现代物理学理论认为,宇宙大爆炸时应产生同等数量的粒子与反粒子,二者相遇会湮灭,同时释放能量.如果真是如此,整个纷繁复杂的物质世界、包括人类自身都将不会存在.
物质为何会多出反物质?对称性破缺是背后的关键原因.据测算,宇宙中物质粒子的数量只要比反物质粒子多出百亿分之一,就足以形成我们今天的物质世界.但为什么会出现这种对称性的微小“偏离”,一直是科学家未能揭开的一个重大谜团.获得今年诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的有关理论,为解释宇宙的构成提供了重要线索.
在三位科学家中,小林诚和益川敏英早在1973年就提出了“小林－益川理论”,认为造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同.他们还预言存在6种夸克.夸克是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位.
在小林诚和益川敏英提出预言之初,科学家只发现了3种夸克,因此一直难以证明他们的理论.1995年,6种夸克都被发现.2001年,日本和美国科学家确认了由夸克构成的正反粒子——Ｂ介子和反Ｂ介子的“ＣＰ对称性破缺”现象,从而证明了“小林－益川理论”.现在,“小林－益川理论”已得到全球基本粒子物理学家的普遍认可.
另一位获奖者、美籍科学家南部阳一郎则是由于发现了自发对称性破缺机制而获奖.所谓自发对称性破缺,是指一个物理系统的拉格朗日量(概括整个系统动力状态的函数)具有某种对称性,而基态(系统的最低能阶)却不具有该对称性.
瑞典皇家科学院7日发布的有关材料,用一个形象的类比来解释什么是自发对称性破缺:一支以笔尖直立于水平面上的铅笔,可以被看成是完全对称的,任何方向对它来说都没有区别;但如果这支铅笔倒在水平面上,它的对称性就被“打破”了,而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶,此时它的状态最为稳定.
自发对称性破缺的概念最早出现在凝聚态物理中,20世纪60年代被南部阳一郎引入量子场论.他的理论某种程度上揭示出在大自然混乱的表面下所隐藏着的对称性.目前,有关基本粒子物理学标准模型的所有理论中,几乎都渗入了南部阳一郎的成果.标准模型将自然界4种基本力中的3种以及组成所有物质的基本粒子都统一到一套理论之中.
但标准模型有个致命缺陷,那就是无法解释物质质量的来源.有科学家认为,其中奥妙可能在于自发对称性破缺机制.根据有关理论,在宇宙大爆炸时存在一种处于完全对称状态的“希格斯场”,其中所有粒子都不存在质量.但“希格斯场”就像笔尖直立的铅笔一样并不稳定,随着宇宙逐渐冷却,它的对称性被破坏,一些基本粒子在这一过程中产生不同的质量.
“希格斯场”理论预言了希格斯玻色子的存在.标准模型预言了62种基本粒子的存在,其他粒子基本都已被实验证实,唯有希格斯玻色子至今仍未现身.今年9月10日正式启动的欧洲大型强子对撞机,重要任务之一就是寻找希格斯玻色子.
目前,有关对称性破缺和自发对称性破缺仍有许多悬而未决的问题尚待解决.解决了这些问题无疑将有助于人类进一步了解宇宙的起源、更好地认识当今的物质世界.
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