物理學獎：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獎得主，經過幾代科學家的努力，創世者的神秘面紗正在被層層揭開

2008年度的諾貝爾物理學獎，日本人成為大贏家。

芝加哥大學的日裔科學家南部陽一郎獲得一半的諾貝爾獎金，以表彰他發現自發對稱破缺；另一半物理學頒發給日本本土科學家、來自日本學術振興會的小林誠，以及來自京都產業大學的益川敏英，以表彰他們對于對稱性破壞的解釋，以及預言第三類夸克的存在。

如果要對他們的理論直接解釋，又是一大堆專業術語——深邃的現代物理學理論似乎離普通大眾越來越遙遠。但如果僅僅是宏觀描述，則這次的三個獲獎者，他們的理論所涉及的就是人們在孩提時代曾經思考過的這些問題：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：物質為什么會有質量、質量從何而來？

狄拉克的“瘋狂”問題

在物理學中，能量通常用E來表示，質量則用M來代表。

“如果在E和M的前面都加上一個負號，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典物理學界看來簡直是“瘋狂”的問題。

“于是，他獲得了諾貝爾物理學獎！”在2001年的一場演講會上，著名華裔物理學家、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。”

丁肇中當然是在調侃。狄拉克獲獎，是因為他的“反物質”——即在M前加一個負號所代表的東西——理論提出4年之后的1932年，正電子被發現，他的猜想得到了驗證。

而在1933年的諾貝爾獎頒獎儀式上，狄拉克在受獎演講中進一步提出：根據他的理論，應該存在一個與我們這個宇宙相對應的“鏡像宇宙”，它全由反物質組成。

天才的狄拉克后來成了劍橋大學的盧卡斯數學教授——這一席位依據17世紀英國國會議員亨利·盧卡斯的遺囑而設立。曾經擔任這個光榮席位的，前有科學史上的超級巨匠伊薩克·牛頓，后有今天的“當紅”理論物理學家、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觀念——我們的世界應該是對稱的，因為對稱，所以才美。不過如果真的存在我們這個宇宙的“鏡像”，我們萬萬不能同它相遇，必須與它保持足夠遠的距離——因為正物質與反物質如果相遇，其結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所支持，逐漸為主流科學界所接受。

于是，與大爆炸理論相結合，有關宇宙演化中正反物質的對稱性問題出現了三種可能的情況。

第一種，在爆炸之初，正反物質完全一樣多，正物質組成了今天我們這個宇宙，而反物質組成了另一個“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，正反物質同時產生，是對稱的；但后來由于某種原因，這種對稱遭到了破壞，物質在與反物質較量中勝出，今天這個以正物質為主導的宇宙出現，星系、恒星、地球和地球上的所有生命才得到機會演化；

第三種情況，大爆炸一開始，物質和反物質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“對稱”。今天我們能觀測到的宇宙中，反物質所占比例少到幾乎可以忽略。

楊振寧和李政道的開端

在宏觀領域，甚至在分子、原子這個尺度下，物理學世界都是對稱的。這在物理學中被稱為宇稱守恒，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，都與鏡子外的真實圖景一一對應、對稱。

宇稱守恒定律原本是物理學界一致相信的原理之一。狄拉克提出反物質和“鏡像宇宙”概念的時候，這一定律依然是物理學界的“共識”，也是一系列物理學定律的基礎。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，給出一個令當時整個理論物理學界震驚的結論：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體是不對稱的。

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

瑞典皇家科學院立即將1957年的諾貝爾物理獎，頒發給楊振寧和李政道——一項成果從理論的提出，到實驗驗證，再到獲得諾貝爾獎僅僅只有一年多一點的時間，這在科學史上是絕無僅有的。

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概念，人們曾經設想CP對稱——簡單地說，就是物質與反物質間的對稱——可以補救這個破壞。

然而，事實并沒有如同科學家所設想的那樣去發展。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。美國和日本的兩項實驗分別證實了他們的理論。

現在看來，對宇宙演化的圖景，科學家越來越傾向于前面提到的第二種：宇宙大爆炸之初產生了相同多的物質和反物質，它們互相抵消而轉變為能量，但由于一種對稱性破缺，使得每百億對物質和反物質粒子中就多出了一個額外的物質粒子，這些額外多出的粒子，就組成了我們今天的宇宙。

物理學的世界是美妙的。而現在，科學家告訴我們，或許，這個美麗的物理學世界中，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”就已經確信不存在了嗎？事情還沒那么簡單。

確實，在目前可觀測的宇宙范圍內，科學家沒有看到“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項目，其中任務之一，就是尋找宇宙中自然存在的反物質，包括反物質組成的宇宙。沒準，幾年后它還真能找到那個“鏡像宇宙”，而讓我們的物理學殿堂更加對稱、更加完美。

(感謝中國科學院高能物理研究所邢志忠研究員對本文的幫助)