏刚、清华大学高能物理中心教授何红建、中国科学院理论物理研究所欧阳钟灿院士解读2008年诺贝尔物理学奖获奖项目:微观粒子物理学的一条基本规律。 瑞典皇家科学院10月7日宣布,2008年诺贝尔物理学奖一半奖给美籍日裔科学家南部阳一郎,以表彰他“在亚原子物理中自发对称性破缺机制的发现”;另一半奖给两名日本科学家小林诚和益川敏英,以表彰他们“关于对称性破缺起源的发现,该发现预言大自然中至少存在三种不同的夸克”。 获奖的3位理论物理学家所建立的理论基本而深刻,对人们认识由基本粒子组成的微观世界的结构及其运动规律以及宇宙的起源起到了重要的推动作用。 《科学时报》就此采访了理论物理领域的5位学者。其中清华大学物理系教授邝宇平院士指出:“南部阳一郎的工作和小林诚、益川敏英二人的工作虽然都属于对称性破缺的研究,但属于两个不同的方面。” 对称性与对称性破缺 对于大自然中的对称性现象,我们一点也不陌生,比如人体是左右对称的,物与像之间具有镜像反射对称性,古建筑的窗棱图案常具有平移对称性等。 直观上看,对称是物体相同部分有规律地重复。深入到数学、物理层面,邝宇平指出,对称性是指对象在某种变换(例如空间反射、转动、平移)下的不变性。这里的“对象”可以是图形,也可以是物理规律。“对称性是物理学中最普遍和根本的概念。” “尽管在物理学中对称性思想起着巨大的认识论作用,但是科学家的发现越来越展示了这样一个事实:对称性破缺一样具有重大的科学意义,它揭示了自然界演化发展的一条基本原理。”中国科学院理论物理研究所所长吴岳良院士表示。 与对称性相反,对称性破缺是指在一定变换下所表现的可变性或对称性的降低。也就是说,对象的某一特征在一定变换下不再保持不变,其对称性遭到破坏。例如,附以一条半径或一个标记点的圆盘是均匀、无标记的圆盘的对称性破缺,椭圆是圆的对称性破缺,固态是液态的对称性破缺等等。 中国科学院研究生院教授苏刚举了一个形象的例子:当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时,两个小孩分坐两端,在静止状态下,跷跷板保持水平状态,达到平衡。 当一个小孩离开后,跷跷板失去平衡,有小孩的一端着地,另一端则必然上翘,使原来的水平状态被打破,原有的对称性就发生了破缺。 “李政道、杨振宁在20世纪50年代中期发现弱相互作用过程中宇称不守恒,可谓是对称性破缺的重要突破。”吴岳良说。 粒子物理的一条基本规律 对称性破缺包含两种形式,即对称性的显式破缺和对称性的自发破缺。 “对称性的自发破缺是指描述系统内部相互作用的物理规律所具有的对称性被该系统的最低能量态所破坏,而对称性的显式破缺是指该物理规律的表述本身就包含破坏该对称性的特征。物理学界普遍认为自发对称性破缺比显式对称性破缺更为基本和自然。”清华大学高能物理中心教授何红建向记者解释道。 苏刚说:“对称性自发破缺的重要性除了在粒子物理领域体现出来之外,还是其他领域如宇宙学、化学、生物等领域的普遍现象。” “对称性的自发破缺这一概念就是南部阳一郎于1960年率先把超导的理论引进粒子物理学中的。这一引进具有重要的方法论意义。”邝宇平曾在国外听过南部阳一郎的报告,虽然没有深入的交流,但是非常了解南部阳一郎的学术思想。 “简单地说,南部阳一郎给出了一个机制,即对称的运动方程可以导致不对称的物理态。”邝宇平进一步解释,“对称性自发破缺的本质在于:在一些理论中,具有某一特定对称性的方程可以解出不具有这种对称性的物理态,使得物理观测量反映出对称性破坏的效应。这个机制是微观粒子物理学的一条基本规律。” 听起来似乎很深奥,吴岳良用一个简单的例子进行了解释:放在山顶的一个球,这个球处于完全对称的状态,然而,其状态是不稳定的,因为极轻微的扰动力就可以让球沿一特定方向滚下山。此时,对称性被破坏,因为球滚动的方向具有区别于其他任何方向的特征。 “其实,理论物理大师Heisenberg早在1928年就研究了铁磁系统中的空间转动对称性的自发破缺;而南部阳一郎在粒子物理系统中提出的对称性自发破缺机制却与基本粒子的质量产生紧密相关,这与Heisenberg的研究很不一样。”何红建指出,“南部阳一郎模型已经很好地解释了质子和中子在低能近似理论中如何通过对称性的自发破缺获得质量并与实验数据吻合,然而对于更为基本的粒子,其质量的产生机制至今都是未知数,尚无实验证实。” 30年前的预言 “确切地说,南部阳一郎在粒子物理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,由此可使得轻夸克(组成物质最基本的粒子)获得动力学质量的起源来解释构成原子核的中子和质子的质量。”吴岳良表示,“而小林诚和益川敏英的贡献是预言了三代夸克的存在,并给出了CP破坏的一种可能机制,但是并没有回答和解释CP破坏的起源,如要理解宇宙中观察到的物质—反物质不对称,还要求引进新的CP破坏源。” 吴岳良说,李政道先生在与小林诚和益川敏英同一时期首先提出了CP对称性自发破缺的概念。最近他们的研究表明,这个想法可在简单的双Higgs二重态模型中实现,它不仅可解释小林诚和益川敏英的CP破坏源,还给出了新的CP破坏源。 早期,科学家认为,基本粒子的运动规律对于正、反粒子互换和空间反演变换具有对称性,但是后来实验发现有千分之二的破坏被称为CP破坏。 1972年,当时29岁的小林诚和33岁的益川敏英发表论文,提出只要存在三代以上夸克,CP破坏就可能发生。 发表这篇论文时,科学家只发现了3个夸克,即1.5代;而小林诚—益川敏英的理论中包含有6个夸克,所以论文发表后未引起人们的注意。随着一些基本粒子如J/?鬃、重轻子等的发现,人们开始关注KM理论。另外3种夸克分别发现于1974年、1977年和1995年;从1995年至今再无别的新夸克被发现。 “长寿命b-夸克的发现提供了新的可能性去测试CP破坏,人们因此在斯坦福大学和日本高能加速器研究机构建立了‘B-工厂’,所有的测量结果和实验数据都显示出与小林诚和益川敏英在30多年前的理论预言惊人的一致。”苏刚说。 “小林诚和益川敏英的工作无法提供正确的宇宙学CP破坏参量。”邝宇平表示,“宇宙的起源,物质多于反物质,这需要满足很多条件,其中有一条就是要有较强的CP破坏。但是他们研究给出的CP破坏数值远远小于要求的,不足以解释。因此,我们还需要找到新的造成CP破坏的机制。” 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对称性破缺产生的原因完全是未知数。科学家已经提出了无数模型来解释,但没有一种模型提供的解释得到实验证实(包括1979年获诺贝尔物理学奖的电弱统一模型)。何红建表示:“大型强子对撞机LHC于2008年秋正式启动,全世界科学家都期待着LHC的崭新实验数据,它也将解答2008年诺贝尔物理学奖工作无法回答的悬念。” 诺贝尔奖并不遥远 “好多年前就有人提议这几位科学家应该得诺贝尔奖,但是粒子物理方面够诺贝尔奖水平的工作实在太多。”邝宇平感慨道。 “要说起来,南部阳一郎和周光召先生比较熟悉,他们是同辈,研究内容也有相关性。周光召先生关于轻夸克轴矢流部分守恒定理的重要工作就是那个时期做出来的。”吴岳良告诉记者,“我去日本访问的时候,小林诚当时是日本KEK理论部的主任,和他有过讨论。小林诚给我的印象是:认真,说话不多,看问题比较深刻。” 今年是2002年小柴昌俊获诺贝尔物理学奖以来,时隔5年日本学者再度摘得物理学奖;也是1949年汤川秀树以来,日本学者第5次获得诺贝尔物理学奖。 “这和日本从明治维新以后就开始重视基础研究是分不开的。”邝宇平指出,“当科学家作探索自然规律的基础研究时,并不确切知道这种研究将来会产生何种经济效益,但每当一个新的重大基本规律被发现后,通常会带来新技术的发展乃至技术革命。” 20世纪初,人们用粒子碰撞实验探索原子内部的结构。这是一个纯粹的探索微观物质结构的基础研究。研究发现,当把在19世纪末已发展得近乎完美的经典物理理论用于所发现的原子结构时就产生了根本性矛盾。由此物理学家逐步发展了全新的量子理论,成为20世纪科学发展史上一个划时代的里程碑。若干年后,在量子理论基础上逐渐发展出半导体、超导、激光等高新技术,成为当今造福于人类社会的主要技术支柱。 “我们并不知道研究粒子物理会带来什么新技术,就跟当初研究原子的时候并不知道会出现激光一样。”邝宇平指出,“但如果不研究,就丧失了新发现的可能性。” 小林诚和益川敏英的获奖论文是发表在日文期刊上的。对此,中国科学院理论物理研究所欧阳钟灿院士表示:“学术论文的真正价值在于其内容本身,而非发表在何种期刊上。” 在欧阳钟灿担任理论物理所所长期间,小林诚曾访问过理论物理所,欧阳钟灿说:“他们并不强调发表文章的数量多少、是否SCI、影响因子有多高。够诺贝尔奖的工作,不论发表在哪儿,都会被大家认可。” “很多科学家的工作都差不多在同一水平,究竟诺贝尔奖落到谁的手里,会有一定的偶然性;但是,在重要方向和领域一定会做出能够揭示自然规律的工作,这是必然的,并且一些原创性工作往往表现出自然界规律的某种简捷美。”吴岳良指出,“一些获得诺贝尔奖的工作离我们的研究并不很远,只要我国继续保持对基础研究的重视和投入,营造一个良好的学术氛围,相信在中国土地上做出诺贝尔奖的工作也将会是必然的。”

版权声明:本文由正规棋牌游戏平台发布于数理科学,转载请注明出处:微观粒子物理学的一条基本规律