对称还是不对称(1)
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2008年10月7日瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将2008年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家南部阳一郎和两位日本科学家小林诚、益川敏英。南部阳一郎因为发现亚原子物理的对称性自发破缺机制而获奖，日本科学家小林诚、益川敏英因发现对称性破缺的来源并预言了自然界至少存在三代夸克获此殊荣。
这两个互相关联的成就的重要意义是什么?什么是物理学中对称性?什么是对称性破缺和自发破缺?这两个重大发现对物理学发展有什么样的深远影响?
对称性和对称性破缺是自然界中的基本规律
对称性存在于自然界许多客观物体的几何形状之中，例如物体和镜中的像物体有镜像对称性，一个球形物体对它的轴有转动对称性等。从物理上讲，在不同时间不同地点做同样一个物理实验其结果是相同的，不会因为在中国和美国做出不同物理规律的结果。这意味着对一个物理系统时空坐标原点的选取和坐标轴方向的选取都不影响客观的物理规律，或者说时间一空间是均匀对称和各向同性的。这就决定了微观世界中基本粒子特性和它们之间的相互作用规律存在各种对称性质。
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物理系统的对称性是和物理量的守恒律紧密相关的。例如时间-空间的各向同性意味着物理系统在时间一空间平移变换和转动变换下是不变的，这相应于能量一动量守恒律和角动量守恒律，其守恒量是能量、动量、角动量。与空间坐标反射对称性相关的是宇称守恒律，其守恒量是宇称(以p标记)。在微观物理研究领域，每个粒子都存在着一个反粒子，例如电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。粒子与反粒子的质量相同但守恒量子数相反，两者相遇会发生剧烈的湮灭反应生成能量量子。与正、反粒子对称性相关的是电荷共轭守恒量(以C标记)。与时间反演对称性相关的守恒量是时间反演宇称(以T标记)。由物理学普遍原理知微观世界遵从空间反射、时间反演、电荷共轭三者联合变换下是不变的，即所谓的CPT定理。
1956年，李政道、杨振宁首先提出宇称(左右)对称性在弱相互作用下是破缺的，即宇称不守恒规律。这就打破了人们在历史上一贯认为的运动中对称性守恒是基本规律的传统观念。1964年克隆宁和费希等从K介子系统实验中又发现宇称和电荷共轭联合(CP)也是破缺的。人们逐渐认识到对称性和对称性破缺是自然界中的基本规律。
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CP对称性破缺起源于存在第三代夸克
大家知道，物质结构的研究已从早先的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次。20世纪60年代初人们从加速器实验中发现了100多种基本粒子，于是产生了高能物理学(或粒子物理学)。这些基本粒子可以分为两类：一类是参与强相互作用的粒子，如质子、中子、π介子、奇异粒子和～系列的共振态粒子等，统称为强子；另一类是不参与强相互怍用，只参与电磁、弱相互作用拘粒子，如电子、μ子和中微子等，统称为轻子。高能物理实验又进一步揭示上百种强子并不‘基本”，是有内部结构的。质子、中子、π介子等强子是由更小的夸克组成的，夸克被看成是物质结构的新层次，并提出了夸克模型理论。这些强子是由三种更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s)组成的。20世纪60年代大量的实验证实了这三种夸克的存在。1974年，丁肇中和里克特发现了第四种夸克——粲夸克c，1977年发现了底夸克b，1995年发现了顶夸克t。因此，这6种夸克就是构成所有数百种强子的“基本”单元。同时轻子的发现也达到了6种(电子e、电子型中微子ve。μ子、μ型中微子vμ、τ轻子、τ型中微子vτ)。因此夸克和轻子就是目前阶段我们所认识的物质结构的新层次，人们称上夸克u、下夸克d为第一代夸克，粲夸克c、奇异夸克s为第二代夸克，顶夸克t、底夸克b为第三代夸克。
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夸克、轻子通过电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象。传递电磁相互作用的媒介子是光子(γ)，传递弱相互作用的是荷电中间玻色子(w+，W-)和中性中间玻色子，传递强相互作用的是8种胶子(g)。
早在底夸克b发现之前五年，1973年小林和益川在日本学术刊物《理论物理进展》发文指出：如果自然界中还存在(至少)第三代夸克(顶夸克t和底夸克b)，微观粒子系统中的CP破坏见象就可以得到解释。从而预言了底夸克b和顶夸克t的存在并为实验所证实。他们还认识到B介子(包含b夸克的介子)有可能是研究CP对称性破坏的最理想的场所。90年代末美国和日本花巨资建造了B介子工厂就是为了寻找在B介子中CP不守恒现象。此后几年来两个B介子工厂拘实验(美国的BaBar和日本的Belle)证实了他们提出的CKM矩振(KM是Kobayashi-Maskawa的缩写，c是意大利科学家NicolaCab ibbo的代称)。迄今为止CP破坏现象是在K介子和B介子中发现的，人们也可以问，除了夸克系统外，在轻子系统是否也存在CP不守恒的现象?自发对称性破缺和它的重要性
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1967年，温伯格和萨拉姆提出了电磁相互作用和弱相互作用统一理论，并预言了弱中性流的存在以及传递弱相互作用的中间玻色子的质量，格拉肖、温伯格和萨拉姆获1979年诺贝尔物理学奖。1983年1月和6月分别发现了带电的和中性的中间玻色子，实验上测到的中间玻色子的质量与理论预言惊人地一致。这一发现证实了弱电统一理论的成功，其意义可以与将麦克斯韦电学和磁学统一理论的验证相比拟。弱电统一理论与1973年提出的描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论合在一起统称为高能物理(或粒子物理)中的标准模型理论。20世纪70年代到20世纪末，大量的高能物理实验证实了粒子物理中标准模型理论的成功，这一理论已经受到了实验检验并正在继续发展。标准模型理论是近半个世纪以来探索物质结构研究的结晶，是本世纪探索微观世界规律的极重要的成就。可以相信，标准模型理论的发展必将导致深层次动力学规律的发现和建立。
弱电统一模型理论成功的一个关键点是引入真空对称性自发破缺机制。在弱电统一理论模型中，电磁相互作用和弱相互作用分别通过光子和中间玻色子等媒介子传递，它们可以用一种统一的量子规范场来描述，这一规范场与相互作用的夸克和轻子遵从规范不变的内部对称性。然而精确的规范不变性要求光子和中间玻色子是无质量的，这一点仅对传递电磁相互作用的光子是正确的。引入真空对称性自发破缺机, 百拇医药(黄 涛)