腼腆而谦虚的他，在科学上却大胆而激进

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，头图来自：视觉中国

一

一百年前，1921年1月18日，南部阳一郎出生于日本东京。

同样在这一年，日本物理学家仁科芳雄前往哥本哈根，随后将量子力学带回了京都。日本物理学界开始涉足现代物理学的领域。

数十年后，“京都哥本哈根学派”走出了许多重要人物，比如日本首位诺贝尔物理学奖得主汤川秀树、在量子电动力学领域做出突出贡献的朝永振一郎等等。而南部阳一郎则成长为20世纪物理学界最具影响力的理论学家之一。

南部的研究十分具有前瞻性，他在粒子物理学标准模型的发展中发挥了关键作用，他也是弦理论的奠基人之一。2008年，南部因发现亚原子物理学中对称性自发破缺的机制而获得诺贝尔物理学奖。他的科学生涯跨越半个多世纪，映照了20世纪理论物理学的飞速发展。

二

1942年，当南部从东京大学毕业时，日本正深陷第二次世界大战之中。然而，此时的日本物理学界却异常活跃。一群杰出的日本物理学家正在发展量子场论的框架。

这种思想的火花来自20世纪30年代汤川秀树的研究。汤川预测，在原子核内，核子之间的力是由一个有质量的粒子的交换引起的。这个粒子如今被称为π介子。它奠定了现代粒子物理学的基础。很快，日本在粒子物理学和量子场论领域的研究展现出了巨大潜力。

1949年，汤川成为日本第一位诺贝尔物理学奖得主。同一时期，南部加入大阪城市大学。在职业生涯早期，南部的许多研究涉及量子场论。比如，在一篇著名论文中，南部介绍了核物理中精确的力学定律的推导，并得出了描述粒子相互结合的方程。这个方程后来由贝特（Hans Bethe）和萨尔皮特（Edwin Salpeter）独立推导得出，现在常被称为贝特-萨尔皮特方程。

南部本人一直觉得，在大阪的时光塑造了他在物理研究中独特的个人哲学。受到其他一些日本物理学家的影响，作为理论学家的南部同样十分关注实验物理学。

几年后，南部受邀前往芝加哥大学。在那里，他接触到了一种令人兴奋的学术氛围，这是费米（Enrico Fermi）“无边界物理学”风格的缩影。在这里，不分所谓的粒子物理学、金属物理学或者核物理学，一切都是以一种统一的方式被讨论的。

在这种氛围的影响下，在从事一个完全不同领域的工作时，南部发现了20世纪粒子物理学史上的里程碑之一。

三

自然规律的对称性往往是物理学中的指导原则。然而，在一些情况下，对称性会自发地破缺。磁铁就是一个例子。磁铁内部的分子本身就是小的磁偶极子。如果我们打开一个小型磁场，旋转对称性就会被打破，所有偶极子都会沿着磁场的方向排列。有趣的是，即使在外部磁场被关闭后，偶极子仍会继续沿同一方向排列，旋转对称性自发地破缺了。

旋转对称性的存在还会造成另一种现象：如果我们轻微地扰动其中一个排列整齐的偶极子，这个偶极子就会轻轻地使相邻的偶极子移动，以此类推，结果就是一个在磁铁内传播的波。这种波的能量很低，被称为自旋波。

南部在试图理解BCS超导理论时，提出了一个想法，将对称性自发破缺的概念提升到了一个新高度。南部意识到，类比磁铁内部的情况，在没有电磁相互作用的情况下，超导态会自发地打破对称性，而这种对称性与电荷守恒有关。

在完成超导性研究后不久，南部回归粒子物理学。他首先注意到，描述超导体中费米面附近激发的博戈留波夫方程与描述核子的狄拉克方程非常相似。超导体中的能隙变成了核子的质量，而超导体中自发破缺的电荷对称性则对应着手征对称性。

如果超导体中的能隙是电荷对称性自发破缺的结果，那么核子的质量会是手征对称性自发破缺的产物吗？20世纪60年代，南部提出了一种革命性的想法。与超导体中的电荷对称性不同，手征对称性是一种全局对称性，能够自发破缺，他认为这种破缺导致的粒子就是π介子。

在许多理论物理学家眼中，这种观点的革命性再怎么强调也不为过。南部说的是，在真空中会发生对称性自发破缺；基本粒子的质量有一种起源，而这种起源我们是可以计算出来的。这种对称性自发破缺后来成为建立粒子物理学标准模型的关键，并影响了我们对电磁力与弱力理解。

四

我们现在能够确定，强相互作用中的手征对称性就是自发破缺的，这也离不开南部的另一项研究。

1964年，盖尔曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）分别独立提出，所有强子（受强作用力影响的粒子）都是由夸克构成的。

然而，这个想法很快就遇到了“大麻烦”。组成核子的夸克具有½自旋。根据自旋统计定理，它们应该是服从不相容原理的费米子。然而，如果夸克确实是组成强子的更小粒子，那它们似乎就不可能是费米子。

为了解决这一矛盾，南部提出夸克拥有一种属性，这种属性如今被称为“色”（color）。在与韩武荣合著的论文中，他们提出了三色模型。一旦人们认识到夸克的色不同，这些粒子就不再是一模一样的，费米子通常的不相容也就不再适用。

南部认为，色就像另一种“电荷”。夸克不仅产生一个普通的电场，还会产生一种新的“广义电场”。这种场在夸克之间产生了一种新的力，将夸克束缚在核子内。这被证明基本上是正确的，如今它也被称为量子色动力学（QCD）。

为了更好地理解夸克的色，南部随后投身于弦理论的发展，并对弦理论做出了奠基性的贡献。他与其他物理学家提出了一种颠覆牛顿观（Newtonian）的新观点。在牛顿观的学说中，自然的基本定律是用粒子或者说点状组分来表述的。而南部等科学家认为，基本的物理对象是一维的弦，而非点粒子。

南部同样提供了一种动力学原理，它具有大的局部对称性，从而实现连续的弦传播。他发表了关于弦模型的著名论文《对偶性和强子动力学》（Duality and hadrodynamics）。如今，弦理论被认为是涵盖引力的最有前景的基础物理框架之一。

五

许多人回忆，南部本人腼腆而谦逊，总是轻声细语的。但与之形成反差的是，在科学上，他大胆而“激进”地提出了一个又一个超越时代的独到想法。

科学家有时会过分坚持于自己的创造的理论，这并不少见。相比之下，南部的思想却非常开放。对他来说，他的研究就像在一张巨大的拼图中放上几块。他从未想过自己发现了所谓的“终极真理”，这种谦虚深深地印刻在他的性格之中。

用南部本人的话说，“基本法则很简单，但这个世界并不无聊”。

参考来源：

https://cerncourier.com/a/yoichiro-nambu-breaking-the-symmetry/

https://www.nature.com/articles/524416a

https://news.uchicago.edu/story/yoichiro-nambu-nobel-winning-theoretical-physicist-1921-2015

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2008/nambu/photo-gallery/

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko

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