图:冲绳科学技术大学院大学(OIST),2014(CC BY 2.0,维基共享资源)
益川敏英
Toshihide Maskawa1940–2021 · 生于日本名古屋 · 日本
泡在澡盆里决定认输、写一篇「四种夸克不行」的论文,跨出浴缸那一刻想到:六种就行
诺贝尔物理学奖 2008 发现对称性破缺的起源,并由此预言自然界中至少存在三代夸克
「它给我留下了强烈的印象,让我不禁要问:这是什么?可我完全不知道该从哪里下手,于是把它搁了八年。」
—— 益川敏英诺贝尔演讲《CP 破坏告诉了我们什么?》,2008 年 12 月 8 日,谈 1964 年在研究室读书会上第一次读到 CP 破坏的论文(演讲以日语进行,此据英译本转译)
1972 年初夏的京都,益川敏英和小林诚已经在四种夸克里找了一个多月,想给 CP 破坏安一个位置,一无所获。一天晚上,益川泡在澡盆里想:只要坚持弱相互作用理论可重整化,四夸克模型里就不存在合适的解释。他决定认输,写一篇「否定性」的论文,证明这条路走不通。
他一边想着该怎么给这篇「糟糕的论文」找个说辞,一边跨出浴缸。也许正是放下了四种夸克的执念,他忽然意识到:换成六种夸克,一定行得通。
砂糖袋换来的书
益川 1940 年生于名古屋。父亲原是家具工匠,一边学徒一边读函授想当电气技师,却说自己「弄不懂正弦余弦」,因为没受过基础教育。战争毁了他的小家具厂,战后父亲改做点心用的砂糖生意。
那时家里没有浴室,父子去公共澡堂的路上,父亲最爱卖弄他的电学知识:三相电动机为什么会转?日食月食为什么不是每个月都有?——因为地球绕太阳、月亮绕地球的轨道面差了 5 度。益川说,这就是他在学校成绩很差、老师离题时却答得上来的原因。母亲有一次在家长会上请老师多布置点作业,老师回答:「您儿子每天都有作业,他一次也没交过!」
砂糖整袋进货,零卖时拆下的牛皮纸袋、麻袋,父母就当零花钱给孩子。袋子拿去卖掉,他手头比同学宽裕,钱几乎全花在书上,先是侦探小说和芥川龙之介,后来是数学书。初中毕业、还没进高中时,他买回高中数学课本,第一次见到求和符号 Σ,当即用它的线性去推 的公式,算到很高的幂次。
名古屋出了新理论
让他立志学物理的是一篇报纸文章:名古屋大学的坂田昌一提出了一个革命性的复合模型,把质子、中子、Λ 粒子当作基本粒子的三块基石。益川后来说,他当时幼稚地以为科学在十九世纪的欧洲就已经完成了,如果这个理论出自东京,他也会觉得与己无关——可它就诞生在自己住的名古屋。
父亲希望他继承生意,只给了他一次考大学的机会。他苦读一年考进名古屋大学。第一堂数学分析课,老师宣布要证明阿基米德公理,接着讲起戴德金分割,他觉得这是「文化冲击」。他在数学与物理之间一直摇摆,直到数学系的教授在校园里问他「你当然要考数学研究生吧」,他才答说申请书已经交到了物理系。
读书会上的那篇论文
1962 年他进入物理研究生院,1964 年进了坂田研究室。研究室只订了一种物理期刊,大家轮流阅读新到的一期并作报告。益川第一次轮值时,那期上登着克罗宁与菲奇观测到 CP 破坏的论文。他被深深吸引,却完全不知从何下手,只好把它搁了八年。
这几年他着迷的是南部阳一郎的自发对称性破缺。他在南部–约纳-拉西尼奥模型里算过 π 介子衰变常数,觉得对一个强相互作用量来说小得出奇,却没有发表。他把这些计算称为物理学家的「练习曲」,就像画家反复变换姿势与构图的习作。其间他还注意到格拉肖、伊利奥普洛斯、马亚尼 1970 年的四夸克论文,并提醒同事们去读;坂田研究室出身的人其实早就熟悉四夸克模型。
上午物理,下午工会
1967 年益川获博士学位,在名古屋当了三年助手,1970 年转到京都大学。1972 年 4 月,小林诚也来京都当助手。黄金周过后,两人开始合作,益川提议的题目就是 CP 破坏:弱电统一的规范理论已经出现,他直觉时机成熟了。
那段时间益川还担任京都大学工会的书记长,理学部正在裁减秘书,他觉得不能对此视而不见。于是他上午和小林讨论物理,下午去工会,晚上回家与家人吃饭,洗过澡后才有时间想研究。
两人先把四种夸克的左右手分量在 下各种可能的归属逐一排查,共 9 种情形。除了一种,其余都能靠重定夸克场的相位把复数消掉。益川觉得剩下这一种或许行得通,问小林的意见。小林歪了歪头说:「我今晚仔细查一下。」第二天告诉他:不行,它预言的矢量流与轴矢量流耦合之比符号错了,与实验矛盾。
接下来就是一个月左右的苦战,直到那次跨出浴缸。
数一数相位
六夸克为什么行?益川在诺贝尔演讲里只用了几行算术。
弱相互作用里,上型夸克与下型夸克之间夹着一个幺正矩阵 。 代夸克时, 共有 个复相位;但每个夸克场的相位可以任意重定, 个夸克场能擦掉其中 个。剩下的物理相位数是
两种、四种夸克时为零;六种夸克时恰好是 1。这一个消不掉的相位,就是 CP 破坏的来源。论文夏天写完,1973 年 2 月刊出。当时公认的夸克只有三种。
三十年后的证实
此后的实验一步步补齐了这张表:1974 年粲夸克,1977 年底夸克,1995 年顶夸克。2001 年,日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两台 B 工厂在中性 B 介子里观测到了大的 CP 破坏,大小与小林–益川理论相符。益川在演讲结尾说,真正验证这个理论花了三十多年和许多实验家的巨大努力,他要感谢全世界支持这项「人类宏大事业」的人。
益川 1976 年去东京大学任副教授,1980 年回京都大学基础物理学研究所任教授,1997 至 2003 年任所长,此后在京都产业大学带研究组。2010 至 2018 年,他担任名古屋大学以两人名字命名的小林–益川研究所所长。
用日语讲的诺贝尔演讲
2008 年,益川与小林分享诺贝尔物理学奖的一半,另一半授予南部阳一郎——当年让益川着迷的那位。诺贝尔基金会的演讲页注明,益川的演讲「以日语进行」;他的自传也是日文写成,由九后太一与萨克拉伊达译成英文。据《物理世界》的讣告,一般认为他此前从未出过国,为了去斯德哥尔摩领奖才办了护照。
他幼年经历过战争,在演讲开头直称那是「我们国家发动的鲁莽而悲惨的战争」。据东岛清在《今日物理》上的讣告,他一生倡导和平,始终坚持反战立场。
益川 2021 年 7 月 23 日因牙龈癌在京都去世,享年 81 岁。
代表方程
带电弱流
弱相互作用把上型夸克(、、……)和下型夸克(、、……)连在一起,中间夹着一个 幺正矩阵 , 是夸克的代数。 的矩阵元若带有真正的复相位,粒子与反粒子的行为就会不同——这就是 CP 破坏。
相位可以重新选
夸克场是复数,给每一个乘上任意相位,物理不变,但 的矩阵元会跟着转。 个夸克场有 个相位可调,其中所有夸克一起转的那一个对 不起作用,所以真正能用来「擦掉」 里复相位的自由度是 个。
消不掉的相位数
益川诺贝尔演讲的核心一步。 幺正矩阵共有 个复相位,减去可以擦掉的 个,剩下的才是物理的。、(两种、四种夸克)时为零,没有 CP 破坏; 即六种夸克时恰好剩下 1 个——CP 破坏第一次成为可能。
幺正矩阵的参数
一个 幺正矩阵有 个实参数,可以分成像三维转动那样的「转角」和复数的「相位」两类。三代夸克时是 3 个转角加 6 个相位,擦掉 5 个相位后剩 3 个转角、1 个相位——今天粒子数据表里 CKM 矩阵正好用这 4 个数来写。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.M. Kobayashi, T. Maskawa《CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction》,Progress of Theoretical Physics 49, 652–657(1973)
- 2.益川敏英自传,诺贝尔基金会(2008;益川日文原稿,九后太一与萨克拉伊达英译)
- 3.益川敏英诺贝尔演讲《What Does CP Violation Tell Us?》,2008 年 12 月 8 日(演讲页注明「以日语进行」)
- 4.同一演讲的期刊版,Reviews of Modern Physics 81, 1027–1030(2009)
- 5.诺贝尔基金会:益川敏英,2008 年物理学奖资料页
- 6.东岛清《Toshihide Maskawa》(讣告),Physics Today 74 卷 11 期,64 页(2021)
- 7.Michael Banks《Japanese Nobel-prize-winning particle physicist Toshihide Maskawa dies aged 81》,Physics World,2021 年 7 月 30 日