當地時間10月7日12時17分，瑞典皇家科學院宣布了今年諾貝爾物理學獎的結果，3名科學家因為在粒子物理領域的貢獻而獲獎：美籍日裔科學家南部陽一郎，因在亞原子物理學中發現對稱破缺機制而獲獎；另兩名日本科學家小林誠和益川敏英則因發現破缺對稱性的起源，並預測出至少還有3種夸克家族的存在而獲殊榮。美國《對稱性》雜誌網站和美國能源部布魯克·海文國家實驗室網站刊文，對今年的諾貝爾物理學獎進行了解讀。
「萬能公理」先被華人打破
對稱破缺、夸克、亞原子世界，今年的諾貝爾物理學獎，讓人領略了微觀物理的高深莫測。從該獎介紹得知，3位科學家的貢獻涉及「失去對稱後的世界」。1957年華裔科學家楊振寧、李政道榮獲諾貝爾物理學獎的「宇稱不守恆」發現，就與此相關。「宇稱」指經過空間平移或旋轉後，物理系統不發生變化。楊、李二人的發現說明在微觀物理的弱相互作用中，系統的運動並不對稱，即會發生對稱破缺。那「對稱破缺」是什麼？它對物理學會產生什麼影響？
3位粒子物理學家馳騁的高深領域，也不難用日常生活中的例子來說明。如果說對稱性反映自然界的統一性，那「對稱破缺」就反映了其多樣性。舉例說，正方形沿其對角線是對稱的，但如果在任何一邊上加一個黑點，其對稱性就遭到了破壞；在已經平衡的天平一端加上重物，天平馬上失去平衡，這些都叫對稱破缺。
在物理學家們看來，世界應該是對稱的。我們身處的自然界，存在很多種對稱性。很多人一提到對稱就會想到物體在幾何結構上的對稱，而物理意義上的對稱則更廣義，除了上面提到的宇稱外，還有時間對稱（Ｔ對稱）、電荷對稱（Ｃ對稱）。在時間對稱裡，物理系統不隨時間平移而改變特性；在電荷對稱裡，擁有相反電荷的粒子擁有相同的性質。
毫不誇張地說，對稱性是現有物理理論的「生命線」，小到粒子物理中的帶電粒子自旋理論、粒子間的能量交換，大到牛頓力學三大定理、行星繞恆星運轉，再到貫穿整個物理學領域的能量守恆定理，都是基於先前的對稱設想。科學界對這種設想深信不疑，認為它是宇宙間普遍適用的「萬能公理」，很少有人質疑過它是否合理。
首先挑戰對稱性的，是兩個來自中國的年輕人，李政道和楊振寧。1956年，當時分別只有30歲和34歲的李政道和楊振寧提出，在弱相互作用中宇稱不守恆，他們的理論很快被另一位華裔女科學家吳健雄在實驗中證實。
這時候物理學家們還是相信，宇稱（Ｐ）與電荷對稱（Ｃ）兩者不是同時破壞的，所以從整體上看對稱性還是完整的。但是科學界的最後一個幻想不久也被擊碎了。1964年，美國科學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·費奇在美國能源部（ＤＯＥ）所屬的布魯克·海文國家實驗室的加速器上，發現電荷對稱和宇稱（ＣＰ）在中性Ｋ介子（一種質量約為質子重量一半的粒子）衰變中被破壞，兩人為此榮獲1980年的諾貝爾物理學獎。
「對稱破缺」撼動物理學
在50多年的時間裡，這已經是諾貝爾物理學獎第三次頒給對稱破缺這一領域了。物理學中原來存在非對稱性！基於對稱性的現代物理學支柱——量子物理理論體系是否需要改寫？一時間，物理學大廈的根基被動搖了。其中面臨危機最嚴重的，是在粒子物理領域取得極大成功的標準模型。
物理學家將自然界中的力分為4種：強力、弱力、電磁力及引力，其中前3種都是近程力，只有引力是遠程力。標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這3種基本力，及組成所有物質的基本粒子的理論，它試圖將3種近程力統一起來。標準模型基本建立在3大對稱性支撐的守恆律上，是現代物理學所依賴的基本理論工具之一。理論物理學家共用它解釋或預言了62種基本粒子，除至今還未現形的「上帝粒子」希格斯玻色子（本版9月19日曾報導）外，其他61種粒子都與該模型的理論框架完全一致。
為了挽救標準模型，1964年希格斯玻色子的提出者、英國科學家彼德·希格斯提出了自發破缺的希格斯機制，很好地將對稱破缺現象融入了標準模型。而這種自發破缺的設想，就是由美國芝加哥大學恩裡科·費米研究所的南部陽一郎，於1960年首次引入量子場論。南部陽一郎將超導現象中的對稱破缺，引入了粒子物理，提出了南部－戈德斯通定理。該定理目前已成為量子物理的基本定理之一。
瑞典皇家科學院7日發布的諾貝爾獎介紹材料中，用一個形象的類比來解釋什麼是自發對稱性破缺：一支筆尖朝上直立於水平面上旋轉著的鉛筆，可以被看成是完全對稱的，任何方向對它來說都沒有區別；但如果鉛筆速度逐漸減慢並最終倒在水平面上，它的對稱性就被「打破」了，但此時它的狀態最為穩定。由此可見，失去對稱並不可怕，它也可以是最穩定的。南部陽一郎的開創性工作給物理學界吃了一顆定心丸。
但對稱破缺是怎麼出現的？南部陽一郎並沒有給出答案，剩下的問題由他的兩位同胞解決了。小林誠與益川敏英引入了一種全新的夸克（粒子物理中組成中子、質子等的更基本粒子）相互作用機制，在當時只發現了3種夸克的情況下，預測自然界應該至少存在6種夸克，ＣＰ破缺才可能發生。他們在1973年發表了相關論文，提出了粒子物理標準模型中著名的小林－益川理論，預言夸克至少有3種還未發現，至今這篇論文的引用率接近5000次。
理論的最大威力在於預言被證實，在小林和益川提出存在6種夸克的時候，人們剛剛發現了3種夸克。1974年、1977年人們分別在實驗室中觀察到了另外兩種夸克，只有最後一種夸克至今還未被找到。2001年，日本和美國科學家確認了由夸克構成的正反粒子發生的ＣＰ（電荷和宇稱）破缺現象，從而證明了「小林－益川理論」。現在，該理論已得到全球基本粒子物理學家的普遍認可。
「我們都是對稱破缺的孩子」
3位科學家用極具洞察力的預見，成功地將科學界引入了對稱破缺後物理學世界的「蠻荒之地」。然而目前人們還只能在實驗室觀測到這種現象，人們還感覺不到非對稱現象對宏觀世界的影響。但見慣了各種對稱現象的人們或許還不曾知道，宇宙就是由非對稱物質組成的。
目前物理學界關注的前沿熱點之一就是宇宙起源問題。已被廣為接受的宇宙大爆炸理論認為，宇宙起源於約140億年前一次大爆炸中。如果當時創造出的物質和反物質總量是相等的（即對稱的），那麼它們應該已經相互湮滅了。但這並未發生，對每100億個反物質粒子而言，會有一個額外的物質粒子的微小偏離。似乎正是這一對稱破缺，令我們的宇宙倖存下來。但讓這一切發生的精確機制仍然是個未解之謎。
物質與反物質的非對稱現象，在現在的宇宙仍然存在。根據目前的宇宙模型，宇宙中可見物質只佔宇宙質量的10％，剩下的90％則藏在「暗物質」（反物質的別稱）中。據推算暗物質的總質量是普通物質的6．3倍，是宇宙結構的主要組成部分。因此，暗物質研究目前被認為是宇宙學中最具挑戰性的課題。
目前非對稱的概念已經被人們逐漸接受。「自然的法則應該是對稱的，但是我們的宇宙並不完美，實際上正是因為對稱性的破缺，才有了我們的宇宙、星系、地球，還有我們。」諾貝爾物理獎評審委員會在評審公報中說，「我們都是對稱性破缺的孩子。」諾貝爾獎評審委員會成員、瑞典皇家理工學院基本粒子物理學教授佩爾·卡爾松也表示，「對稱破缺導致了物質世界」。