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解读2008诺贝尔自然科学奖:解决人类的难题

2008.10.13

物理学奖:追问宇宙存在之谜

获奖人:南部阳一郎、小林诚、益川敏英

南部阳一郎、小林诚、益川敏英:量子世界的预言家

出生于日本,今年已经87岁高龄的南部阳一郎是美国理论物理学家,现就职于美国芝加哥大学恩里科·费米学院。他在物理学自发对称破缺机制上作出了开创性的工作,其结果被称为南部-戈德斯通定理。

“南部阳一郎取得的学术成就非常多,发现亚原子物理学中的自发性对称破缺机制只是其中之一。”10年前到美国芝加哥大学恩里科·费米学院从事为期3年的学术研究工作,曾与南部阳一郎教授共事的中国科学院理论物理研究所李淼研究员对《北京科技报》说。

在恩里科·费米学院期间,李淼和南部阳一郎教授有过几次学术上的交流。“一次,我和同事合作完成一篇论文,其中遇到一些问题,最后和南部阳一郎教授进行交流,他的建议让我们受益匪浅。论文发表后,在国际物理界产生了一定的影响。”李淼说。

李淼研究员和南部阳一郎教授相差40多岁,“南部阳一郎同我国著名物理学家杨振宁院士和李政道院士是一个时代的物理学前辈,他们在美国期间相互关系非常好。只是,当时杨振宁院士和李政道院士到美国留学,而比他们晚到美国的南部阳一郎教授已经在日本国内取得了学位。”李淼介绍说。

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,将在释放出光之后“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。

“早在1960年,南部阳一郎就阐明了基本粒子物理中自发对称破缺的数学描述。”瑞典皇家科学院在授奖评语中写道。

“就像一个草帽是圆形的,它是对称的,但是如果在草帽的一边放上一个东西,那么这种对称就被破坏了。”李淼研究员对于南部阳一郎的获奖这样解释到。南部对自发性对称破缺机制的研究奠定了亚原子物理学的“标准理论”基础。

对于南部阳一郎教授本人的印象,李淼回忆说,“南部是一位非常低调的科学家,说一口日本味很浓的英语。我在美国期间,他当时已经是70多岁的高龄,还经常到实验室工作,他现在还坚持学术研究,还发表学术论文。”

与南部阳一郎教授共同获得2008年诺贝尔物理学奖的还有小林诚、益川敏英。他们两人在1972年发表论文,解释了对称破缺的起源。值得一提的是,当时两人分别只有29岁和33岁。

根据他们的理论,只要存在6种以上夸克,对称破缺就能发生。发表这篇论文时,科学家只发现了3种夸克。另外3种夸克分别发现于1974年、1977年和1995年。此后再无夸克发现,剩下的课题是科学家通过实验确证对称破缺。2001年和2004年,美国斯坦福实验室和日本高能加速器研究机构的粒子探测器分别独立实现了对称性破缺。

“结果与小林、益川30年前的预测一致,”诺贝尔奖评语特意点出。

当得知两位日本科学家小林诚、益川敏英获得诺贝尔物理学奖以后,曾经到日本从事研究工作的中国科学院高能物理研究所邢志忠研究员非常兴奋。

“我在日本工作期间,数次与小林诚有过接触。他个子不高,为人低调谦和,甚至有点羞羞答答。”邢志忠告诉《北京科技报》。

在邢志忠的印象里,益川敏英是个很保守的日本人,在国际学术会议和接待国外客人的时候从来不说英语,但是他听得懂。他的英文科学论文数目只有三十多篇,且几乎都是发表在日本的《理论物理进展》杂志上。

小林诚与益川敏英的工作是率先在标准模型中引入三代夸克并解释了CP对称性破坏。后者是宇宙的物质-反物质不对称的动力学根源之一,已经在加速器实验中得到证实。他们合作的文章1973年发表在日本本土的《理论物理进展》杂志上,迄今已有近5500次的引用率,在高能物理领域的被引次数最多之论文中排名第三。

“这次三位得奖人中的两位主要工作都与基本对称性的破缺有关,很有意思。对称性是美的,对称性破坏是对称性的‘妹妹’,所以后者也是美的。这样的逻辑可能不完全通顺,但是反映了自然规律的两面性。”邢志忠说。

对于曾经在日本筑波高能加速器研究机构工作过的中国科学院高能物理研究所吕才典研究员来说,曾经有幸和小林诚同在一个实验室。“当时,我的导师告诉我们,小林诚是在攻读博士后期间发表的获奖论文,让我们年轻人以他们为榜样。”吕才典回忆说。

但是,吕才典研究员告诉《北京科技报》,在发表完获奖论文后,小林诚与益川敏英开始主要从事教书工作。

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