雖然對(duì)稱與守恒是現(xiàn)代物理學(xué)的核心，但物理學(xué)依然執(zhí)迷于對(duì)稱中的“破缺”,。
在140億前的宇宙大爆炸之初,，所產(chǎn)生的正物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量是相同的,，二者相遇會(huì)湮滅，同時(shí)釋放出能量,，如果果真如此,，那么世界將空無(wú)一物，我們也不會(huì)存在,。但宇宙幸存下來(lái)了,，因?yàn)檫@里面出現(xiàn)了微小的偏差，每100萬(wàn)個(gè)反物質(zhì)粒子中,，就會(huì)多出一個(gè)正物質(zhì)粒子,，正物質(zhì)因此戰(zhàn)勝反物質(zhì)，宇宙因此充滿了星系,、太陽(yáng),、恒星和行星，還有每天的生活,，物質(zhì)世界得以誕生,。（圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站） 現(xiàn)代物理理論認(rèn)為,，宇宙爆炸時(shí)應(yīng)產(chǎn)生同等數(shù)量的正物質(zhì)與反物質(zhì)，二者相遇會(huì)湮滅,，如果真是這樣,，那么世界將一無(wú)所有，人類也不會(huì)存在,。但事實(shí)并非如此,，在那場(chǎng)開(kāi)天辟地的大爆炸中，正物質(zhì)終于戰(zhàn)勝反物質(zhì),，世界得以幸存,。物理學(xué)家們說(shuō)，對(duì)稱性破缺是隱藏在其中的關(guān)鍵原因,。
最早對(duì)宇宙對(duì)稱性提出挑戰(zhàn)的是兩位華人物理學(xué)家,。1956年，理論物理學(xué)家李政道和楊振寧提出,，在弱相互作用下宇稱不守恒,，兩人因此分享了1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1964年,，美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了K介子衰變過(guò)程打破了宇稱和電荷的聯(lián)合對(duì)稱,，他們因此獲得1980年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
目前,，仍然還有在爆炸之初產(chǎn)生的同類對(duì)稱性破缺沒(méi)有得到解釋,。2008年度獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家提出的理論為這些問(wèn)題的解釋提供了重要線索，他們將人類探索物質(zhì)世界起源的旅程帶到了最后一步,，這一步也許就在眼前,，但也可能遠(yuǎn)在天邊。
對(duì)稱中的破缺
許多年來(lái),，物理學(xué)家們一直在尋找隱藏在紛繁表象下的自然法則,。他們認(rèn)為，自然法則應(yīng)該是完美對(duì)稱和唯一的,，這在絕大多數(shù)情況下是行得通的,。
從麥克斯韋的電磁學(xué)方程到愛(ài)因斯坦的質(zhì)能守恒定律，物理學(xué)中的對(duì)稱性不僅僅只具備審美意義,，它們能簡(jiǎn)化許多復(fù)雜的計(jì)算,，并在用數(shù)學(xué)公式描述宏觀世界中起著決定性的重要作用。一個(gè)更為重要的事實(shí)是,，對(duì)稱性所包括的守恒定律也適用于宏觀世界的許多情況,，比如，能量不會(huì)在基本粒子間的碰撞中消失,；也就是說(shuō),，碰撞前后的能量是相同的,，這就是對(duì)稱。
粒子物理學(xué)的基本理論描述了三種類型的對(duì)稱：鏡像對(duì)稱,、電荷對(duì)稱和時(shí)間對(duì)稱,。鏡像對(duì)稱是像與物相對(duì)于鏡面對(duì)稱，即像和物的關(guān)系為等大,、正立,；電荷對(duì)稱是指除了所帶電荷相反外，正反粒子的所有性質(zhì)完全一致,；時(shí)間對(duì)稱則是指微觀層面上,，無(wú)論時(shí)間向前還是逆轉(zhuǎn)，物理事件具有同等的獨(dú)立性,。
但也有對(duì)稱性解釋不了的現(xiàn)象,。
20世紀(jì)中期，對(duì)稱性破缺首先出現(xiàn)在對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的研究中,。這時(shí)的物理學(xué)家們有一個(gè)偉大的夢(mèng)想：將組成物質(zhì)的所有基本粒子和控制這些粒子的全部力量統(tǒng)一到一個(gè)理論中,。他們提出了標(biāo)準(zhǔn)模型，但這個(gè)模型有一個(gè)缺陷：它沒(méi)有描述到重力,；而且,，如果這個(gè)模型中所有的力量完美對(duì)稱,，那么質(zhì)量將不會(huì)存在,，但這不是事實(shí),。
1956年，34歲的楊振寧和30歲的李政道合作,，第一次提出了宇稱不守恒理論，兩人于1957年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站） 最先對(duì)宇宙的對(duì)稱性提出質(zhì)疑的是兩位理論物理學(xué)家,。1956年,，當(dāng)李政道和楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒的理論時(shí)，幾個(gè)月后,，華人物理學(xué)家吳健雄等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)理論,，世界為之震驚。一年后,，兩人即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，頒獎(jiǎng)詞寫道：他們對(duì)所謂的宇稱不守恒的深刻研究導(dǎo)致了基本粒子中的重要發(fā)現(xiàn)。
然而,，當(dāng)時(shí)物理學(xué)界還是認(rèn)為,，宇稱和電荷的對(duì)稱不可能同時(shí)被打破。1964年,，一種新的破缺出現(xiàn)在一種陌生粒子的衰變中,，美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到了宇稱和電荷對(duì)稱都被打破了,，說(shuō)明自發(fā)性破缺早在宇宙形成之初就已經(jīng)存在，物理學(xué)家徹底被震撼,，他們無(wú)法解釋這種現(xiàn)象,。
日本理論物理學(xué)家小林誠(chéng)和益川益川敏英（圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站） 這種狀況在1972年得到了解釋。當(dāng)時(shí),，名古屋大學(xué)28歲的小林誠(chéng)博士和32歲的益川敏英合作,，提出“小林—益川理論”，在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)解釋了對(duì)宇稱和電荷破缺現(xiàn)象,，但需要將夸克的數(shù)量增加到6種,，因此還應(yīng)該有3種新夸克，他們認(rèn)為,，造成宇宙中正粒子多于反粒子的原因是夸克的反應(yīng)衰變速率不同,。
這一大膽預(yù)言得到了精確求證。1974年,，粲夸克被發(fā)現(xiàn),；1977年，底夸克被發(fā)現(xiàn),；1994年,，頂夸克被發(fā)現(xiàn)。2001年,，位于美國(guó)斯坦福的線性加速器中心和日本高能加速器機(jī)構(gòu)的兩個(gè)巨型粒子探測(cè)器獨(dú)立證實(shí)這種對(duì)稱性破缺,，完全證明了30年前提出的“小林—益川理論”，也就是對(duì)稱性破缺的起源,。
這意味著,，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的61種粒子中的60種，均得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證,，最后一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的就是希格斯粒子,。
破缺下的對(duì)稱
標(biāo)準(zhǔn)模型雖然包含了組成物質(zhì)的所有基本粒子，以及4種基本力中的3種,，但它不能解釋為什么這些力如此不同,？為什么代表這些力的基本粒子的質(zhì)量也是如此不同？質(zhì)量究竟從哪里來(lái),？
1960年,，美國(guó)芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎繪制了一幅質(zhì)量形成的路線圖。
2008年10月7日,，87歲的日裔美籍科學(xué)家南部陽(yáng)一郎獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，他在芝加哥大學(xué)接受媒體采訪。（圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站） 自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念早期出現(xiàn)在凝聚態(tài)物理中,。剛開(kāi)始,，南部陽(yáng)一郎從事超導(dǎo)現(xiàn)象的理論研究,，超導(dǎo)是指電流突然失去阻力的一種現(xiàn)象。他首次將描述超導(dǎo)現(xiàn)象的自發(fā)對(duì)稱性破缺應(yīng)用于粒子物理學(xué)的世界,，在某種程度上揭示出大自然混亂表象上所隱藏著的對(duì)稱性,。
所謂自發(fā)對(duì)稱性破缺是指在一個(gè)物理系統(tǒng)中，概括整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力狀態(tài)的函數(shù)拉格朗日量具有某種對(duì)稱性,，而描述系統(tǒng)最低能階的基態(tài)卻不具有該對(duì)稱性,。實(shí)際上，我們每天的生活中都有對(duì)稱性破缺的情況發(fā)生,，比如,，一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，它在每個(gè)方向上都具有完美的對(duì)稱,，但鉛筆會(huì)朝某一個(gè)方向倒下,，對(duì)稱雖被打破了，但鉛筆處于了最穩(wěn)定的狀態(tài),。
南部陽(yáng)一郎最早意識(shí)到真空態(tài)適合于自發(fā)對(duì)稱性破缺的研究,。因?yàn)樵谖锢韺W(xué)中，真空是最不具有對(duì)稱態(tài)的最低能量態(tài),，之后幾十年的時(shí)間里,，他的理論被證明非常有用，滲透到了標(biāo)準(zhǔn)模型的所有領(lǐng)域,。今天,，這些理論常常被用于強(qiáng)作用力的計(jì)算。
上帝的粒子
但是,，南部陽(yáng)一郎的理論和“小林—益川理論”還是不能解釋宇宙大爆炸之初的另一種同類對(duì)稱性破缺,。
這是希格斯為解決質(zhì)量來(lái)源而提出的猜想,。物理學(xué)家們認(rèn)為，在宇宙大爆炸之初,，所有的力在各個(gè)方向都是對(duì)稱的,，所有粒子的質(zhì)量都是零，但希格斯場(chǎng)就像直立的鉛筆一樣,，是不穩(wěn)定的,，當(dāng)宇宙溫度開(kāi)始冷卻時(shí)，希格斯場(chǎng)跌落到最低能量狀態(tài),，即真空狀,，這時(shí)對(duì)稱性消失，希格斯場(chǎng)變成了一鍋“粒子湯”：粒子們吸收不同能量的力場(chǎng)并獲得不同的質(zhì)量,，物質(zhì)因此如此紛繁復(fù)雜,。
英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯教授（圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站） 希格斯粒子就是希格斯場(chǎng)的代表，它被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源,，是標(biāo)準(zhǔn)模型的基石,。1988年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼將這種粒子稱為“上帝的粒子”,，稱它是“指揮著宇宙交響曲的粒子”,。
2000年，歐洲粒子物理中心的研究人員似乎在世界最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上看到了它的蹤影,，但當(dāng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足以作出確切的推論,，希格斯粒子如同歌劇院的幽靈，閃現(xiàn)一下又消失在黑暗之中,。
希格斯曾經(jīng)說(shuō)過(guò),，如果總不能證實(shí)希格斯粒子的存在，那么他將會(huì)“非常,、非常困惑”,，因?yàn)樗?#8220;無(wú)法想象除此之外還能怎樣解釋物質(zhì)是如何獲得質(zhì)量的”。
然而，物理學(xué)家們堅(jiān)信,，如果希格斯粒子存在,，就一定要找到它，他們將希望寄托在2008年9月10日開(kāi)始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),；但也有可能找不到,，那么標(biāo)準(zhǔn)模型這座大廈就會(huì)轟然倒塌。不過(guò),，物理學(xué)家們已經(jīng)作好了準(zhǔn)備,，他們知道，如果希格斯粒子被證實(shí)不存在,，標(biāo)準(zhǔn)模型垮了,，一定還會(huì)有另一種嶄新的理論來(lái)支撐這個(gè)世界。
從1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開(kāi)始,，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里,，物理學(xué)家一直在孜孜不倦地致力于理解物質(zhì)世界的本源，獲得關(guān)于這個(gè)世界的終極知識(shí),。隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的運(yùn)行,，這個(gè)謎底可能會(huì)在2010年左右被揭開(kāi)。
但如果希格斯粒子最終被證明不存在,，那么人類將不得不目睹終極理想再次遠(yuǎn)離我們而去,。
可以作這樣的預(yù)言，如果希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)了,，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)會(huì)再次授予這一領(lǐng)域的研究,。這一時(shí)刻，我們祝福今年79歲的希格斯能夠長(zhǎng)命百歲,。
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