2008年诺贝尔物理学奖得主主要成果介绍.doc

2008年诺贝尔物理学奖得主主要成果介绍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授予美国科学家南部阳一郎和两位日本科学家小林诚、利川敏英。南部阳一郎因为发现次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、利川敏英因发现对称性破缺的来源获此殊荣。 南部阳一郎是美国公民，1921年出生在日本东京，他1952年从东京大学获得科学博士学位，他是芝加哥大学恩里科-费米学院的名誉退休教授。小林诚是日本公民，他1944年出生在日本名古屋，1972年获得名古屋大学博士学位，他是日本筑波的高能加速器研究组织的名誉退休教授。利川敏英是日本公民，1940年出生，他1967年获得名古屋大学博士学位，他目前是东京大学汤川理论物理研究所的名誉退休教授。南部阳一郎将获得一半的奖金。小林诚、利川敏英将分享另一半奖金。 我们的世界并非以一种完美对称的方式运行，这归因于微观层面上对称性的“偏离”。 早在1960年，南部阳一郎就给出了基础粒子物理中的对称性自发破缺的数学描绘。对称性自发破缺在一个显然很混杂的表面隐藏了自然的秩序。它被证实是非常有用的。南部阳一朗的理论渗透了基础粒子物理的“标准模型”。这一模型用一个单一的理论统一了所有物质的最小的构建单元和自然界四种自然力中的三种。 南部阳一朗所研究的对称性自发破缺与小林诚、利川敏英所描述的对称性破缺存在不同。这些自发事件看起来在宇宙开始出现就存在，当这一现象1964年首次出现在粒子实验时，人们对此感到非常震惊。科学家们近年才完全证实了小林诚、利川敏英1972年给出的解释，这是小林诚、利川敏英获得诺贝尔物理学奖的原因。他们在标准模型的框架下对对称破缺进行了解释，但是需要将模型扩展至三个夸克家族。他们所预言的这些表夸克最近才在物理实验中出现。美国斯坦福的BaBAR和日本筑波的Belle两个粒子探测器2001年晚些时候都发现了互相独立的对称破缺，这一结果正是小林诚、利川敏英三十年前所预言的那样。 到目前为止，人们仍无法解释一种同类型的对称破称，它是140亿年前宇宙大爆炸时宇宙起源的幕后力量。如果宇宙大爆炸产生了相同的物质和反物质，它们应当互相抵消，但这并没有发生，每100亿个反物质粒子就有一个额外的物质粒子发生了微小的偏移。这种对称破缺可能是使我们宇宙得以幸存的原因。这究竟是如何发生的仍待探索，也许，日内瓦的欧洲核子研究中心的新型粒子加速器将帮助解开一些仍在继续困扰我们的奥秘。对称性破缺对称性破缺是量子场论的重要概念，指理论的对称性为真空所破坏,对探索宇宙的本原有重要意义。它包含“自发对称性破缺”和“动力学对称性破缺”两种情形。symmetry breaking根据已知理论，大约137亿年前，宇宙在一次“大爆炸”中诞生。之后，夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的反粒子构成了物质。粒子和反粒子一旦碰撞，将“同归于尽”。因此，如果两者始终并存，宇宙中的物质最终将消失殆尽，但是，现在的宇宙中只有粒子“幸存”，没有发现反粒子。科学家认为，反粒子幸存率不如粒子，是因为除电荷相反外，还存在其他微小差异，这种粒子和反粒子的性质差异被称为“对称性破缺”，它的机制是亚原子物理学的一大谜团。它们在理论物理模型中都有重要应用。著名例子分别为标准模型中的希格斯机制和超导物理中的BCS理论。 被真空解破坏的对称性可以是整体或局域对称性，对称群可以是分立或连续的。 中国科学院物理研究所研究员、博士生导师曹则贤说，“这是一个涉及基础物理和群论的概念，现在已被广泛应用到许多物理领域的研究中。” 什么是对称性破缺？曹则贤举了一个简单的例子：水和水蒸气在各个不同空间方向上都是一样的，具有球对称性。将水慢慢冷却，在冰点的时候水会结成冰，而冰中的水分子是有择优取向的。这时，它的对称性变低了。“我们说在水结成冰的过程中发生了对称性破缺。”曹则贤说，如果这个例子还嫌抽象的话，可以观察一下我们的手手掌是连续的，往前则分出5个分立的手指，这也可以表述为发生了对称性破缺。 “自发对称性破缺在物理理论中指的是真空态比描述体系的拉格朗日量具有更低对称性的情形。”曹则贤说，“这是关于基本粒子物理的一个概念，在日常生活层面很难找到一个恰当的比喻来描述它。” 曹则贤介绍，南部阳一郎在20世纪60年代最先在超导研究中引入了自发对称性破缺的概念，后将之应用到粒子物理的研究，发展了自发对称性破缺模型以揭示重子质量的起源。小林诚和益川敏英则在上世纪七十年代引入了描述夸克质量的矩阵，特别是认识到在矩阵的夸克三角形区中的电荷宇称对称性破缺要求至少三代，即获奖理由中所谓的三族不同的夸克。 曹则贤说，自发对称性破缺、夸克和基本粒子质量的起源都是近代物理学的重要概念，此前美国科学家盖尔曼就因夸克概念的提出而于年获得了诺贝尔物理学奖，3位美国科学家格罗斯、普利策和维尔泽克因关于夸克的渐进自由度概念的提出分享了年的诺贝尔物理学奖。3位日本（裔）物理学家引入或应用自发对称性破缺的概念，并在基本粒子领域作出了许多突出成就，他们获得诺贝尔奖实属实至名归。 曹则贤认为，3位日本（裔）物理学家此次包揽了本年度的物理学诺贝尔奖，再次展示了日本在物理学教育和研究方面的巨大成功。此前，日本物理学家获得诺贝尔奖的有汤川秀树（年）、朝永振一郎（年）、江崎玲於奈（年）、小柴昌俊（）等人，而此次获奖的南部阳一郎在上世纪四十年代曾担任朝永振一郎的助手。 中科院理论物理研究所所长吴岳良院士，也是一位从事粒子物理理论和量子场研究的科学家。他到日本访问时曾经当面和小林诚进行过交流。吴岳良说：“小林诚是一个很有学者风度的人，虽然话不多，但是所提的问题都很有针对性。” 吴岳良说，我国在这方面的研究也处于国际前沿，目前正在就对称性破缺的一些问题进行更深的研究。对称性自发破缺原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺。或者用物理语言叙述为：控制参量跨越某临界值时，系统原有对称性较高的状态失稳，新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态，系统将向其中之一过渡。 时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。对称性自发破缺对于认识自然的具有重要的意义。 具体事例下面列举几个对称性自发破缺的事例： 弱作用中宇称不守恒实验已经证明，强作用下宇称守恒。这是与微观粒子的镜象对称性相联系的守恒定律。1956年前后，在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了“t q 疑难”。实验中发现的t 和q 粒子，它们质量相等，电荷相同，寿命也一样。但它们衰变的产物却不相同： 实验结果的分析表明，3个p 介子的总角动量为零，宇称为负。而2个p 介子的总角动量如为零，则宇称只能是正。因此，从质量、寿命和电荷来看， q 和t 似乎是同一种粒子。但从衰变行为来看，如果宇称是守恒量，则q 和t 就不可能是同一种粒子。 1956年，李政道和杨振宁解决了这个难题。他们提出弱相互作用过程中宇称不守恒的设想，吴健雄的钴60原子核b 蜕变实验验证了这个设想。1957年，吴健雄在10-2 K下做原子核b 衰变实验，用核磁共振技术使核自旋按确定方向排列，观察b 衰变后的电子数分布，发现无镜像对称性 证明了弱作用的宇称不守恒性。 1957年李政道和杨振宁获诺贝尔物理奖。 贝纳德对流1900年法国学者贝纳尔 (H.Benard)发现：从下面均匀加热水平容器中薄层液体时,若上下温差超过一临界值, 液体中突现类似蜂房的六边形网格, 液体的传热方式由热传导过渡到了对流，每个六角形中心的液体向上流动，边界处液体向下流动。这是对流与抑止因素(黏性和热扩散)竞争的结果。 意大利怪钟这是1443年 Paolo Uccello绘制的24小时逆时针方向运行的“怪钟”（如图）。经济学家Arthur Brian以此钟为例,论述经济领域中的正反馈现象。他说，1443年钟的设计尚未定型。一种表盘的设计用得愈多，就有更多人习惯于读它，以后它就被采用得愈多。最后形成现在的惯例。这就是从 正反馈到失稳，再从失稳到对称破缺的过程。 重子反重子的不对称1933年Dirac理论预言: 每种粒子都有自己的反粒子, 正反粒子完全对称，也许在遥远的地方存在“反物质世界(anti-world)”。按照粒子物理学的分类，质子、中子以及它们的反粒子都属于重子，重子数B 是个守恒量。重子数 B 的定义是：每个重子的B =1, 每个反重子的B =-1。于是，在重子对产生和湮灭的过程中，重子数总和保持为零。各种天文观测表明： 宇宙线中反质子与质子数量之比 ；无论在太阳系内、银河系内、还是整个星系团的更大范围内，都未观察到湮没引起的强大g 射线。如果认为重子数守恒是一条在任何情况下都颠扑不破的定理，就只好认为，宇宙从它诞生时刻起就存在现今那样多的不为零的重子数，即重子与反重子一开始就不对称。目前，对正、反重子不对称比较可能的解释是，早期极高温的宇宙中存在着违反重子数守恒的过程。 生物界的左右不对称大多数动物在外观上都具有左右对称性，但体内的器官就不那么对称了。如果深入到分子层次，就会发现一种普遍存在于生物界的更深刻的左右不对称性。1844年德国化学家E.E.Mitscherlich发现，酒石酸钠铵和葡萄酸钠铵的结晶具有相同的晶形，一样的化学性质，但溶液的旋光性不同。前者使偏振面右旋，后者无旋光性。1847年法国Louis Pasteur发现了葡萄酸钠铵中有互为镜象对称的两种旋光异构物，其结构如图所示。对此现象解释的信念是：光活性有与生命过程相联系的起源。 现代生物化学指出：有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子四个键的空间构形有关。用L(livo)和D(dextro)分别表示左、右型旋光异构体，(+)、(-)代表该物质的溶液的旋光方向，（-）表示左旋，（+）代表右旋。碳四面体的左右两种构型、甘油醛中四个基团L、D两种构型以及丙氨酸的旋光异构体简要图示如左图，它明显地反映出了其结构的左右不对称性。生命的基本物质是生物大分子，它包括蛋白质、核酸、多糖和脂类。其中蛋白质是生命功能的执行者，其分子是右氨基酸组成的长链。每种氨基酸都应有L、D两种旋光异构体。但实验证明组成生物蛋白质的20种氨基酸都是L型的，D型氨基酸只存在于细菌细胞壁和其它细菌产物中。核酸是遗传信息的携带者和传递者，分为核糖核酸(RNA)和脱氧核酸(DNA)两种。右下图是DNA分子双螺旋结构模型，通常是右旋的。这正是生物大分子的手性特征。生物体内化合物的这种左右不对称性正是生命力的体现。维持这种左右不平衡状态的是生物体内的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见，生命与分子的不对称性息息相关。问题是地球上生命发源之初，左右对称性的破缺是怎样开始的？即分子手性的起源是什么？生物的起源是什么？这些都是有待人们去研究的谜。 总之，时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。对称性破缺的机制是什么？实在现象中的对称性破缺与基本物理规律的对称性是否相容？不同层次的非对称性间如何关联？这些都是现代物理尚未解决的重要课题。 真空本质和对称性破缺真空不空，宇宙广大区域的真空中运行着光速的光子、中微子，超光速的引力子、反引力子，用E1=ma2方程计算，真空中蕴藏着的能量是很大的，而且不同区域的真空蕴藏的能量差异极大，如黑洞奇点的真空区和宇宙奇点的真空区与宇宙广大区域的真空相比较。 宇宙真空充满了引力子和反引力子，而且由于纯引力的黑洞存在，宇宙总体上已出现了引力子和反引力子的不对称，即引力子总量多于反引力子。对称性破缺的本质来自于宇宙真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制。 如果系统受到一个小扰动破坏了它的对称性，我们说它的对称性破缺，比如，原子中的这样一个扰动可以由电场引起，由于扰动的作用，原子将不再停留在它原先的定态上，而从一个能级跃迁到另一个能级，并发射或吸收一个可见光光子。对称性破缺同样出现在粒子中，这时的干扰因素就是宇宙中无所不在的引力子和反引力子。之所以出现“宇称不守恒”，是因有些粒子在真空中的引力子、反引力子的干扰下，必然会出现上述现象，而且较易出现在有弱核力参与的粒子转化过程中，因为这种力较弱，即反引力场较弱，较易受到外界的引力子或反引力子的干扰。 在宇宙中，上下级物质特别容易产生干扰，形成对称性破缺，粒子级物质较易对原子形成干扰，因为前者是后者的结构材料，同理，引力子级物质较易对粒子形成干扰，形成对称性破缺。而引力子级物质对原子、分子、生物体较难在短期内形成可察觉的干扰，因为它们存在巨大的质量差异，这种干扰只能渐进式的，一种从“量变到质变”的缓慢过程，引力子级物质最先影响粒子级物质，通过它逐渐对原子形成影响。 粒子世界的“不确定”、“测不准”就是因为粒子质量太小，而宇宙真空中的引力子、反引力子密度比光子、中微子等粒子高出很多倍，引力场使得宏观宇宙的时空都发生弯曲，粒子在无数引力子和反引力子的碰撞干扰下，出现“不确定”、“测不准”是必然的。 正是真空的这种特性，造成“宇称不守恒、CP破坏及时间（T）反演不变性的破坏、规范对称性的自发破缺”等一系列对称性丢失。而且宇宙必须存在对称中的不对称，完全对称的宇宙将会凝结，如果正奇子与反奇子在对抗与协同中完全对称，将不可能形成引力子与反引力子，如果正、反夸克组合出完全对称的正、反质子，正、反中子，今日的宇宙将只剩下微波辐射。自发对称破缺机制自发对称性破缺机制，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。 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2008年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院日发布的有关材料，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，世纪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。标准模型将自然界种基本力中的种以及组成所有物质的基本粒子都统一到一套理论之中。名词解释自发对称破缺机制根据已知理论，大约137亿年前，宇宙在“大爆炸”中诞生。之后，夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的反粒子构成了物质。粒子和反粒子一旦碰撞，将在释出光后“同归于尽”。因此，如果两者始终并存，宇宙中的物质最终将消失殆尽，但是，现在的宇宙中只有粒子“幸存”，没有发现反粒子。科学家认为，反粒子幸存率不如粒子，是因为除电荷相反外，还存在其他微小差异，这种粒子和反粒子的性质差异被称为“对称破缺”，它的机制是亚原子物理学的一大谜团。因