物理學(xué)獎：上帝的臉，是對稱的嗎？

方玄昌

從狄拉克到楊振寧、李政道，再到今天的諾貝爾物理學(xué)獎得主，經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，創(chuàng)世者的神秘面紗正在被層層揭開

2008年度的諾貝爾物理學(xué)獎，日本人成為大贏家。

芝加哥大學(xué)的日裔科學(xué)家南部陽一郎獲得一半的諾貝爾獎金，以表彰他發(fā)現(xiàn)自發(fā)對稱破缺；另一半物理學(xué)頒發(fā)給日本本土科學(xué)家、來自日本學(xué)術(shù)振興會的小林誠，以及來自京都產(chǎn)業(yè)大學(xué)的益川敏英，以表彰他們對于對稱性破壞的解釋，以及預(yù)言第三類夸克的存在。

如果要對他們的理論直接解釋，又是一大堆專業(yè)術(shù)語——深邃的現(xiàn)代物理學(xué)理論似乎離普通大眾越來越遙遠(yuǎn)。但如果僅僅是宏觀描述，則這次的三個獲獎?wù)?，他們的理論所涉及的就是人們在孩提時代曾經(jīng)思考過的這些問題：我們的宇宙為什么是今天這個樣子？

南部陽一郎的研究還牽扯到一個看上去不是問題的問題：物質(zhì)為什么會有質(zhì)量、質(zhì)量從何而來？

狄拉克的“瘋狂”問題

在物理學(xué)中，能量通常用E來表示，質(zhì)量則用M來代表。

“如果在E和M的前面都加上一個負(fù)號，它們又分別表示什么意思呢？”1928年，年僅26歲的保羅·狄拉克提出這個在經(jīng)典物理學(xué)界看來簡直是“瘋狂”的問題。

“于是，他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎！”在2001年的一場演講會上，著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎得主丁肇中說，“狄拉克獲獎這一事件說明了兩個問題：第一，諾貝爾獎是很容易獲得的；第二，天才和瘋子之間的差別有時是很小的?！?/p>

丁肇中當(dāng)然是在調(diào)侃。狄拉克獲獎，是因?yàn)樗摹胺次镔|(zhì)”——即在M前加一個負(fù)號所代表的東西——理論提出4年之后的1932年，正電子被發(fā)現(xiàn)，他的猜想得到了驗(yàn)證。

而在1933年的諾貝爾獎頒獎儀式上，狄拉克在受獎演講中進(jìn)一步提出：根據(jù)他的理論，應(yīng)該存在一個與我們這個宇宙相對應(yīng)的“鏡像宇宙”，它全由反物質(zhì)組成。

天才的狄拉克后來成了劍橋大學(xué)的盧卡斯數(shù)學(xué)教授——這一席位依據(jù)17世紀(jì)英國國會議員亨利·盧卡斯的遺囑而設(shè)立。曾經(jīng)擔(dān)任這個光榮席位的，前有科學(xué)史上的超級巨匠伊薩克·牛頓，后有今天的“當(dāng)紅”理論物理學(xué)家、輪椅上的史蒂芬·霍金。

狄拉克的鏡像宇宙假說符合一種原始的美學(xué)觀念——我們的世界應(yīng)該是對稱的，因?yàn)閷ΨQ，所以才美。不過如果真的存在我們這個宇宙的“鏡像”，我們?nèi)f萬不能同它相遇，必須與它保持足夠遠(yuǎn)的距離——因?yàn)檎镔|(zhì)與反物質(zhì)如果相遇，其結(jié)果就是相互湮滅而成為一堆高能量的光子。

三種可能的宇宙圖景

在狄拉克提出“鏡像宇宙”之后15年，俄裔美籍科學(xué)家伽莫夫提出了大爆炸理論，并且，這一理論被越來越多的證據(jù)所支持，逐漸為主流科學(xué)界所接受。

于是，與大爆炸理論相結(jié)合，有關(guān)宇宙演化中正反物質(zhì)的對稱性問題出現(xiàn)了三種可能的情況。

第一種，在爆炸之初，正反物質(zhì)完全一樣多，正物質(zhì)組成了今天我們這個宇宙，而反物質(zhì)組成了另一個“鏡像宇宙”，這種情況正如狄拉克所言；

第二種情況，大爆炸剛開始的時候，正反物質(zhì)同時產(chǎn)生，是對稱的；但后來由于某種原因，這種對稱遭到了破壞，物質(zhì)在與反物質(zhì)較量中勝出，今天這個以正物質(zhì)為主導(dǎo)的宇宙出現(xiàn)，星系、恒星、地球和地球上的所有生命才得到機(jī)會演化；

第三種情況，大爆炸一開始，物質(zhì)和反物質(zhì)所占的比例本來就是如同今天這樣的，一開始就不存在所謂的正反物質(zhì)“對稱”。今天我們能觀測到的宇宙中，反物質(zhì)所占比例少到幾乎可以忽略。

楊振寧和李政道的開端

在宏觀領(lǐng)域，甚至在分子、原子這個尺度下，物理學(xué)世界都是對稱的。這在物理學(xué)中被稱為宇稱守恒，即物理定律在最深的層次上，不分左右，即左邊和右邊是守恒的。這正如我們看鏡子一般：鏡子里的所有景象，都與鏡子外的真實(shí)圖景一一對應(yīng)、對稱。

宇稱守恒定律原本是物理學(xué)界一致相信的原理之一。狄拉克提出反物質(zhì)和“鏡像宇宙”概念的時候，這一定律依然是物理學(xué)界的“共識”，也是一系列物理學(xué)定律的基礎(chǔ)。這一狀況一直維持到1956年。

這一年，兩位來自中國的年輕人，楊振寧和李政道，通過5年的合作研究，給出一個令當(dāng)時整個理論物理學(xué)界震驚的結(jié)論：在弱相互作用(是自然界最基本的四種力之一，另外三種是引力、電磁力和強(qiáng)相互作用)下，亞原子世界的宇稱守恒可能遭到了破壞，也就是，宇稱不守恒。

我們可以簡單地理解為，宇稱不守恒指的就是亞原子粒子照鏡子時，鏡子里的影像與鏡子外的實(shí)體是不對稱的。

僅僅幾個月之后，同樣是來自中國的女科學(xué)家吳健雄設(shè)計(jì)出精巧的實(shí)驗(yàn)(這一觀察亞原子尺度下粒子行為規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，被稱為科學(xué)史上難度最大的極少數(shù)幾個實(shí)驗(yàn)之一)，證明了楊振寧和李政道的理論，推翻了物理學(xué)上屹立三十年之久的宇稱守恒定律。

瑞典皇家科學(xué)院立即將1957年的諾貝爾物理獎，頒發(fā)給楊振寧和李政道——一項(xiàng)成果從理論的提出，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到獲得諾貝爾獎僅僅只有一年多一點(diǎn)的時間，這在科學(xué)史上是絕無僅有的。

仍在迷惘中的“鏡像宇宙”

宇稱守恒被弱相互作用打破之后，或許是依然鐘情于對稱這一美學(xué)概念，人們曾經(jīng)設(shè)想CP對稱——簡單地說，就是物質(zhì)與反物質(zhì)間的對稱——可以補(bǔ)救這個破壞。

然而，事實(shí)并沒有如同科學(xué)家所設(shè)想的那樣去發(fā)展。1964年詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇提供了明顯的CP對稱也被破壞的跡象。為此他們于1980年獲得諾貝爾獎。

1972年，小林誠與益川敏英提出了對CP對稱性破壞的解釋性理論。美國和日本的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)了他們的理論。

現(xiàn)在看來，對宇宙演化的圖景，科學(xué)家越來越傾向于前面提到的第二種：宇宙大爆炸之初產(chǎn)生了相同多的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們互相抵消而轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚捎谝环N對稱性破缺，使得每百億對物質(zhì)和反物質(zhì)粒子中就多出了一個額外的物質(zhì)粒子，這些額外多出的粒子，就組成了我們今天的宇宙。

物理學(xué)的世界是美妙的。而現(xiàn)在，科學(xué)家告訴我們，或許，這個美麗的物理學(xué)世界中，的確存在一些瑕疵，正是這些瑕疵的作用，才使得今天這個世界得以存在。

那么，“鏡像宇宙”就已經(jīng)確信不存在了嗎？事情還沒那么簡單。

確實(shí)，在目前可觀測的宇宙范圍內(nèi)，科學(xué)家沒有看到“鏡像宇宙”的蹤跡；但宇宙中存在一些超高能射線，這些射線的起源迄今未明，科學(xué)家懷疑，它們極有可能來源于我們目前觀測到的宇宙之外。

丁肇中主持、眾多中國科研人員參與的阿爾法磁譜儀國際科學(xué)項(xiàng)目，其中任務(wù)之一，就是尋找宇宙中自然存在的反物質(zhì)，包括反物質(zhì)組成的宇宙。沒準(zhǔn)，幾年后它還真能找到那個“鏡像宇宙”，而讓我們的物理學(xué)殿堂更加對稱、更加完美。

(感謝中國科學(xué)院高能物理研究所邢志忠研究員對本文的幫助)