对称性破缺是什么

对称性破缺是什么
对称性破缺是什么

对称性破缺是什么
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　　对称性破缺对称性的自发破缺 symmetry breaking
　　[编辑本段]基本概念
　　对称性破缺是量子场论的重要概念,指理论的对称性为真空所破坏,对探索宇宙的本原有重要意义.它包含“自发对称性破缺”和“动力学对称性破缺”两种情形.
　　根据已知理论,大约137亿年前,宇宙在一次“大爆炸”中诞生.之后,夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的反粒子构成了物质.粒子和反粒子一旦碰撞,将“同归于尽”.因此,如果两者始终并存,宇宙中的物质最终将消失殆尽,但是,现在的宇宙中只有粒子“幸存”,没有发现反粒子.科学家认为,反粒子幸存率不如粒子,是因为除电荷相反外,还存在其他微小差异,这种粒子和反粒子的性质差异被称为“对称性破缺”,它的机制是亚原子物理学的一大谜团.它们在理论物理模型中都有重要应用.著名例子分别为标准模型中的希格斯机制和超导物理中的BCS理论.
　　被真空解破坏的对称性可以是整体或局域对称性,对称群可以是分立或连续的.
　　中国科学院物理研究所研究员、博士生导师曹则贤说,“这是一个涉及基础物理和群论的概念,现在已被广泛应用到许多物理领域的研究中.”
　　什么是对称性破缺?曹则贤举了一个简单的例子：水和水蒸气在各个不同空间方向上都是一样的,具有球对称性.将水慢慢冷却,在冰点的时候水会结成冰,而冰中的水分子是有择优取向的.这时,它的对称性变低了.“我们说在水结成冰的过程中发生了对称性破缺.”曹则贤说,如果这个例子还嫌抽象的话,可以观察一下我们的手——手掌是连续的,往前则分出5个分立的手指,这也可以表述为发生了对称性破缺.
　　“自发对称性破缺在物理理论中指的是真空态比描述体系的拉格朗日量具有更低对称性的情形.”曹则贤说,“这是关于基本粒子物理的一个概念,在日常生活层面很难找到一个恰当的比喻来描述它.”
　　曹则贤介绍,南部阳一郎在20世纪60年代最先在超导研究中引入了自发对称性破缺的概念,后将之应用到粒子物理的研究,发展了自发对称性破缺模型以揭示重子质量的起源.小林诚和益川敏英则在上世纪七十年代引入了描述夸克质量的CMK矩阵,特别是认识到在矩阵的夸克三角形区中的电荷－宇称对称性破缺要求至少三代,即获奖理由中所谓的三族不同的夸克.
　　曹则贤说,自发对称性破缺、夸克和基本粒子质量的起源都是近代物理学的重要概念,此前美国科学家盖尔曼就因夸克概念的提出而于1969年获得了诺贝尔物理学奖,3位美国科学家格罗斯、普利策和维尔泽克因关于夸克的渐进自由度概念的提出分享了2004年的诺贝尔物理学奖.3位日本（裔）物理学家引入或应用自发对称性破缺的概念,并在基本粒子领域作出了许多突出成就,他们获得诺贝尔奖实属实至名归.
　　曹则贤认为,3位日本（裔）物理学家此次包揽了本年度的物理学诺贝尔奖,再次展示了日本在物理学教育和研究方面的巨大成功.此前,日本物理学家获得诺贝尔奖的有汤川秀树（1949年）、朝永振一郎（1965年）、江崎玲於奈（1973年）、小柴昌俊（2002）等人,而此次获奖的南部阳一郎在上世纪四十年代曾担任朝永振一郎的助手.
　　中科院理论物理研究所所长吴岳良院士,也是一位从事粒子物理理论和量子场研究的科学家.他到日本访问时曾经当面和小林诚进行过交流.吴岳良说：“小林诚是一个很有学者风度的人,虽然话不多,但是所提的问题都很有针对性.”
　　吴岳良说,我国在这方面的研究也处于国际前沿,目前正在就对称性破缺的一些问题进行更深的研究.
　　[编辑本段]对称性自发破缺
　　原来具有较高对称性的系统出现不对称因素,其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺.或者用物理语言叙述为：控制参量跨越某临界值时,系统原有对称性较高的状态失稳,新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态,系统将向其中之一过渡.
　　时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界,包括人类自身,都是对称性自发破缺的产物.对称性自发破缺对于认识自然的具有重要的意义.下面列举几个对称性自发破缺的事例：
　　1. 弱作用中宇称不守恒
　　实验已经证明,强作用下宇称守恒.这是与微观粒子的镜象对称性相联系的守恒定律.1956年前后,在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了“t ~ q 疑难”.实验中发现的t 和q 粒子,它们质量相等,电荷相同,寿命也一样.但它们衰变的产物却不相同：
　　实验结果的分析表明,3个p 介子的总角动量为零,宇称为负.而2个p 介子的总角动量如为零,则宇称只能是正.因此,从质量、寿命和电荷来看, q 和t 似乎是同一种粒子.但从衰变行为来看,如果宇称是守恒量,则q 和t 就不可能是同一种粒子.
　　1956年,李政道和杨振宁解决了这个难题.他们提出弱相互作用过程中宇称不守恒的设想,吴健雄的钴60原子核b 蜕变实验验证了这个设想.1957年,吴健雄在10-2 K下做原子核b 衰变实验,用核磁共振技术使核自旋按确定方向排列,观察b 衰变后的电子数分布,发现无镜像对称性 —— 证明了弱作用的宇称不守恒性.
　　1957年李政道和杨振宁获诺贝尔物理奖.
　　2. 贝纳德对流
　　1900年法国学者贝纳尔 (H.Benard)发现：从下面均匀加热水平容器中薄层液体时,若上下温差超过一临界值, 液体中突现类似蜂房的六边形网格, 液体的传热方式由热传导过渡到了对流,每个六角形中心的液体向上流动,边界处液体向下流动.这是对流与抑止因素(黏性和热扩散)竞争的结果.
　　3.意大利怪钟
　　这是1443年 Paolo Uccello绘制的24小时逆时针方向运行的“怪钟”（如图）.经济学家Arthur Brian以此钟为例,论述经济领域中的正反馈现象.他说,1443年钟的设计尚未定型.一种表盘的设计用得愈多,就有更多人习惯于读它,以后它就被采用得愈多.最后形成现在的惯例.这就是从 正反馈到失稳,再从失稳到对称破缺的过程.
　　4. 重子——反重子的不对称
　　1933年Dirac理论预言: 每种粒子都有自己的反粒子, 正反粒子完全对称,也许在遥远的地方存在“反物质世界(anti-world)”.按照粒子物理学的分类,质子、中子以及它们的反粒子都属于重子,重子数B 是个守恒量.重子数 B 的定义是：每个重子的B =1, 每个反重子的B =-1.于是,在重子对产生和湮灭的过程中,重子数总和保持为零.各种天文观测表明： 宇宙线中反质子与质子数量之比< ；无论在太阳系内、银河系内、还是整个星系团的更大范围内,都未观察到湮没引起的强大g 射线.如果认为重子数守恒是一条在任何情况下都颠扑不破的定理,就只好认为,宇宙从它诞生时刻起就存在现今那样多的不为零的重子数,即重子与反重子一开始就不对称.目前,对正、反重子不对称比较可能的解释是,早期极高温的宇宙中存在着违反重子数守恒的过程.
　　5. 生物界的左右不对称
　　大多数动物在外观上都具有左右对称性,但体内的器官就不那么对称了.如果深入到分子层次,就会发现一种普遍存在于生物界的更深刻的左右不对称性.1844年德国化学家E.E.Mitscherlich发现,酒石酸钠铵和葡萄酸钠铵的结晶具有相同的晶形,一样的化学性质,但溶液的旋光性不同.前者使偏振面右旋,后者无旋光性.1847年法国Louis Pasteur发现了葡萄酸钠铵中有互为镜象对称的两种旋光异构物,其结构如图所示.对此现象解释的信念是：光活性有与生命过程相联系的起源.
　　现代生物化学指出：有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子四个键的空间构形有关.用L(livo)和D(dextro)分别表示左、右型旋光异构体,(+)、(-)代表该物质的溶液的旋光方向,（-）表示左旋,（+）代表右旋.碳四面体的左右两种构型、甘油醛中四个基团L、D两种构型以及丙氨酸的旋光异构体简要图示如左图,它明显地反映出了其结构的左右不对称性.生命的基本物质是生物大分子,它包括蛋白质、核酸、多糖和脂类.其中蛋白质是生命功能的执行者,其分子是右氨基酸组成的长链.每种氨基酸都应有L、D两种旋光异构体.但实验证明组成生物蛋白质的20种氨基酸都是L型的,D型氨基酸只存在于细菌细胞壁和其它细菌产物中.核酸是遗传信息的携带者和传递者,分为核糖核酸(RNA)和脱氧核酸(DNA)两种.右下图是DNA分子双螺旋结构模型,通常是右旋的.这正是生物大分子的手性特征.生物体内化合物的这种左右不对称性正是生命力的体现.维持这种左右不平衡状态的是生物体内的酶,生物一旦死亡,酶便失去活力,造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了.由此可见,生命与分子的不对称性息息相关.问题是地球上生命发源之初,左右对称性的破缺是怎样开始的?即分子手性的起源是什么?生物的起源是什么?这些都是有待人们去研究的谜.
　　总之,时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界,包括人类自身,都是对称性自发破缺的产物.对称性破缺的机制是什么?实在现象中的对称性破缺与基本物理规律的对称性是否相容?不同层次的非对称性间如何关联?这些都是现代物理尚未解决的重要课题.