南部阳一郎

发表于 2008年11月28日由李淼

（这是应人要求写的稿子的一部分，请勿转载）

南部出生于1921年。说起来，他比杨振宁还要大一岁，比李政道大了5岁。南部向来为人低调，这就解释了为什么网上关于他的信息不多，甚至英文维基百科上的南部阳一郎词条，也只有短短的三段话。第一段的开头简单明了地总结了南部的主要贡献，这是行内所有人都知道的：南部是发现夸克带有色荷的人之一，他发现了粒子物理中的自发对称破缺，他发现了对偶共振模型可以用弦的量子力学来解释。

由于第二项发现，南部获得了今年的诺贝尔物理学奖，由于第三项贡献，南部是公认的弦论鼻祖之一。南部在获得诺贝尔物理学奖之前，获得了几乎一切一个粒子物理学家可能获得的大奖，例如沃尔夫奖、狄拉克奖章、美国国家科学奖，等等。熟悉南部工作的人都认为，南部应该获得诺贝尔奖。我在我的博客上连续两年“预言”南部会获奖，终于，在敬佩南部的人等了很多年之后，诺贝尔奖终于奖给了这个低调而深刻的物理学家。

作为一个物理学家，南部不算早熟。他在1952年才获得日本的博士学位，虽然在50年已经是大阪市立大学的副教授。他在获得博士学位的同年赴美，在普林斯顿高等研究院访问，其时他的好友李和杨都已成名。后来，他在芝加哥大学任教，一直没有离开。我在1996年到芝加哥大学的时候，南部已经退休，但我能够经常在系里看到他，他也常参加高能物理理论组的学术报告会。我记得当时他在研究电子在磁场中运动的问题，和量子霍尔效应有关，他还为此做了一次学术报告。除此之外，我在离美之前和他有一次很近的接触。当时，我和两位日本同行以及一位在美国做博士后的塞尔维亚人研究弦论中的一个问题，该问题需要将所谓的南部括号量子化，我和南部在他的办公室讨论了两次。他给了一些建议，但没有完全解决我们的问题。当然，虽然我们写了一篇文章，这个问题到现在也没有完全解决。有意思的是，与南部括号相关的代数在最近一年内被应用到弦论中来，引起了一个不大不小的潮流。

诺贝奖委员会对南部科学贡献的引证是南部关于对称性自发破缺的研究，这包括了南部的两个主要贡献。第一个贡献就是我们常说的南部-Goldstone定理，这里定理陈述，在相对论性量子场论中，如果理论存在一个连续对称性-也就是说，决定动力学的运动方程具有这种对称-且真空态没有这种对称性，那么必然存在一个质量为零的标量激发态，这个激发态以粒子的形式表现出来，就是通常说的南部-Goldstone粒子。

南部-Goldstone定理证明起来很形式，却有很直观的解释。在场论中，考虑一个复标量场，相当于两个实标量场。这个复标量有一个墨西哥帽形状的势能函数，如图。

很明显，这个势能具有转动不变性，用复标量场来描述，转动变换就是改变场的复角。这个转动不变性出现在决定动力学的运动方程和能量函数（哈密顿量）中。如果标量场在时空所有的点的值取在墨西哥帽上深谷中的任意一点，转动不变性就被破坏了。用场论的语言来说，就是标量场的真空期待值破坏了转动不变性。但是，在时空的任意一个小范围，我们可以用能量激发标量场，沿着墨西哥帽谷方向激发的态消耗能量最小，其量子就是无质量的南部-Goldstone粒子。垂直于谷方向的激发态有质量，是类似希格斯粒子的量子。

事实上，凝聚态物理中早就有了类似的现象，只不过在凝聚态理论中，对应的场论通常不具备相对论性不变性。在这些理论中，会发生以下有趣的情况，即，两个被破缺的对称性可能对应于同一个南部-Goldstone粒子。例子：超流中，伽利略对称性被破缺，同时一个U(1)对称性也破缺了，但只有一个对应的粒子。

在凝聚态理论中，零质量粒子被无能隙的准粒子所取代，如流体和固体中的声子，磁体中的磁振子。磁振子的产生对应于转动对称性的破缺。在粒子物理中，最著名的南部-Goldstone粒子是 $\pi$ 介子，所对应的对称性叫手征对称性。在强相互作用中，手征对称性（左手粒子的变换和右手粒子的变换都是转动，但转动角度相反）是动力学对称性，但强相互作用的真空破缺了这个对称性，这样就有了质量接近于零的 $\pi$ 介子。 $\pi$ 介子有一个比较小的质量，原因是本来的动力学对称性不是严格的，被夸克的质量破坏了。

说到 $\pi$ 介子，就必须提到南部和Jona Lasinio在1960年发表的工作。在这个工作中，他们提出了南部-Jona Lasinio模型。这个模型以重子场作为基本场（现在来看是不正确的），重子的质量本来等于零，但他们引进了保持手征对称的重子自相互作用，这些相互作用使得重子的物理质量不再等于零，从而手征对称性被动力学破坏了。南部和Jona Lasinio证明，一个零质量的赝标量粒子产生了，他们正确地将这个粒子等同于 $\pi$ 介子。虽然南部-Jona Lasinio模型不完全正确，但后来更为正确的夸克理论也实现了他们的建议。因为他们的模型是第一个对称性动力学破缺模型，他们的工作影响非常大，而且这个模型也经常被用来研究其他类似的现象。这样，他们的第一篇文章成了粒子物理文献中引用次数最多的文章之一（近3千次）。

在南部-Jona Lasinio模型中，无质量赝标量场是两个费米子的复合态，这和上图中的标量场不同，那是假定的基本场。当然，复合标量场也可以有图中演示的势能，甚至是更为复杂的势能。在量子色动力学中， $\pi$ 介子和其他一些介子都可以看成是两个夸克的复合标量场，这些标量场的动力学后来被广泛地研究，这类理论统称为有效手征模型，因为这些粒子对应于更大的手征对称性的破缺。非常有意思的是，不同于南部-Jona Lasinio模型，重子（如质子）可以解释成有效手征模型中的孤立子激发态。

南部-Goldstone粒子不仅出现在强相互作用中，也出现在弱电统一理论中。大型强子对撞机（ＬＨＣ）将要寻找的粒子，希格斯粒子，就和对称性自发破缺有关。简单一点说，在弱电统一理论中，有四个内部对称性，但三个自发破缺了，这样就会产生三个南部-Goldstone粒子，这些粒子又被三个矢量场所吸收，使得这些矢量场从无质量变成有质量的，这些就是W和Z粒子，实验上早己发现。剩下的垂直于对称性方向的标量粒子就是希格斯粒子，它是标准模型中最后一个还没有被发现的粒子。

有人会问，既然南部因对称性自发破缺获得了诺贝尔奖，为什么Goldstone没有？我的解释是，一方面，Goldstone的工作的主要应用是弱电统一，希格斯粒子还有待发现，另一方面，南部还研究了对称性的动力学破缺（由相互作用引起的），这是 $\pi$ 介子存在的理由。当然，不能排除诺贝尔奖委员会还考虑到南部还提出了夸克的色荷，甚至弦论。

除了上面谈到的应用外，南部-Goldstone定理还有更为广泛的应用，例如，在超对称理论中，超对称的破缺会产生零质量的费米子。当然，超对称还没有被发现，人们期待LHC会发现超对称。另外，假如相对论的洛仑兹对称性被破坏了，还有可能产生自旋为1的零质量粒子。总之，有理由相信，南部的工作在物理学研究的未来还会继续产生重大影响。

南部的研究对标准粒子模型的建立起到了重要作用，除了上面提到的两项与对称破缺有关的研究，他最早提出夸克有色自由度的想法，解决了当时夸克模型中的一个问题。现在我们知道，夸克的色其实还是强相互作用的来源：因为夸克有色，就会不可避免地生成胶子，胶子是非线性的，也就是说它们自身有相互作用。正是这种相互作用使得色单态不能在实验中分离出来，这就是著名的色禁闭。色禁闭这个概念虽然在物理上是成立的，直到今天我们还不能够严格地证明。当然，计算机已经帮助我们了解了很多色禁闭的性质，例如强子的质量谱。

与强相互作用相关的是对偶共振模型，这是60年代末流行的强相互作用理论。南部第一个指出，对偶共振模型其实是弦的量子理论。出乎他和当时很多人的意料，弦论在过去40年间已经发展成一个庞大的领域，其研究覆盖量子引力、粒子唯象理论、量子场论甚至宇宙学。有趣的是，在很长一段时间内人们用量子色动力学完全取代了对偶共振理论，但近年来人们利用弦论中的新发现重新回到了用弦理论研究强相互作用，从而派生了一个研究量子色动力学的新分支-用弦论和引力来理解量子色动力学的一些性质。

南部的物理研究以具有深刻的洞察力著称。我在十几年前读过《科学美国人》上的一篇文章，详细介绍了南部研究的特点。在日本培养出来的最有影响的理论物理学家中，汤川秀树、朝永振一郎和南部阳一郎的影响最大，三人的研究风格各不相同。南部的特点是，他的工作在当时看起来并不起眼，但若干年后会产生越来越大的影响。Witten过去说过，如果你想知道10年后什么最重要，那么请关注当下南部在研究什么。

直到现在，南部还在研究物理。离开芝大后，我没有回去过，也没有在任何地方再见到南部，只好从芝大物理系的主页上了解他最近的想法。他说，他一直对粒子质量谱中存在的大小等级感兴趣，所以还在研究与对称破缺有关的问题。2002年，他发现关于南部-Goldstone粒子的性质和粒子数反常的定理，这引起他猜测相对论中的洛仑兹对称性可能被破坏了。他还提到其他几个研究，这些研究范围很广，从弦论的统计物理问题到玻色-爱因斯坦凝聚。由此可见，南部不但还在研究，甚至在研究和目前物理前沿关系密切的问题。我甚至期望，在某些问题上他又一次走在了大家的前面。

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中国科学院理论物理研究所研究员

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