【物理学奖：上帝的脸，是对称的吗？】 物理是上帝的
时间：2020-02-17 07:24:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
从狄拉克到杨振宁、李政道，再到今天的诺贝尔物理学奖得主，经过几代科学家的努力，创世者的神秘面纱正在被层层揭开 2008年度的诺贝尔物理学奖，日本人成为大赢家。
芝加哥大学的日裔科学家南部阳一郎获得一半的诺贝尔奖金，以表彰他发现自发对称破缺；另一半物理学颁发给日本本土科学家、来自日本学术振兴会的小林诚，以及来自京都产业大学的益川敏英，以表彰他们对于对称性破坏的解释，以及预言第三类夸克的存在。
如果要对他们的理论直接解释，又是一大堆专业术语――深邃的现代物理学理论似乎离普通大众越来越遥远。但如果仅仅是宏观描述，则这次的三个获奖者，他们的理论所涉及的就是人们在孩提时代曾经思考过的这些问题：我们的宇宙为什么是今天这个样子？
南部阳一郎的研究还牵扯到一个看上去不是问题的问题：物质为什么会有质量、质量从何而来？
狄拉克的“疯狂”问题
在物理学中，能量通常用E来表示，质量则用M来代表。
“如果在E和M的前面都加上一个负号，它们又分别表示什么意思呢？”1928年，年仅26岁的保罗・狄拉克提出这个在经典物理学界看来简直是“疯狂”的问题。
“于是，他获得了诺贝尔物理学奖！”在2001年的一场演讲会上，著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主丁肇中说，“狄拉克获奖这一事件说明了两个问题：第一，诺贝尔奖是很容易获得的；第二，天才和疯子之间的差别有时是很小的。”
丁肇中当然是在调侃。狄拉克获奖，是因为他的“反物质”――即在M前加一个负号所代表的东西――理论提出4年之后的1932年，正电子被发现，他的猜想得到了验证。
而在1933年的诺贝尔奖颁奖仪式上，狄拉克在受奖演讲中进一步提出：根据他的理论，应该存在一个与我们这个宇宙相对应的“镜像宇宙”，它全由反物质组成。
天才的狄拉克后来成了剑桥大学的卢卡斯数学教授――这一席位依据17世纪英国国会议员亨利・卢卡斯的遗嘱而设立。曾经担任这个光荣席位的，前有科学史上的超级巨匠伊萨克・牛顿，后有今天的“当红”理论物理学家、轮椅上的史蒂芬・霍金。
狄拉克的镜像宇宙假说符合一种原始的美学观念――我们的世界应该是对称的，因为对称，所以才美。不过如果真的存在我们这个宇宙的“镜像”，我们万万不能同它相遇，必须与它保持足够远的距离――因为正物质与反物质如果相遇，其结果就是相互湮灭而成为一堆高能量的光子。
三种可能的宇宙图景
在狄拉克提出“镜像宇宙”之后15年，俄裔美籍科学家伽莫夫提出了大爆炸理论，并且，这一理论被越来越多的证据所支持，逐渐为主流科学界所接受。
于是，与大爆炸理论相结合，有关宇宙演化中正反物质的对称性问题出现了三种可能的情况。
第一种，在爆炸之初，正反物质完全一样多，正物质组成了今天我们这个宇宙，而反物质组成了另一个“镜像宇宙”，这种情况正如狄拉克所言；
第二种情况，大爆炸刚开始的时候，正反物质同时产生，是对称的；但后来由于某种原因，这种对称遭到了破坏，物质在与反物质较量中胜出，今天这个以正物质为主导的宇宙出现，星系、恒星、地球和地球上的所有生命才得到机会演化；
第三种情况，大爆炸一开始，物质和反物质所占的比例本来就是如同今天这样的，一开始就不存在所谓的正反物质“对称”。今天我们能观测到的宇宙中，反物质所占比例少到几乎可以忽略。
杨振宁和李政道的开端
在宏观领域，甚至在分子、原子这个尺度下，物理学世界都是对称的。这在物理学中被称为宇称守恒，即物理定律在最深的层次上，不分左右，即左边和右边是守恒的。这正如我们看镜子一般：镜子里的所有景象，都与镜子外的真实图景一一对应、对称。
宇称守恒定律原本是物理学界一致相信的原理之一。狄拉克提出反物质和“镜像宇宙”概念的时候，这一定律依然是物理学界的“共识”，也是一系列物理学定律的基础。这一状况一直维持到1956年。
这一年，两位来自中国的年轻人，杨振宁和李政道，通过5年的合作研究，给出一个令当时整个理论物理学界震惊的结论：在弱相互作用(是自然界最基本的四种力之一，另外三种是引力、电磁力和强相互作用)下，亚原子世界的宇称守恒可能遭到了破坏，也就是，宇称不守恒。
我们可以简单地理解为，宇称不守恒指的就是亚原子粒子照镜子时，镜子里的影像与镜子外的实体是不对称的。
仅仅几个月之后，同样是来自中国的女科学家吴健雄设计出精巧的实验(这一观察亚原子尺度下粒子行为规律的实验，被称为科学史上难度最大的极少数几个实验之一)，证明了杨振宁和李政道的理论，推翻了物理学上屹立三十年之久的宇称守恒定律。
瑞典皇家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖，颁发给杨振宁和李政道――一项成果从理论的提出，到实验验证，再到获得诺贝尔奖仅仅只有一年多一点的时间，这在科学史上是绝无仅有的。
仍在迷惘中的“镜像宇宙”
宇称守恒被弱相互作用打破之后，或许是依然钟情于对称这一美学概念，人们曾经设想CP对称――简单地说，就是物质与反物质间的对称――可以补救这个破坏。
然而，事实并没有如同科学家所设想的那样去发展。1964年詹姆斯・克罗宁和瓦尔・菲奇提供了明显的CP对称也被破坏的迹象。为此他们于1980年获得诺贝尔奖。
1972年，小林诚与益川敏英提出了对CP对称性破坏的解释性理论。美国和日本的两项实验分别证实了他们的理论。
现在看来，对宇宙演化的图景，科学家越来越倾向于前面提到的第二种：宇宙大爆炸之初产生了相同多的物质和反物质，它们互相抵消而转变为能量，但由于一种对称性破缺，使得每百亿对物质和反物质粒子中就多出了一个额外的物质粒子，这些额外多出的粒子，就组成了我们今天的宇宙。
物理学的世界是美妙的。而现在，科学家告诉我们，或许，这个美丽的物理学世界中，的确存在一些瑕疵，正是这些瑕疵的作用，才使得今天这个世界得以存在。
那么，“镜像宇宙”就已经确信不存在了吗？事情还没那么简单。
确实，在目前可观测的宇宙范围内，科学家没有看到“镜像宇宙”的踪迹；但宇宙中存在一些超高能射线，这些射线的起源迄今未明，科学家怀疑，它们极有可能来源于我们目前观测到的宇宙之外。
丁肇中主持、众多中国科研人员参与的阿尔法磁谱仪国际科学项目，其中任务之一，就是寻找宇宙中自然存在的反物质，包括反物质组成的宇宙。没准，几年后它还真能找到那个“镜像宇宙”，而让我们的物理学殿堂更加对称、更加完美。
(感谢中国科学院高能物理研究所邢志忠研究员对本文的帮助)
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