量子物理世界的對稱性破缺機制

量子物理世界的對稱性破缺機制

2008年，三位日本科學(xué)家岡一郎、小林真和伊藤洋弘獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，并“打破了對稱的缺陷”和“打破了自然的缺陷”理論。其中，南洋一郎的科學(xué)貢獻為1.2表示贊揚了“在亞原子物理中發(fā)現(xiàn)了自發(fā)的對稱缺陷機制”。小林真和伊藤洋弘分別獲得1.4個百分點，贊揚“發(fā)現(xiàn)了對稱缺陷的起源，并推測自然至少有三個不同的氏族”。三位科學(xué)家為解釋物質(zhì)世界和宇宙存在的機制和根源提供了重要線索,他們的研究成果不僅在探索微觀物質(zhì)世界演化中具有科學(xué)意義,而且在研究自然界對稱性和不對稱性以及對稱性破缺方面具有方法論價值。一、物質(zhì)形態(tài)與構(gòu)成對比的對稱是人類關(guān)于重對稱性是人們在客觀實踐基礎(chǔ)上認識事物形體上的外在特征而形成的認識,在大千世界,對稱性是我們司空見慣而又引人入勝的最基本現(xiàn)象。對稱性最初來源于生活,自然中的許多對稱性本身就是物理的,例如分子的轉(zhuǎn)動和反射、晶格的平移。首先在日常生活中,人們最直觀最容易發(fā)現(xiàn)的是各種各樣的空間對稱現(xiàn)象,從靜止的空間形式看,自然界中有著最基本的左右對稱;人體也具有左右對稱,看似平淡中顯示著自然造化的神奇。除了視覺空間形象的對稱外,在時間維度上,也普遍存在著明顯的動態(tài)規(guī)律的對稱性即時間的周期性,如四季輪回、日夜交替、生老病死。人類對對稱性的關(guān)注和認同,幾乎和人類文明同樣古老,從所有已知的史前文物中,包括各種祭品、生活用品、工具、裝飾品等器物上,其造型和紋飾都體現(xiàn)了對稱性的特點,在建筑、繪畫、音樂等藝術(shù)形態(tài)中,對稱性的應(yīng)用比比皆是,這也說明了社會生活中對稱性對人類的影響,引發(fā)了人們關(guān)于對稱性含義的思考,并逐步建立起對稱性的概念,而這種概念和方法竟是如此重要,曾幾何時,對稱性的形式原則甚至完全壓倒了真理對大自然的摹寫原則,1甚至在后來自然科學(xué)的發(fā)展也是這樣。最早把對稱性當(dāng)作學(xué)科研究對象的自然科學(xué)門類是數(shù)學(xué),數(shù)學(xué)從直觀的空間形式的對稱將其作為幾何學(xué)的研究視野。如最早有關(guān)對稱性的理論思考,有畢達哥拉斯學(xué)派在對圓、方、三角形、矩形的比較而得出圓是最完美幾何圖形的結(jié)論,并由此引發(fā)人們在追求宇宙和諧中對對稱性的關(guān)注。物理學(xué)移植對稱性概念用于研究物理規(guī)律的特征,并給以精確化,把它與變換聯(lián)系起來。通常把兩種情況通過確定的規(guī)則對應(yīng)起來的關(guān)系叫做從一種情況到另一種情況的變換,例如旋轉(zhuǎn)某一角度或旋轉(zhuǎn)任意角度,平移一段距離或平移一段時間等等都是變換的規(guī)則。在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中,又引入了一些新的內(nèi)部自由度,認識了一些新的抽象空間的對稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律。二十世紀(jì)六十年代初,物理學(xué)家們在對基本粒子的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多對稱性,對稱成為了自然科學(xué)的重要概念研究的重點問題。2對稱性自此在物理學(xué)中一直有著重要的地位,不僅由于其優(yōu)美的形式與物理學(xué)家們對自然規(guī)律的美學(xué)追求十分吻合,更重要的是有一種解釋復(fù)雜性事物和現(xiàn)象的力量。對稱性思想在人類認識過程上發(fā)揮著潛移默化的作用,引導(dǎo)人們不斷的去探索物質(zhì)和宇宙的深層。(一)黨內(nèi)物理研究中的嚴格控制近代物理學(xué)是以研究對稱性開始的,特別是在量子物理學(xué)領(lǐng)域,宇宙起源的探求和對稱性的研究密切聯(lián)系。對稱性(symmetry)是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個核心概念,它泛指規(guī)范對稱性(gaugesymmetry,或局域?qū)ΨQ性localsymmetry)和整體對稱性(globalsymmetry)。它是指一個理論的拉格朗日量或運動方程在某些變數(shù)的變化下的不變性。如果這些變數(shù)隨時空變化,這個不變性被稱為規(guī)范對稱性,反之則被稱為整體對稱性。物理學(xué)中最簡單的對稱性例子是牛頓運動方程的伽利略變換不變性和麥克斯韋方程的洛倫茲變換不變性和相位不變性。再后來粒子物理和場論的發(fā)展中,對稱性和守恒律之間的關(guān)系被進一步確認,如人們通過波函數(shù)的空間發(fā)射對稱性的研究,得出了宇稱守恒定律;此外還有輕子數(shù),同位旋等的守恒相繼被發(fā)現(xiàn)。海森堡曾指出,現(xiàn)代物理學(xué)從原子論回到了柏拉圖哲學(xué),柏拉圖宇宙的最基本構(gòu)建是由對稱性所決定的“柏拉圖立體”。而現(xiàn)代物理學(xué)中的粒子,正是基本對稱性的數(shù)學(xué)抽象。31950年代楊振寧和米爾斯意識到規(guī)范對稱性可以完全決定一個理論的拉格朗日量的形式,并構(gòu)造了核作用的SU(2)規(guī)范理論。從此,規(guī)范對稱性被大量應(yīng)用于量子場論和粒子物理模型中。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中,強相互作用,弱相互作用和電磁相互作用的規(guī)范群分別為SU(3),SU(2)和U(1)。除此之外,其他群也被理論物理學(xué)家廣泛地應(yīng)用,如大統(tǒng)一模型中的SU(5),SO(10)和E6群,超弦理論中的SO(32)。在數(shù)學(xué)上,這些對稱性由群論來表述。4上文中的群分別對應(yīng)著伽利略群,洛倫茲群和U(1)群。對稱群為連續(xù)群和分立群的情形分別被稱為連續(xù)對稱性(continuoussymmetry)和分立對稱性(discretesymmetry)。德國數(shù)學(xué)家外爾是把這套數(shù)學(xué)方法運用于物理學(xué)中并意識到規(guī)范對稱重要性的第一人。他在1951年提出了關(guān)于對稱的普遍的嚴格的定義:如果一個操作使系統(tǒng)從一個狀態(tài)變到另一個與之等價的狀態(tài),或者說,狀態(tài)在此操作下不變,我們就說系統(tǒng)對于這一操作是“對稱的”,而這個操作叫做這個系統(tǒng)的一個對稱操作。對稱性可以是更一般和抽象的,例如:CPT不變性(粒子-反粒子變換、左右鏡像變換和時間反演對稱性),以及與規(guī)范理論相關(guān)的對稱性。在很長一段時間,守恒定律和對稱性是聯(lián)系在一起的,只是后者更能直觀的進行研究。5物理學(xué)已經(jīng)告訴我們,對稱性和守恒定律的表現(xiàn)是非常豐富的,但各種守恒定律的實用范圍也有很大的區(qū)別,如在1964年,P.Higgs證明了J.Goldstone早先證明的一個定理不適用于定域規(guī)范理論。Goldstone曾經(jīng)證明,只要一個連續(xù)對稱性被模型中的真空態(tài)所自發(fā)破缺,就必定存在一個質(zhì)量為零的無自旋粒子。Higgs證明了,如果該對稱性是定域?qū)ΨQ性,則Goldstone的粒子將會被一個有質(zhì)量的粒子所取代。這一粒子現(xiàn)在被稱為Higgs粒子,6也就是歐洲核子研究中心開始運行的大型質(zhì)子對撞機(LHC)所要尋找的希格斯玻色子,從而通過對稱性中的非對稱機制來解釋質(zhì)量起源問題。(二)經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對稱和守恒定律在量子物理學(xué)對物質(zhì)運動規(guī)律的研究中,對稱性和守恒定律具有重要的作用。物理學(xué)關(guān)于對稱性探索的一個重要進展是建立諾特定理,定理指出,如果運動定律在某一變換下具有不變性,必相應(yīng)地存在一條守恒定律。也就是說,物理定律的一種對稱性,對應(yīng)地存在一條守恒定律。例如,運動定律的空間平移對稱性導(dǎo)致動量守恒定律,時間平移對稱性導(dǎo)致能量守恒定律,空間旋轉(zhuǎn)對稱性(空間各向同性)導(dǎo)致角動量守恒定律。對稱性和守恒定律取決于互相作用的性質(zhì),互相作用類型不同有不同的結(jié)果。上述經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對稱性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來經(jīng)過推廣,在量子力學(xué)范圍內(nèi)也成立。在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中,又引入了一些新的內(nèi)部自由度,認識了一些新的抽象空間的對稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律。對稱性和守恒定律取決于相互作用的性質(zhì),相互作用類型不同有不同的結(jié)果。例如強相互作用和電磁相互作用下,粒子的運動具有空間反演對稱性?？臻g反演是指空間坐標(biāo)相對于坐標(biāo)原點的變換,即將坐標(biāo)x、y、z換成-x、-y、-z的變換?？臻g反演對稱性導(dǎo)致宇稱守恒。然而在弱相互作用下,粒子的運動不存在空間反演對稱性和宇稱守恒。這個曾經(jīng)使物理學(xué)家們確信無疑普遍成立的宇稱守恒定律于1956年經(jīng)李政道和楊振寧仔細分析當(dāng)時的實驗資料,指出弱作用下宇稱守恒定律不成立,不久被吳健雄等人以確鑿的實驗所證實。對稱原理是一個物理學(xué)普遍的原理,海森堡提出:“萬物的始原是對稱性”,“對稱性常常構(gòu)成一個理論的最主要的特征”。7對稱性存在于自然界萬物之中,也是萬物起源的內(nèi)在信息。所有的自然界的基本定律都帶有某些對稱性的特征,而所有的物理學(xué)的第一性原理都是建立在對稱性的基礎(chǔ)上。二、破缺機制的區(qū)分與對象的對稱在天體物理學(xué)中,開普勒行星運動第一定律把遠古的行星運動是完美對稱的圓發(fā)展為對稱有所破缺的橢圓,但是宇稱不守恒開創(chuàng)了系統(tǒng)研究對稱性破缺的新紀(jì)元。對稱性是非常優(yōu)美的,但自然界常常使它自發(fā)破缺。8真理也是這樣的:自然規(guī)律并不惟一地確定了一個實際存在著的世界。9從辯證法觀點看,現(xiàn)象層次的“非對稱性”、“對稱性破缺”恰恰是更深層次的物理學(xué)內(nèi)在規(guī)律的更高對稱性的反應(yīng)或表現(xiàn)形式。對稱性往往是通過“非對稱”而表現(xiàn)出來的。對稱性破缺機制中的希格斯方式、歌德斯通方式都只是規(guī)范對稱性的不同表現(xiàn)形式而已。居里曾指出“非對稱創(chuàng)造了世界”,對稱性往往需要以“對稱性破缺”的方式開辟道路。純粹對稱性和必然性的世界將會是呆板的沒有進化的,而帶有“對稱性破缺”的世界,所表現(xiàn)的是一副充滿多樣性、生機勃勃、富有創(chuàng)造力和更高層次美的景象。從科學(xué)哲學(xué)角度看,對稱性破缺有著深刻的辯證認識和猜想,某些對稱性要素的喪失是必然的,非對稱創(chuàng)造現(xiàn)象。10與對稱性相反,對稱破缺是指在一定變換下所表現(xiàn)的可變性或?qū)ΨQ性的降低。也就是說,對象的某一特征在一定變換下不再保持不變,其對稱性遭到破壞,所以稱之為“對稱破缺”。1960年前后,南部陽一郎將“對稱性破缺”這一概念率先借用并引進到粒子物理學(xué)中來,它原來是固體物理學(xué)中研究相變時候所使用的。這一引進具有重大的方法論意義,它幫助我們在量子世界中理解自然界對稱與非對稱之間辯證的相互關(guān)系?！皩ΨQ性破缺”在粒子物理中揭示了這樣一種情況:物理定理本身具有某種精確的對稱性,而且物理系統(tǒng)內(nèi)部的能量狀態(tài)也是完全對稱的,系統(tǒng)的基態(tài)由眾多全同的能量狀態(tài)縮合而成?；谶@個特定的基態(tài)所發(fā)生的物理現(xiàn)象,無法完整顯示物理定律的內(nèi)在對稱性,也就是說,內(nèi)在對稱性本身雖未受外界破壞,但它的表現(xiàn)形式卻受了限制。11(一)拉格朗日量的對稱破缺對稱性破缺現(xiàn)在已經(jīng)成為量子場論的重要概念,它指理論的對稱性為真空所破壞,對探索宇宙的本原有重要意義。它包含“自發(fā)對稱性破缺”和“動力學(xué)對稱性破缺”兩種情形。被真空所破壞的對稱性可以是整體或局部對稱性,而幾何數(shù)學(xué)化的對策群可以是分立或者連續(xù)的。對于什么是對稱性破缺,中國科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師曹則賢說了一個簡單的例子:手掌是連續(xù)的,當(dāng)我們伸開手掌時候,往前分出5個獨自分立的手指,這也就可以表述為發(fā)生了對稱性破缺。而自發(fā)對稱性破缺指的是真空態(tài)比描述體系的拉格朗日量具有更低對稱性的情形。對稱性自發(fā)破缺最先是在物理學(xué)中發(fā)現(xiàn)的,因此用物理語言可以描述為:控制參量跨越某臨界值時,系統(tǒng)原有對稱性較高的狀態(tài)失穩(wěn),新出現(xiàn)若干個等價的、對稱性較低的穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)將向其中之一過渡。12時空,各種各樣的粒子,整個復(fù)雜的自然界,包括人類自身,都是對稱性自發(fā)破缺的產(chǎn)物?，F(xiàn)代宇宙學(xué)普遍認為,在宇宙的早期,世界上存在正反兩種物質(zhì),它們是對稱的,后來在演化過程發(fā)生了對稱性破缺,才出現(xiàn)了主要由正物質(zhì)組成的宇宙世界。在大爆炸的最開始,夸克和輕子不可分,四種作用力相統(tǒng)一,宇宙表征的是完整的對稱性,隨著溫度的下降,對稱性慢慢破缺,強作用力分化出來,剩下了弱電統(tǒng)一。13當(dāng)宇宙繼續(xù)變冷,弱電統(tǒng)一也開始破缺,宇宙開始了大范圍的變化,最終是由對稱性破缺引起了宇宙基本粒子的形成,最終完成了宇宙設(shè)計。宇宙創(chuàng)生之時,等量的物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)被制造出來,二者相遇便會湮滅,化為能量。但果真如此的話,我們所看到的星系、恒星,包括我們自身便都不會存在了。我們的存在說明宇宙早期物質(zhì)和反物質(zhì)的對稱被打破了,宇宙中的物質(zhì)多于反物質(zhì)。小林誠和益川敏英在1973年提出了“小林-益川理論”,認為造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反應(yīng)衰變速率不同。正是對稱性破缺造成的細微差別讓正物質(zhì)在宇宙中占了多數(shù)。他們還預(yù)言了存在6種夸克,這些夸克在之后的二十多年里陸續(xù)被證實。2002年,其他的物理試驗也明確證實了“小林-益川理論”。從而解釋了宇宙存在的原因,因此,對稱性破缺使宇宙中存在著多余的正物質(zhì),從而產(chǎn)生自然和人類。(二)量子場論的引入—宇宙起源和物質(zhì)演化過程有對稱性自發(fā)破缺。20世紀(jì)初龐加萊在統(tǒng)計力學(xué)語境下就對稱性破缺提出了詮釋,這就是微觀上遵守時間可逆定律的物理如何可能導(dǎo)致宏觀上不可逆現(xiàn)象,條件是系統(tǒng)一定要有超過大量的組成元素。海森堡指出雖然電子自旋遵守SU(2)自旋轉(zhuǎn)動群的對稱性,但是這種對稱性還是會被磁場干擾所破壞。朗道推廣了海森堡的非零的宏觀“對稱性破缺”參數(shù)理論,證明無論不同的相有怎么不同的對稱性,對稱性自發(fā)破缺都會發(fā)生,從而揭示了產(chǎn)生對稱性破缺的物理學(xué)原因,即系統(tǒng)總是要趨向最佳能量狀態(tài),從而建立了對稱性破缺的普遍理論。20世紀(jì)50年代后期,海森堡研究了作為基態(tài)的量子場的“真空”,繼承了狄拉克的思路,采用量子場論的“簡并真空”概念,合理解釋了電磁作用和弱作用所引起的“同位旋對稱性破缺”。141960年前后,南部陽一郎開始研究對稱性破缺,將“對稱性自發(fā)破缺”這一個概念率先借用并引進到粒子物理學(xué)中來。南部和他的同事在加入BCS理論研究的時候,明顯的體會到量子場論中的真空態(tài)與互相作用多體系統(tǒng)的基態(tài)是相類似的,并用超導(dǎo)的數(shù)學(xué)方法來處理基本粒子的自能問題。在1961年他與G·Jona-Lusina在《PhysicsReview》上發(fā)表了與“基于超導(dǎo)相類似的基本粒子的動力學(xué)模型”,15把真空對稱性自發(fā)破缺概念引入到量子場論中。并提出了亞原子物理中的對稱性自發(fā)破缺,從而奠定了亞原子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)理論”基礎(chǔ),這一標(biāo)準(zhǔn)模型融合了所有物質(zhì)最微小的組成部分,使4種自然力量中的3種在同一理論中得到解釋。這一機制可能會解答一個令人迷惑的問題:物質(zhì)的質(zhì)量從何而來。英國物理學(xué)家希格斯在南部陽一郎之后提出了一種解釋,在宇宙誕生的時刻,希格斯提出的理論中的“希格斯場”是完美對稱的,所有的粒子都沒有質(zhì)量,但希格斯場是不穩(wěn)定的,他在宇宙早期就失去了能量,這些能量被粒子接收,獲得能量多的那個粒子就重一些?！跋８袼箞觥鳖A(yù)言了希格斯玻色子的存在,這也是大型強子對撞機(LHC)要尋找的目標(biāo)之一?，F(xiàn)代物理實驗已經(jīng)表明,非對稱實際上是世界的起源因素,對稱性自發(fā)破缺是事物多樣性的源泉,是自然界出現(xiàn)自組織現(xiàn)象的機制和過程。16顯然,2008年諾貝爾物理學(xué)獎金獲得者日本科學(xué)家南部陽一郎等的研究顯示了他們對宇宙起源和物質(zhì)演化機制的過人洞察力。盡管他們所給出的數(shù)學(xué)模型要繼續(xù)在LHC的實驗數(shù)據(jù)中被檢驗和修正,但在推動人類在亞原子領(lǐng)域的研究,為人們研究物質(zhì)世界對稱性和對稱性破缺的機制提供了新的認識視角。三、對稱破壞的科學(xué)思想和研究方法的理論解釋(一)破缺機制的探討自然界的對稱性和非對稱性、平衡性和非平衡性、可逆性和不可逆性、偶然性和必然性是辯證統(tǒng)一的,也是相互轉(zhuǎn)化的。宇宙起源和物質(zhì)演化是一個矛盾的復(fù)雜體系。在一定時期內(nèi),自然界總存在著對稱性、不變性,但事物的發(fā)展總是由一個對稱到非對稱,由平衡到不平衡,由肯定到否定的動態(tài)變化過程。對稱性破缺是對原有的平衡、穩(wěn)定、對稱的否定,這其實是事物的一個不斷向前發(fā)展、不斷進化的過程。在自然科學(xué)領(lǐng)域中對稱性作為對立的一對概念出現(xiàn):對稱性與對稱性破缺。對稱意味著“組元的構(gòu)形在其自同構(gòu)變換群作用下所具有的不變性”,對稱性破缺意味著“組元的構(gòu)形在其自同構(gòu)變換群作用下所具有的差異性”;擴展到其他領(lǐng)域,如在社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和信息管理學(xué)領(lǐng)域,我們在定量表達這些不變的屬性、關(guān)系、結(jié)構(gòu)中也要引入不穩(wěn)定性中的突變性。這里涉及的是變量、信息和它的表達形式與表達工具的問題。故要想創(chuàng)立一門名副其實的信息論,我們還缺少一門必不可少的“形式熱力學(xué)”,17即缺少的是穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性關(guān)系的內(nèi)核形式。不同的不變量的復(fù)雜程度是不同的,因此引入對稱性和對稱性破缺的機制將可以把熵和信息熵等統(tǒng)一起來。自然界表現(xiàn)在時間和空間上的對稱,其實在事物內(nèi)部里面則體現(xiàn)了狀態(tài)上和能量上的對稱性破缺。哲學(xué)領(lǐng)域通常以事物兩者之間的依存性和統(tǒng)一性來揭示兩者的相對性:沒有對稱就沒有對稱性破缺,沒有對稱性破缺也不會有對稱性,事物是通過包含差異的同一性來體現(xiàn)對稱性。因此,對稱和對稱性破缺,是可以互相依存和互相轉(zhuǎn)化的,從而構(gòu)成了自然界的多樣性。我們在研究自然界的物理定律的時候,也應(yīng)該從自然界的多樣性出發(fā),通過辯證的科學(xué)方法,探討事物的本質(zhì)和運動規(guī)律。宇宙的變化和自然的演化過程總是伴隨著對稱性的破缺,在科學(xué)研究領(lǐng)域,沒有這種辯證的科學(xué)思維和科學(xué)方法,就不會深入了解事物內(nèi)部發(fā)展的基本規(guī)律,從而不會有新的交叉學(xué)科,新的思想和新的知識,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和突破需要這種辯證思維。(二)非對稱破缺思維的早期建構(gòu)現(xiàn)代科學(xué)的進步有賴于理論的創(chuàng)新,而理論的進步往往需要借助于思維模型的建構(gòu),這種理論構(gòu)建的過程是為了使科學(xué)共同體能夠在同一理論研究平臺上,聚焦問題、有的放矢探索從經(jīng)驗到理論、從實驗到模型的科學(xué)合理性和理論自洽性,而科學(xué)實驗的驗證又常常是科學(xué)理論存在與發(fā)展的最嚴厲的審判者,正是這種理論模型和實驗檢驗成為科學(xué)進步的交互形式。早期的科學(xué)家總是聚焦自然界的對稱性和守恒性,通過對稱方法所建立的“宇稱守恒模型”理論被認為是不可顛覆的結(jié)論,絕大多數(shù)物理學(xué)家都認為宇稱是絕對守恒的,甚至一度成為科技哲學(xué)家?guī)於?Kuhn,ThomsSamual)所說的“科學(xué)范式”。但到了20世紀(jì)四五十年代,楊振寧和李政道通過β衰變實驗,發(fā)現(xiàn)實驗都跟宇稱守恒沒有關(guān)系,因此,他們大膽猜測或許在弱作用力下宇稱未必守恒,宇稱不守恒是他們在徹底研究了所有已經(jīng)做過的弱作用下β衰變實驗,并發(fā)現(xiàn)還沒有一個實驗曾證明過宇稱是否守恒后,才提出弱作用宇稱可能不守恒的猜測。1957年物理學(xué)家吳健雄通過實驗證實了在β衰變宇稱不守恒,在接下來5年里,物理學(xué)家們進行了幾百個類似的實驗,證實了宇稱不守恒是弱作用下的一個一般特征。因此,早期的物理學(xué)以對稱性和守恒性作為理論研究的出發(fā)點“思維模型”由實驗所推翻。日本三位科學(xué)家南部陽一郎、小林誠、益川敏英早在1972年就用數(shù)理模型理論解釋了量子物理世界的對稱破缺起源機制,并用CKM(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)矩陣解釋對稱破缺現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。根據(jù)他們的數(shù)理模型和理論,只要存在6種以上夸克,對稱破缺就能發(fā)生。而發(fā)表這篇論文時,科學(xué)家只發(fā)現(xiàn)了3種夸克,另外3種夸克分別發(fā)現(xiàn)于1974年、1977年和1995年。CKM矩陣在標(biāo)準(zhǔn)模型相關(guān)研究中有重要作用,準(zhǔn)確地預(yù)言了幾種新型粒子的存在,為標(biāo)準(zhǔn)模型增添了5個基本常量。2001年和2004年,美國斯坦福實驗室和日本高能加速器研究機構(gòu)的粒子探測器分別獨立實現(xiàn)了對稱性破缺。諾貝爾評語特意點出:“結(jié)果與小林、益川30年前的預(yù)測一致?！薄靶×?益川理論”也因此成為支撐亞原子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)理論的重要支柱。南部的工作主要是研究對稱破壞的“自發(fā)性”,描述一個不穩(wěn)定的對稱系統(tǒng)如何突然變成非對稱系統(tǒng)。當(dāng)人們研究宇宙極早期廣泛存在的希格斯子時,發(fā)現(xiàn)了日本三位科學(xué)家研究工作的重要性和科學(xué)意義。因此,從理論模型建構(gòu)和驗證看,自然界的對稱性理念突破,非對稱性破缺思維形成是創(chuàng)新理論模型的核心,通過實驗的驗證,使理論不斷的接近真實的世界。這個理論建構(gòu)的方法就是觀察、理論、實驗的統(tǒng)一方法。在科學(xué)研究中,存在著由經(jīng)驗觀察、自由假定、理論知識、實驗規(guī)則構(gòu)成的“科學(xué)研究的循環(huán)解釋”,這一循環(huán)的各個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一包含著真理認識的一種積極的可能性。(三)破缺模式與非線性分散結(jié)構(gòu)在事物的發(fā)展過程中,由于受到內(nèi)部和外部影響和作用,對稱性破缺就是打破原有的對稱和平衡或者守恒而發(fā)生的。因此,從方法論上看,對稱性破缺是一個吸收新能量、新物質(zhì)或者新信息,從而打破原來舊機制的過程。在一個確定的對稱性的存在現(xiàn)象里,往往是通過不確定的對稱性破缺來打破平衡,最終實現(xiàn)新的對稱性,這是一個超循環(huán)的物理現(xiàn)象。與混沌和不穩(wěn)定性相聯(lián)系的自組織理論的最新進展,開辟了不同的研究道路,并建立起與對稱性自發(fā)破缺相關(guān)的一般數(shù)學(xué)模式。普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論提出,非平衡熱力學(xué)系統(tǒng)的線性區(qū)和非平衡熱力學(xué)系統(tǒng)在非線性區(qū)具有相對應(yīng)的演化特征。他在研究偏離平衡態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn),當(dāng)系統(tǒng)離開平衡態(tài)的參數(shù)達到一定閾值時,系統(tǒng)將會出現(xiàn)“臨界點”,在越過這種臨界點后系統(tǒng)將離開原來的熱力學(xué)無序分支,發(fā)生突變而進入到一個全新的穩(wěn)定有序狀態(tài)。這樣,在遠離平衡態(tài)條件下,非線性作用使?jié)q落放大而達到有序。而這樣的一個過程就是一個對稱性通過對稱性破缺獲得新的平衡點的物理過程。在自組織理論的貝納德實驗里,在熱傳導(dǎo)狀態(tài)下,液體的互相作用在空間上是各向同性的,即對稱的,因此,分子在各個方向上做無規(guī)則的熱運動。而在對流狀態(tài)下,多數(shù)分子被組織起來參加了統(tǒng)一的運動,即原來的對稱狀態(tài)破缺了。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論,系統(tǒng)中的元素存在非線性的互相作用,系統(tǒng)必然存在漲落,而漲落導(dǎo)致有序,這樣系統(tǒng)就可能在自己的演化發(fā)展中形成有序的耗散結(jié)構(gòu),而在耗散結(jié)構(gòu)的形成過程中,就必然涉及系統(tǒng)狀態(tài)的分叉和自發(fā)對稱破缺問題,這其中最關(guān)鍵的問題就是分叉行為的“初值敏感特性”,而對敏感性的最形象描述,莫過于“蝴蝶效應(yīng)”:今天在北京有一只蝴蝶扇動翅膀,就可能引起紐約的一場風(fēng)暴。普遍存在的初值敏感現(xiàn)象表明大自然有一個神奇的杠桿,這個就是通過對稱破缺機制產(chǎn)生的漲落而引起的從無序到有序,從不平衡到平衡?！盎煦绗F(xiàn)象”理論也表明,在確定有限的混沌域內(nèi),系統(tǒng)能夠展示多種多樣的行為,因為特殊的穩(wěn)定態(tài)——“奇異吸因子”自身具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和分布的隨機性,隨機性體現(xiàn)的是對稱性中的非對稱性特征。從演化的角度看,以非線性分叉為基礎(chǔ)的對稱性破缺對宇宙進化有著至關(guān)重要的意義,演化的過程是區(qū)別于一般的變化,它本質(zhì)是從“一”到“多”的過程;哈肯在協(xié)同學(xué)理論中也指出:激光在其產(chǎn)生過程中表現(xiàn)出了通常意義上的相變的全部性質(zhì),其中包括“臨界現(xiàn)象”和“對稱破缺”特征:當(dāng)控制參量達到臨界值時,處于無序競爭狀態(tài)的眾多光波模式,突然就被完全有序的激光所代替,原來的對稱性破缺了。18自組織理論所給出的這種對稱性自發(fā)破缺的模式,就是世界從微觀層面到宏觀層面的所有系統(tǒng)在演化過程遵循的最普遍的模式。(四)破缺的方法論基礎(chǔ)人類認識面對的是一個未知的世界,我們需要以一個開放的思維模式和有效的方法來探索事物的規(guī)律和預(yù)見事物的發(fā)展。在探索自然的過程中,我們的實踐能不斷的逼近客觀真理,但不一定就是達到了真理。例如,量子力學(xué)理論的建立就是一個新的實驗事實所引起的理論的不斷修正的過程。由于一些新的實驗事實揭示了之前理論所不知道的物質(zhì)世界的新的屬性和規(guī)律,因此,當(dāng)舊理論和新事實產(chǎn)生矛盾的時候,就引起科學(xué)家重新審視已有的科學(xué)理論,補充新的內(nèi)容,如果舊的理論體系不能再解釋新現(xiàn)象的時候,就需要拋棄舊理論不適用的部分,以使新理論同新的實驗事實想符合。這種揚棄的過程就是對稱性破缺產(chǎn)生的過程。通過對稱性破缺的方法,打破原來固有的理念和理論模式,不斷改進原有理論的模型或者重新建構(gòu)科學(xué)研究方法。對稱性破缺理論在發(fā)展的過程中也是不斷的發(fā)展原有的理論模型,不斷的修改理論的假設(shè)前提,發(fā)展新的數(shù)學(xué)工具,并用新的實驗方法和實驗工具進行驗證。在對稱性破缺理論之前,對稱性理論已成為現(xiàn)代物理具有絕對影響力的指導(dǎo)理論,正如EugeneWigner所說:“對稱性已是一部法律,該法律自然必須遵守?！?9但正是在那時候,宇稱不守恒開辟了對稱性破缺研究的新潮,不斷有新的實驗事實同舊的對稱性理論發(fā)生矛盾,推動研究者不斷的修正原有的理論體系,并在新的理論體系上不斷獲得證偽,推動了對稱性破缺理論的發(fā)展,也更好的解釋了宇宙的形成。正是這種不斷產(chǎn)生矛盾又不斷解決的發(fā)展模式,推動著科學(xué)由淺入深,由低級到高級,由簡單到復(fù)雜,由線性到非線性的不斷發(fā)展,