小林诚和益川敏英/三首汉俳
（还是那篇文章中的，勿转）
小林诚和益川敏英获得2008年度诺贝尔物理学奖的另一半是因为他们共同的关于CP不对称的工作，CP是英文电荷以及宇称的缩写，这里的电荷不完全是我们通常所说的电荷，电荷反演其实是粒子和反粒子之间的互换。宇称是空间的反演，例如将左手反演成右手。李政道和杨振宁因发现宇称不对称获得1957年度诺贝尔物理学奖。CP对称性是指同时做空间反演以及粒子和反粒子互换。李杨发现宇称不对称时，人们还没有发现CP对称性也被破坏了。
其实，CP不对称的实验上的发现很早，追溯到1964年。James Cronin和Val Fitch发现中性K介子及其反粒子参与的弱相互作用过程破坏了CP对称性，他们因此获得了1980年度诺贝尔物理学奖。在他们研究的物理过程中，C和P分别被破坏了，不仅如此，CP的结合也被破坏了。相对论性量子场论的分立对称性只留下了CPT，其中T是时间反演。根据相对论性量子场论最一般的原理，CPT必须是守恒的（即对称性没有被破坏），这个定理是泡利证明的。到目前为止，实验上还没有发现CPT遭到破坏。当然，理论上不能完全排除CPT破坏的可能，CPT破坏的一个可能起源是洛仑兹对称性的破坏。CPT破坏是目前理论研究中一个被关注得较多的话题。
如果CPT守恒而CP不守恒，那么T也就不守恒了。在量子场论中，时间反演将一个粒子的过程变成其反粒子的过程。一个最简单的例子是，正电子的运动可以被看成电子在时间的反方向运动，也就是从将来到现在到过去。下图很好地说明这个直观图像，一对正负电子对的产生和湮灭可以看成一个电子在时间上走了一个闭合回路。
中性K介子可以通过下图所示的过程变成其反粒子（中性K介子由一个奇异夸克和一个下夸克构成），其时间反演的过程就是反中性K介子变成中性K介子。这两个过程都会发生，但发生的几率是不一样的，所以CP对称被破坏了。这个破坏是间接CP破坏，不是直接的。的确，如果我们在标准模型中试图容纳这个破坏，仅仅用涉及上夸克、下夸克和奇异夸克的作用量是做不到这一点的。即使将粲夸克包括进来，也做不到这一点。我们看下图，其实在中性K介子衰变成反粒子的过程中，顶夸克也参与了。
到了2001年，两个独立的实验，斯坦福直线加速器实验室的BaBar实验小组和日本高能物理实验室（KEK）的Belle实验小组同时发现了直接CP破坏。这些过程涉及到B介子的衰变和反B介子的衰变，两种衰变过程的几率不一样。B介子含有一个反底夸克和一个上夸克或下夸克。
在我们的宇宙中，粒子的数量远远大于反粒子的数量。例如，我们看到的所有物质主要由质子和中子以及电子构成。在宇宙中，很少能够看到自然存在的反质子和反中子。这样，物质和反物质在宇宙中是事实上不对称的。这个不对称是如何起源的呢？前苏联物理学家萨哈洛夫研究了宇宙早期产生物质和反物质不对称的原因，他找到三条必要条件，其中之一就是CP不对称。CP不对称是一个必要条件很容易理解，因为，假如在一个过程中，某种重子衰变成其他粒子使得重子数发生改变，那么其CP变换的过程，也就是反重子的衰变，必须有不一样的几率，否则将两种过程加起来，重子数还是守恒的。
小林诚出生于1944年，从1979年开始一直在日本高能物理实验室工作，2003年成为KEK的所长，2006年退休（只有62岁！）。益川敏英出生于1940年，从1980年开始长期担任京都大学的教授，1997年担任京都大学著名的汤川研究所所长。据说，小林诚和益川敏英为人都很低调，看来和南部一样。在被通知获奖时，益川敏英开玩笑说，他已经预见到会在08年获奖，但是表示获奖将打破他比较安静的生活。益川不会说英语，但能够听懂-我怀疑他还是会说的，只是不说而已。顺便说一下，今年有人让我在博客上预言物理学奖，我预言了小林诚和益川将会获奖。原因很简单，过去几年的B工厂实验充分验证了他们的理论，而且，他们的工作是标准模型中剩下来不多的可以获奖的工作。他们的获奖工作发表在日本英文刊物理论物理进展上，只有6页。工作完成于1972年9月，发表于1973年2月。
如果我们看小林诚和益川那篇引用次数在粒子物理中排名第三的文章（引用次数超过5千次），也许有人会说这样的工作很简单，不过是意大利人Cabibbo工作的推广。在某种意义上，这种看法有一定道理。其实，我们甚至可以将他们那篇6页的文章简化，最后的结果可以用一个3乘3的幺正矩阵表示。在这个3乘3的幺正矩阵中，有4个独立的实参数，其中之一是一个复角。正是那个复角导致了CP破坏。其实，小林和益川只是在文章的最后一页讨论了这个矩阵以及破坏CP对称的复角。
那么，这个3乘3的矩阵有什么含义呢？在弱相互作用中，夸克可以分成规范群SU(2)的两重态表示和单态表示，我们将这些夸克称为弱作用的本征态。但是，这些态却不是质量的本征态，也就是说，这些态没有固定的质量，要得到固定的质量，我们需要将这些夸克重新组合，重新组合的矩阵是一个幺正矩阵。当然在实际过程中没有这么简单，因为夸克的质量是通过希格斯机制获得的，我们要将两重态和单态以及希格斯场耦合起来。小林和益川在他们的文章中试图得到CP破坏的效应，他们用了主要篇幅来证明，如果要满足实验的限制，无论怎么做，两代夸克（含四种）是不行的。他们在文章最后提出三种可能破坏CP的机制，第三种就是引入三代夸克，这样，在得到质量本征态的幺正矩阵中，就会出现一个复角，破坏CP对称。这个幺正矩阵现在一般叫CKM（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa）矩阵，Kobayashi就是小林，Maskawa是益川。
Cabibbo在1963年就研究了夸克之间的混合角，那时中性K介子的CP破坏效应还没有被发现，他自然也不会想到在质量矩阵中寻找CP破坏。他仅考虑了下夸克和奇异夸克的混合，因为那个时候只存在三种夸克。这样只有一个混合角，这个混合角就是Cabibbo角。当时的实验证据是奇异夸克到下夸克的衰变。现在，即使我们研究两代四种夸克，我们也会发现只有一个混合角，没有导致CP破坏的复角。
其实，这种考虑可以推广到N代的情况。让我们做一个小练习以理解小林-益川的工作和Cabibbo的工作。假如存在N代夸克，每一代有两种夸克（如第一代是上夸克和下夸克，第二代是粲夸克和奇异夸克，第三代是顶夸克和底夸克）。在将N代夸克变成质量本征态的过程中，我们需要在所有N代中第二种夸克之间做混合，需要一个N乘N的幺正矩阵。其中有2N-1个复角可以被夸克（2N种）吸收，剩下个个实参数。当N=2时，就是Cabibbo研究的情况，剩下的一个实参数就是Cabibbo角。当N=3时，是小林-益川文章中的建议，此时有4个实参数，其中3个是混合角，一个是破坏CP对称的复角。对于一般的N，破坏CP对称的复角有(N-1)(N-2)/2个。
小林诚和益川敏英的工作看起来虽然简单，但想法却与众不同，首先他们想到了如何得到CP破坏的效果。在他们做研究时，还没有三代夸克，所以他们预言了第三代夸克的存在。这样，诺贝尔奖委员会将奖授给他们而没有包括Cabibbo是有一定道理的。小林和益川都不是高产作家，他们发表的文章都没有超过40篇，这说明了研究工作不能以量来衡量。我曾经说过他们是那种单篇工作物理学家，一生只靠一篇工作，但却有足够的原创性。
最后，我们要提一下，虽然诺贝尔奖委员会在授奖词中提到CP破坏对宇宙中重子不对称起源的重要性，但CKM矩阵所导致的CP破坏还是太弱，不足以解释宇宙早期的重子数生成。毫无疑问，我们要超出粒子标准模型才能够解释重子数的起源，粒子物理还有较长的路要走。
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汉俳三首
1、
水仙
合上冬天的眼睑
女孩的手
2、
水仙
水中的骨头裂开
三月饮酒
3、
鸟儿们
带着他们的合唱
躲着冬天
2008年12月1日 13:25:36
李老师：好的，那个左右手的例子很精彩！
2008年12月1日 14:22:05
用“熵”做关键字，读了这几篇文章：奶牛/Susskind/王云、弦论小史（5）、拒绝完美、平、时光之箭，做了一些笔记。
我不得不说，72松的这个搜索功能很烂：（
2008年12月1日 14:34:55
考槃在涧：
还有关于熵。
2008年12月1日 15:04:05
读了，很奇怪，用“熵”搜索不出这两篇文章，用“关于熵”就可以了。还搜出一篇“时光机器和虫洞”，这几篇中有些是以前读过的，拿到一起读，还得消化消化。
2008年12月1日 16:37:18
李老师，我写了个读书笔记，引用了多篇文章的段落，若有不当、理解有误的地方敬请指出、指正。
2008年12月1日 17:07:30
考槃在涧：
这么快？厉害啊。我就看。
2008年12月1日 17:28:32
考槃在涧：
嗯，我批一下吧。你写得快写得多，我慢慢来。
（这一段有疑问。未来的事情，是还没发生，还是“不记得”？如果所有的事件已经发生，只是我们只记得过去，不记得未来，那我们凭什么说时间是有箭头的？）
有了箭头才说有发生和没有发生，这和记忆有关。
（也许，混乱的状态和特别的状态只是个相对概念，是以时间为参考系的。我们认为下一刻的状态要比上一刻更乱些，其实也许每一刻的状态都是同等特殊的。）
有序是绝对观念，这是用态数目衡量的，与时间无关。
2008年12月1日 17:34:53
哲学上说，存在就是被感知，看来量子物理的看法是存在就是对称破损。：）
2008年12月1日 17:41:16
李老师:
的确与年龄、性格有一定关系。因为第一首直接传递给我的画面就是穿着和服的美丽女孩，雪白的双手抚在胸前，画面却和水仙不时变换着，融为一体，一种视觉和语言上的冲击……
不过第二首让我有一种突兀的感觉：骨头裂开的恐惧……虽然我知道水中骨头裂开的含义，不过仍有一种紧张的感觉.
2008年12月1日 18:04:54
NahuaK：
你这么一说，我也有这个画面了
骨头开裂，其实不恐惧的，那是意象么。
2008年12月1日 18:05:04
李老师：谢谢指点，你的观点我还需要思考一下：）
2008年12月1日 18:26:51
李老师：
我并没要求任何状态是左右不变的啊，中微子，偏振光都是手性左右不对称的。我上面的推理是说在任何动力学过程中，系统前后的C/P/T最多只有两个量可以同时改变，或者全都不变。仅仅是想要确定这一点，但我把这么简单的意思给说复杂了。调动自己的物理概念太笨拙，但前后意思是一样的。
2008年12月1日 18:33:35
因此单独考虑一个粒子是不现实的。
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这句话又词不达意了，我本来应该说动力学过程的前后如果都是单粒子，那这肯定是守恒过程，粒子状态没有改变。这时候电荷宇称时间反演三联合守恒是平凡的。
不平凡的是系统前后粒子数和状态都改变下，三联合依然守恒。
2008年12月1日 21:15:11
李老师：
俺这物理盲有个‘问题’，从规范的观点看，[质/能量]该是引力场的‘荷’吧？‘荷’可不可以理解是场的一种结构上的属性呢，比方电压差，高度差才是有效的，这个可以理解成场的一种‘结构属性’么？从相对论，这个‘荷’却是可以影响时空结构的，这会影响引力场的‘结构’么？要是场的结构被影响了，岂不是要影响到这个‘荷’自己了么？俺不知道是不是这个关系？那些地方让俺给理解错了？
2008年12月1日 22:55:14
xexz：
对你的“结构属性”一词觉得生疏。
有些荷，在某些理论（如弦论和KK理论）中，可以有拓扑起源。也许就是你说的结构属性。
2008年12月2日 8:01:25
李老师：
俺物理盲，这您是知道的，俺要是到了能和你有效沟通的水平，起码不也得是个业余6段的水平么？哈哈，你觉得生疏一点不奇怪
另外，你后面这段话，俺理解着，这是不是说，有些理论把[质/能量]当作了时空-这种场的一种‘荷’的意思，这样的话，引力和惯性质量相当就不再是第一性的原理了？是这个意思么？
2008年12月2日 12:12:18
xexz：
只要有时空，引力还是第一原理。
2008年12月2日 13:57:53
好象1985年前,CKM矩阵一直叫KM矩阵,不知是什么原因改CKM矩阵.L.MAIANI是不是单独提出CKM矩阵(Phys.Lett.B62:183,1976)?
Sandip Pakvasa and Hirotaka Sugawara( Phys. Rev. D 14, 305 - 308 (1976))
对KM的工作有广告作用.(KM的论文76年前只被引用5次)
2008年12月2日 15:47:36
ymytm：
谢谢。
2008年12月4日 10:54:49
十年磨一剑,从Cabibbo角到KM矩阵为何十年之久?主要原因:
1,当时人们不愿接受可能有更多的夸克的事实.盖一曼等人刚刚把看起来杂乱众多的重子和介子约化为三种夸克的组合.按”简单性原理”不愿接受夸克的剧增(这是对简单性原理一种错误理解).
尽管早在1964年Sheldon L. Glashow等人就预言了第4夸克C的存在,直到1970GIM机制第4夸克C才引起人们的注意.而6夸克在西方1975年才被更多的学者提出(见Phys. Rev. D 14, 305 - 308 (1976),Ref.1).
2,参数化幺正的3X3矩阵并不容易被正确写出.要用到较先进数学工具Iwasawa
decomposition(岩泽分解)(K. Iwasawa, “On some Types of Topological Groups”, Ann. Of Math, 50 (1949) 507),如H.Harari等的6夸克理论3X3矩阵中只含2个实参(H.Harari,Phys.Lett.57B,265(1975));虽然岩泽健吉是1949年提出的岩泽分解,但对于60年代是十几年以内的成果.想一想就是现在纯理论的物理学家都难以说出几项近十年数学界的主要成果.更何况唯象的物理学家了.
岩泽健吉是日本数学家,可能KM近水楼台先得月,72就写出了正确的参数化的幺正3X3矩阵,而西方75年竟不知,可见欧美学者的傲慢,包括远在美国的日本学者Sandip Pakvasa 等75的论文中还引用Harari矩阵(Phys. Rev. Lett. 35, 702-704 (1975) )三个月后看到了KM的工作又发表了CP Violation in Six Quark Model(Phys. Rev. D 14, 305 - 308 (1976)),在此之前KM的论文只被引用5次且几乎都是日本学者.
汤川秀树创立的英文刊Progress of Theoretical Physics(理论物理进展),都不被欧美重视,可以想象我们中文学报了.