《對稱性破缺》word版

1、.對稱性破缺是一個跨物理學(xué)、生物學(xué)、社會學(xué)與系統(tǒng)論等學(xué)科的概念，狹義簡單理解為對稱元素的喪失；也可理解為原來具有較高對稱性的系統(tǒng)，出現(xiàn)不對稱因素，其對稱程度自發(fā)降低的現(xiàn)象。對稱破缺是事物差異性的方式，任何的對稱都一定存在對稱破缺。對稱性是普遍存在于各個尺度下的系統(tǒng)中，有對稱性的存在，就必然存在對稱性的破缺。對稱性破缺也是量子場論的重要概念，指理論的對稱性為真空所破壞，對探索宇宙的本原有重要意義。它包含“自發(fā)對稱性破缺”和“動力學(xué)對稱性破缺”兩種情形。簡介李政道認(rèn)為對稱性原理均根植于“不可觀測量”的理論假設(shè)上；不可觀測就意味著對稱性，任何不對稱性的發(fā)現(xiàn)必定意味著存在某種可觀測量。李政道說：“這些

2、不可觀測量中，有一些只是由于我們目前測量能力的限制。當(dāng)我們的實驗技術(shù)得到改進時，我們的觀測范圍自然要擴大。因而，完全有可能到某種時候，我們能夠探測到某個假設(shè)的不可觀測量，而這正是對稱破壞的根源。 這和“對稱性破缺則是由宏觀走向微觀而展現(xiàn)事物差異性的方式”哲學(xué)觀點是一致的。 假如沒有對稱性破缺，這個世界將會失去活力，也將是單調(diào)、黯淡的，也不會有生物。自然界同樣也存在著諸多對性破缺的例子。比如：弱作用力下的宇稱不守恒、粒子與反粒子的不對稱、手性分子的對稱性破缺等等。物理學(xué)中幾何對稱與抽象對稱對稱性破缺可以理解為原來具有較高對稱性的系統(tǒng)，出現(xiàn)不對稱因素，其對稱程度自發(fā)降低的現(xiàn)象?；蛘哂梦锢碚Z言敘述為

3、：控制參量跨越某臨界值時，系統(tǒng)原有對稱性較高的狀態(tài)失穩(wěn)，新出現(xiàn)若干個等價的、對稱性較低的穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)將向其中之一過渡。和前面群論提到幾何對稱操作中旋轉(zhuǎn)、反映、反演相似，在物理學(xué)中則是電荷對稱、時間反演、空間反映，的對稱操作就是C、T、P。CTP也存在對稱與破缺。 按照諾特定理，守恒量意味著對稱性；在物理學(xué)上不僅僅有幾何的對稱還有抽象的對稱。比如：電荷守恒定律涉及抽象的性質(zhì)而非動力學(xué)的性質(zhì)，它對應(yīng)著抽象的對稱性；還有保守力在保守場中的做功，這些就是規(guī)范對稱。在尋求各種相互作用力的理想的量子理論中，規(guī)范對稱性在起著核心的作用；而且統(tǒng)一力的理論嘗試也是在規(guī)范對稱性的范圍之內(nèi)的。弱作用規(guī)范對稱自發(fā)破

4、缺斯蒂芬·溫伯格（Sieven Weinberg）和阿卜杜斯·薩拉姆（Abdus Salam）各自獨立地發(fā)現(xiàn)有可能在不破壞弱作用內(nèi)在的規(guī)范對稱性的情況下使弱“媒介”粒子獲得質(zhì)量。這一質(zhì)量可以通過弱作用場內(nèi)部一定的相互作用來自發(fā)地產(chǎn)生，弱作用的規(guī)范對稱性可能是自發(fā)破壞而不是動力學(xué)破壞。整體對稱性是一個連續(xù)變換群，整體對稱性自發(fā)破缺，零自旋、零質(zhì)量粒子就會產(chǎn)生，稱為戈德斯通（Goldstone）玻色子，如果局部對稱規(guī)范群自發(fā)破缺，部分戈德斯通玻色子將會得到質(zhì)量，即希格斯機制。溫伯格和薩拉姆提出W 和Z 粒子（弱作用的“媒介”粒子）是通過弱作用希格斯機制獲得質(zhì)量的。希格斯場量子是

5、有質(zhì)量無自旋的玻色子，它與電磁弱作用場相耦合，在這種耦合的作用下，系統(tǒng)選擇了最低能量狀態(tài)，使得W 和Z 獲得大質(zhì)量。 根據(jù)超對稱理論，暗物質(zhì)粒子稱為neutralinos （ 常稱為WIMPS），彼此湮滅釋放次級粒子和輻射，包括中等能量伽瑪射線 對規(guī)范對稱的描述也要用到數(shù)學(xué)的群論，描述這種連續(xù)對稱的稱為李群。例如圓環(huán)上的對稱性，一個圓環(huán)在繞其中心軸轉(zhuǎn)動任何角度時保持對稱。這些轉(zhuǎn)動構(gòu)成一個群，稱為U（1），其中U 代表“幺正”的意思，是一種特定的數(shù)學(xué)性質(zhì)。碰巧電磁場的規(guī)范對稱性正是這種U（1）對稱，為Able 群；不過是在某一抽象空間中，而非真實的空間。弱力和電磁力可由SU(2)xU(1)非阿貝

6、爾規(guī)范理論來統(tǒng)一描述，S 代表“特殊”；已有標(biāo)準(zhǔn)模型：SU(3)x SU(2) x U(1)（非阿貝爾規(guī)范理論）來描述強、弱、電磁三種力，我們在這里并不關(guān)心它在數(shù)學(xué)上的具體含義。 超對稱理論是唯一可以把強、弱、電磁三種力的耦合常數(shù)在極高能量下統(tǒng)一交于一點的SU（5）大統(tǒng)一理論。下面列舉幾個對稱性自發(fā)破缺的事例： 弱作用中宇稱不守恒實驗已經(jīng)證明，強作用下宇稱守恒。這是與微觀粒子的鏡象對稱性相聯(lián)系的守恒定律。1956年前后，在對最輕的奇異粒子衰變過程的研究中遇到了“t q 疑難”。實驗中發(fā)現(xiàn)的t 和q 粒子，它們質(zhì)量相等，電荷相同，壽命也一樣。但它們衰變的產(chǎn)物卻不相同： 實驗結(jié)果的分析表明，3個p

7、 介子的總角動量為零，宇稱為負(fù)。而2個p 介子的總角動量如為零，則宇稱只能是正。因此，從質(zhì)量、壽命和電荷來看， q 和t 似乎是同一種粒子。但從衰變行為來看，如果宇稱是守恒量，則q 和t 就不可能是同一種粒子。 1956年，李政道和楊振寧解決了這個難題。他們提出弱相互作用過程中宇稱不守恒的設(shè)想，吳健雄的鈷60原子核b 蛻變實驗驗證了這個設(shè)想。1957年，吳健雄在10-2 K下做原子核b 衰變實驗，用核磁共振技術(shù)使核自旋按確定方向排列，觀察b 衰變后的電子數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)無鏡像對稱性 證明了弱作用的宇稱不守恒性。 1957年李政道和楊振寧獲諾貝爾物理獎。重子反重子的不對稱1933年Dirac理論預(yù)言

8、: 每種粒子都有自己的反粒子, 正反粒子完全對稱，也許在遙遠(yuǎn)的地方存在“反物質(zhì)世界（anti-world）”。按照粒子物理學(xué)的分類，質(zhì)子、中子以及它們的反粒子都屬于重子，重子數(shù)B 是個守恒量。重子數(shù) B 的定義是：每個重子的B =1, 每個反重子的B =-1。于是，在重子對產(chǎn)生和湮滅的過程中，重子數(shù)總和保持為零。各種天文觀測表明： 宇宙線中反質(zhì)子與質(zhì)子數(shù)量之比< ；無論在太陽系內(nèi)、銀河系內(nèi)、還是整個星系團的更大范圍內(nèi)，都未觀察到湮沒引起的強大g 射線。如果認(rèn)為重子數(shù)守恒是一條在任何情況下都顛撲不破的定理，就只好認(rèn)為，宇宙從它誕生時刻起就存在現(xiàn)今那樣多的不為零的重子數(shù)，即重子與反重子一開始

9、就不對稱。目前，對正、反重子不對稱比較可能的解釋是，早期極高溫的宇宙中存在著違反重子數(shù)守恒的過程。真空不空宇宙廣大區(qū)域的真空中運行著光速的光子、中微子，超光速的引力子、反引力子，用E1=ma2方程計算，真空中蘊藏著的能量是很大的，而且不同區(qū)域的真空蘊藏的能量差異極大，如黑洞奇點的真空區(qū)和宇宙奇點的真空區(qū)與宇宙廣大區(qū)域的真空相比較。 宇宙真空充滿了引力子和反引力子，而且由于純引力的黑洞存在，宇宙總體上已出現(xiàn)了引力子和反引力子的不對稱，即引力子總量多于反引力子。對稱性破缺的本質(zhì)來自于宇宙真空的不對稱性產(chǎn)生真空對稱性自發(fā)破缺機制。 如果系統(tǒng)受到一個小擾動破壞了它的對稱性，我們說它的對稱性破缺，比如，

10、原子中的這樣一個擾動可以由電場引起，由于擾動的作用，原子將不再停留在它原先的定態(tài)上，而從一個能級躍遷到另一個能級，并發(fā)射或吸收一個可見光光子。對稱性破缺同樣出現(xiàn)在粒子中，這時的干擾因素就是宇宙中無所不在的引力子和反引力子。之所以出現(xiàn)“宇稱不守恒”，是因有些粒子在真空中的引力子、反引力子的干擾下，必然會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，而且較易出現(xiàn)在有弱核力參與的粒子轉(zhuǎn)化過程中，因為這種力較弱，即反引力場較弱，較易受到外界的引力子或反引力子的干擾。 對稱性破缺的形成在宇宙中，上下級物質(zhì)特別容易產(chǎn)生干擾，形成對稱性破缺，粒子級物質(zhì)較易對原子形成干擾，因為前者是后者的結(jié)構(gòu)材料，同理，引力子級物質(zhì)較易對粒子形成干擾，形成對稱性破缺。而引力子級物質(zhì)對原子、分子、生物體較難在短期內(nèi)形成可察覺的干擾，因為它們存在巨大的質(zhì)量差異，這種干擾只能漸進式的，一種從“量變到質(zhì)變”的緩慢過程，引力子級物質(zhì)最先影響粒子級物質(zhì)，通過它逐漸對原子形成影響。 粒子世界的“不確定”、“測不準(zhǔn)”就是因為粒子質(zhì)量太小，而宇宙真空中的引力子、反引力子密度比光子、中微子等粒子高出很多倍，引力場使得宏觀宇宙的時空都發(fā)生彎曲，粒子在無數(shù)引力子和反引力子的碰撞干擾下，出現(xiàn)“不確定”、“測不準(zhǔn)”是必