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物质世界的对称性破缺_2008年诺贝尔物理学奖简介

自然杂志 30卷6期诺贝尔奖简介 物质世界的对称性破缺

2008年诺贝尔物理学奖简介

邢志忠 周 顺!

研究员,!博士研究生,中国科学院高能物理研究所,北京100049

关键词 自发对称性破缺 CP对称性破坏 宇宙的物质 反物质不对称

由于对基本粒子物理学中的对称性破缺问题做出了重大理论贡献,美国芝加哥大学恩里科 费米研究所的美籍日本物理学家南部阳一郎(YoichiroNambu)、日本筑波高能加速器研究中心的小林诚(MakotoKobayashi)和日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英(ToshihideMaskawa)被授予2008年度的诺贝尔物理学奖。笔者将简要介绍他们获奖的工作,以及与之相关但尚未解决的宇宙的物质 反物质不对称难题。

对称性是科学研究中的重要指导性原则之一,也是

用来理解自然规律的有力工具。如果自然界中存在很

多的对称性,那么我们对它的理解就会容易得多,因为

对称性往往都和守恒定律联系在一起。比如说,时间

(空间)平移不变性意味着能量(动量)守恒,而空间旋转

不变性对应于角动量守恒。然而自然界中的对称性绝

大部分都是破缺的。一个典型的例子是李政道和杨振

宁在1956年提出的弱相互作用过程中的宇称不守

恒。在此之前人们普遍认为物理规律具有坐标反演

或镜像反射对称性,即宇称P应该是一个守恒的量子

数。吴健雄等实验家在1957年验证了李政道和杨振宁

的假说,并发现在弱相互作用中宇称发生最大程度的破

缺。考虑到弱相互作用中也不存在电荷共轭变换C的

不变性,一些理论家于是猜想C和P的联合变换也许是

弱相互作用的守恒量。这一观点在1964年被科洛恁

(JamesWatsonCronin)和费驰(ValLogsdonFitch)等

人证明是错误的,他们在奇异介子的衰变实验中首次观

测到了微小的CP破坏效应。

瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会于2008年10月7

日宣布,将2008年度的诺贝尔物理学奖授予美籍日本

理论物理学家南部阳一郎和日本理论物理学家小林诚

与益川敏英。南部获奖的主要工作是发现了亚原子物

理学中的对称性自发破缺机制,而小林和益川的主要贡

献是发现了弱电规范相互作用中CP对称性破坏的起源

并由此预言了自然界中存在三代夸克。他们的工作都

与对称性及其破缺有关,有力地推动了基本粒子物理学

的发展。[2][1]1南部与对称性自发破缺荷兰物理学家卡默林 昂纳斯(HeikeKamerlingh Onnes)在1911年发表了一个惊人的实验结果:当温度降到4.2K时,水银的电阻突然消失了。他将物质的这种特性称为超导电性。德国物理学家迈斯纳(WaltherMeissner)和奥克森菲尔德(RobertOchsenfeld)在1933年发现超导体具有完全抗磁性,即处在外磁场中的超导体其内部磁场强度为零。基于已有的实验证据和已提出的唯象模型,美国物理学家巴丁(JohnBardeen)、库珀(LeonCooper)和施里弗(JohnR.Schrieffer)在1957年提出了解释超导现象的微观理论(BCS理论)[3,4],他们因此获得了1972年度的诺贝尔物理学奖。简单来讲,超导体内部物理机制的描述可以归结为电子和金属离子之间的电磁相互作用。在费米面附近的电子之间可以存在相互吸引的作用力,这是通过交换声子(即晶格振动的量子)来实现的。当两个电子之间的这种相互吸引力超过库仑排斥力的时候,它们便结合成对,称为库珀对(Cooperpair)。正是库珀对在动量空间的凝聚导致超导态和正常态之间产生有限的能隙。物质的超导状态就是这些库珀对的集体效应的结果。1959年,南部试图从量子场论的角度来理解BCS超导理论:超导体内部的电子和金属离子之间是电磁相互作用,后者可以用阿贝尔规范理论来描述,那么BCS理论是规范不变的吗?我们知道,在超导体中的库珀对是自旋相反的两个电子,总电荷为-2e,因此该系统的基态是破坏规范不变性的。从这个问题出发,南部发现

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