雖然對稱與守恒是現(xiàn)代物理學的核心，但物理學依然執(zhí)迷于對稱中的“破缺”。
2008年10月，諾貝爾獎委員會第三次將物理學獎授予在對稱性破缺領(lǐng)域作出杰出貢獻的科學家。因發(fā)現(xiàn)了亞原子物理學中的自發(fā)對稱性破缺機制，日裔美籍科學家南部陽一郎將獲得一半的獎金；另外兩位日本科學家小林誠、益川敏英則因發(fā)現(xiàn)對稱性破缺的起源，共同分享另一半的獎金。
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，二者相遇會湮滅，同時釋放出能量，如果果真如此，那么世界將空無一物，我們也不會存在。但宇宙幸存下來了，因為這里面出現(xiàn)了微小的偏差，每100萬個反物質(zhì)粒子中，就會多出一個正物質(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、恒星和行星，還有每天的生活，物質(zhì)世界得以誕生。（圖片來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站）
現(xiàn)代物理理論認為，宇宙爆炸時應(yīng)產(chǎn)生同等數(shù)量的正物質(zhì)與反物質(zhì)，二者相遇會湮滅，如果真是這樣，那么世界將一無所有，人類也不會存在。但事實并非如此，在那場開天辟地的大爆炸中，正物質(zhì)終于戰(zhàn)勝反物質(zhì)，世界得以幸存。物理學家們說，對稱性破缺是隱藏在其中的關(guān)鍵原因。
最早對宇宙對稱性提出挑戰(zhàn)的是兩位華人物理學家。1956年，理論物理學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年的諾貝爾物理學獎；1964年，美國科學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在實驗中發(fā)現(xiàn)了K介子衰變過程打破了宇稱和電荷的聯(lián)合對稱，他們因此獲得1980年諾貝爾物理學獎。
目前，仍然還有在爆炸之初產(chǎn)生的同類對稱性破缺沒有得到解釋。2008年度獲諾貝爾物理學獎的三位科學家提出的理論為這些問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，但也可能遠在天邊。
對稱中的破缺
許多年來，物理學家們一直在尋找隱藏在紛繁表象下的自然法則。他們認為，自然法則應(yīng)該是完美對稱和唯一的，這在絕大多數(shù)情況下是行得通的。
從麥克斯韋的電磁學方程到愛因斯坦的質(zhì)能守恒定律，物理學中的對稱性不僅僅只具備審美意義，它們能簡化許多復(fù)雜的計算，并在用數(shù)學公式描述宏觀世界中起著決定性的重要作用。一個更為重要的事實是，對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，能量不會在基本粒子間的碰撞中消失；也就是說，碰撞前后的能量是相同的，這就是對稱。
粒子物理學的基本理論描述了三種類型的對稱：鏡像對稱、電荷對稱和時間對稱。鏡像對稱是像與物相對于鏡面對稱，即像和物的關(guān)系為等大、正立；電荷對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；時間對稱則是指微觀層面上，無論時間向前還是逆轉(zhuǎn)，物理事件具有同等的獨立性。
但也有對稱性解釋不了的現(xiàn)象。
20世紀中期，對稱性破缺首先出現(xiàn)在對物質(zhì)本質(zhì)的研究中。這時的物理學家們有一個偉大的夢想：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)一到一個理論中。他們提出了標準模型，但這個模型有一個缺陷：它沒有描述到重力；而且，如果這個模型中所有的力量完美對稱，那么質(zhì)量將不會存在，但這不是事實。
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年獲諾貝爾物理學獎（圖片來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站）
最先對宇宙的對稱性提出質(zhì)疑的是兩位理論物理學家。1956年，當李政道和楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒的理論時，幾個月后，華人物理學家吳健雄等通過實驗證明了這個理論，世界為之震驚。一年后，兩人即獲得諾貝爾物理學獎，頒獎詞寫道：他們對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，當時物理學界還是認為，宇稱和電荷的對稱不可能同時被打破。1964年，一種新的破缺出現(xiàn)在一種陌生粒子的衰變中，美國科學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在這個實驗中觀察到了宇稱和電荷對稱都被打破了，說明自發(fā)性破缺早在宇宙形成之初就已經(jīng)存在，物理學家徹底被震撼，他們無法解釋這種現(xiàn)象。
日本理論物理學家小林誠和益川益川敏英（圖片來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站）
這種狀況在1972年得到了解釋。當時，名古屋大學28歲的小林誠博士和32歲的益川敏英合作，提出“小林—益川理論”，在標準模型的框架內(nèi)解釋了對宇稱和電荷破缺現(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，位于美國斯坦福的線性加速器中心和日本高能加速器機構(gòu)的兩個巨型粒子探測器獨立證實這種對稱性破缺，完全證明了30年前提出的“小林—益川理論”，也就是對稱性破缺的起源。
這意味著，標準模型所預(yù)言的61種粒子中的60種，均得到實驗數(shù)據(jù)的支持與驗證，最后一個未被發(fā)現(xiàn)的就是希格斯粒子。
破缺下的對稱
標準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？
1960年，美國芝加哥大學的理論物理學家南部陽一郎繪制了一幅質(zhì)量形成的路線圖。
2008年10月7日，87歲的日裔美籍科學家南部陽一郎獲得諾貝爾物理學獎，他在芝加哥大學接受媒體采訪。（圖片來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站）
自發(fā)對稱性破缺的概念早期出現(xiàn)在凝聚態(tài)物理中。剛開始，南部陽一郎從事超導(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)對稱性破缺應(yīng)用于粒子物理學的世界，在某種程度上揭示出大自然混亂表象上所隱藏著的對稱性。
所謂自發(fā)對稱性破缺是指在一個物理系統(tǒng)中，概括整個系統(tǒng)動力狀態(tài)的函數(shù)拉格朗日量具有某種對稱性，而描述系統(tǒng)最低能階的基態(tài)卻不具有該對稱性。實際上，我們每天的生活中都有對稱性破缺的情況發(fā)生，比如，一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，它在每個方向上都具有完美的對稱，但鉛筆會朝某一個方向倒下，對稱雖被打破了，但鉛筆處于了最穩(wěn)定的狀態(tài)。
南部陽一郎最早意識到真空態(tài)適合于自發(fā)對稱性破缺的研究。因為在物理學中，真空是最不具有對稱態(tài)的最低能量態(tài)，之后幾十年的時間里，他的理論被證明非常有用，滲透到了標準模型的所有領(lǐng)域。今天，這些理論常常被用于強作用力的計算。
上帝的粒子
但是，南部陽一郎的理論和“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稱性破缺。
但南部陽一郎的理論啟發(fā)了英國物理學家希格斯(P.W.Higgs)。希格斯在1964年提出了希格斯機制。
希格斯的名字與粒子聯(lián)系起來是在1961年，當時，他剛剛在愛丁堡大學獲得一個講師席位。他在國王學院獲得博士學位的論文題目是分子振動光譜，之后他用了六年的時間在愛丁堡大學、倫敦大學學院和帝國大學之間來回走動，直到愛丁堡大學給了他一個永久性職位。
“當我在1960年10月回到愛丁堡大學時，我不確切地知道我下一步要做什么，”2004年，他在接受《物理世界》的采訪時回憶說。這時，他讀到了南部陽一郞在1960年發(fā)表的一篇論文。在這篇論文中，南部陽一郎將超導(dǎo)中的自發(fā)對稱性破缺應(yīng)用到了粒子物理的世界。“質(zhì)量最初來源于自發(fā)對稱性破缺的想法就是這樣形成的。”希格斯說，“盡管我的名字被帶上這個領(lǐng)域的王冠，但南部陽一朗首先提出：費密子質(zhì)量應(yīng)該是由類似超導(dǎo)能隙形成的方式產(chǎn)生的。”
希格斯在1964年7月底的《物理快報》和8月31日出版的《物理評論快報》上連續(xù)發(fā)表兩篇短篇論文，提出了宇宙質(zhì)量起源的理念。
這是希格斯為解決質(zhì)量來源而提出的猜想。物理學家們認為，在宇宙大爆炸之初，所有的力在各個方向都是對稱的，所有粒子的質(zhì)量都是零，但希格斯場就像直立的鉛筆一樣，是不穩(wěn)定的，當宇宙溫度開始冷卻時，希格斯場跌落到最低能量狀態(tài)，即真空狀，這時對稱性消失，希格斯場變成了一鍋“粒子湯”：粒子們吸收不同能量的力場并獲得不同的質(zhì)量，物質(zhì)因此如此紛繁復(fù)雜。
英國物理學家彼得·希格斯教授（圖片來自諾貝爾獎官方網(wǎng)站）
希格斯粒子就是希格斯場的代表，它被認為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是標準模型的基石。1988年，諾貝爾物理學獎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電子對撞機上看到了它的蹤影，但當時的統(tǒng)計數(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)說過，如果總不能證實希格斯粒子的存在，那么他將會“非常、非常困惑”，因為他“無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，物理學家們堅信，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日開始運行的大型強子對撞機；但也有可能找不到，那么標準模型這座大廈就會轟然倒塌。不過，物理學家們已經(jīng)作好了準備，他們知道，如果希格斯粒子被證實不存在，標準模型垮了，一定還會有另一種嶄新的理論來支撐這個世界。
從1899年湯姆遜爵士發(fā)現(xiàn)電子開始，在一個多世紀的時間里，物理學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)于這個世界的終極知識。隨著大型強子對撞機的運行，這個謎底可能會在2010年左右被揭開。
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，諾貝爾物理學獎會再次授予這一領(lǐng)域的研究。這一時刻，我們祝福今年79歲的希格斯能夠長命百歲。
