对称性与对称破缺
自发对称性破缺
自发对称性破缺[编辑] 维基百科，自由的百科全书 跳转至：导航、搜索 墨西哥帽势能函数的电脑绘图，对于绕着帽子中心轴的旋转，帽顶具有旋转对称性，帽子谷底的任意位置不具有旋转对称性，在帽子谷底的任意位置会出现对称性破缺。 自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking）是某些物理系统实现对称性破缺的模式。当物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身并不具有这种对称性，则称此现象为自发对称性破缺。[1]:141[2]:125这是一种自发性过程（spontaneous process），由于这过程，本来具有这种对称性的物理系统，最终变得不再具有这种对称性，或不再表现出这种对称性，因此这种对称性被隐藏。因为自发对称性破缺，有些物理系统的运动方程或拉格朗日量遵守这种对称性，但是最低能量解答不具有这种对称性。从描述物理现象的拉格朗日量或运动方程，可以对于这现象做分析研究。 对称性破缺主要分为自发对称性破缺与明显对称性破缺两种。假若在物理系统的拉格朗日量里存在着一个或多个违反某种对称性的项目，因此导致系统的物理行为不具备这种对称性，则称此为明显对称性破缺。 如右图所示，假设在墨西哥帽（sombrero）的帽顶有一个圆球。这个圆球是处于旋转对称性状态，对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置不变。这圆球也处于局部最大引力势的状态，极不稳定，稍加微扰，就可以促使圆球滚落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力势位置，使得旋转对称性被打破。尽管这圆球在帽子谷底的所有可能位置因旋转对称性而相互关联，圆球实际实现的帽子谷底位置不具有旋转对称性──对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置会改变。[3]:203 大多数物质的简单相态或相变，例如晶体、磁铁、一般超导体等等，可以从自发对称性破缺的观点来了解。像分数量子霍尔效应（fractional quantum Hall effect）一类的拓扑相（topological phase）物质是值得注意的例外。 目录
对称性破缺
对称性破缺 对称性破缺是一个跨物理学、生物学、社会学与系统论等学科的概念，狭义简单理解为对称元素的丧失；也可理解为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的现象。对称破缺是事物差异性的方式，任何的对称都一定存在对称破缺。对称性是普遍存在于各个尺度下的系统中，有对称性的存在，就必然存在对称性的破缺。对称性破缺也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。 中文名 对称性破缺 外文名 Symmetry Breaking 目录 1. 1简介 2. 2系统 3. 3物理 4. ?超对称 5. ?弱作用规范 6. ? 11维空间 1. 4生物 2. ?手性破缺 3. ? Salam 假说 4. ?局限性 5. 5耗散分岔 6. 6反馈机制 1. 7举例 2. ?宇称不守恒 3. ?贝纳德对流 4. ?意大利怪钟 5. ?重子与反重子 6. ?生物界应用 1. ?真空不空 2. ?对称性破缺也叫CP破缺 3. 8社会 简介 李政道认为对称性原理均根植于“不可观测量”的理论假设上；不可观测就意味着对称性，任何不对称性的发现必定意味着存在某种可观测量。李政道说：“这些‘不可观测量’中，有一些只是由于我们目前测量能力的限制。当我们的实验技术得到改进时，我们的观测范围自然要扩大。因而，完全有可能到某种时候，我们能够探测到某个假设的‘不可观测量’，而这正是对称破坏的根源。 这和“对称性破缺则是由‘宏观’走向‘微观’而展现事物差异性的方式”哲学观点是一致的。 假如没有对称性破缺，这个世界将会失去活力，也将是单调、黯淡的，也不会有生物。自然界同样也存在着诸多对性破缺的例子。 比如：弱作用力下的宇称不守恒、粒子与反粒子的不对称、手性分子的对称性破缺等等。 系统 耗散理论在解释生命分子手性起源中取得了较大成功，这也是本书所拥护的观点；近些年也得到更多的实验支持。普利高津（Prigogine）认为，在远离平衡的条件下，一个开放的物理化学体系可以通过分支现象，从原先空间均匀的各向同性状态发展到集中都是稳定的但时空特性可能不同的有序状态，即由无序中产生有序。这两种空间有序状态唯一的差别可能仅仅在于其对称性，体系远离平
破缺的对称性
破缺的对称性 2019年10月7日北京时间下午5点45分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度的诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu),以表彰他发现了亚原子物理中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构(KEK)的小林诚(Makoto Kobayashi)和京都大学的益川敏英(Toshihide Maskawa)分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自 然界中至少有3个夸克家族存在.? 人类对对称性的兴趣可以追朔到远古时期.从古希腊文明到现在的日常生活,从美丽的雪花、达?芬奇的油画、各种漂亮的装饰图案、植物的花、叶,到令人惊叹的建筑物如鸟巢、水立方等,人们无时无刻不在感受着对称性带来的美感.对 称性是指如果一个操作或变换使系统从一个状态变到另一 个与之等价的状态,或者说系统的状态在此操作或变换下不变,我们就说该系统具有对称性.例如,一个呈现六角图案的雪花,当旋转60o时,人们看到的形状与旋转前是完全一样的,我们就说该图案具有6重旋转对称性;对正常的人体来说,则具有明显的镜面反射对称性等.对称性描述的数学语言是19世纪由数学家建立起来的群论(group theory).在20世纪,群论作为一个有力工具在物理学研究中得到了重要而广泛
的应用,并由此导致了许多重大的科学发现和物理理论的建页 1 第 立,如狭义相对论,质子、中子、正电子和其他一些基本粒子的发现,标准模型,弱作用中的宇称不守恒等,这些成果均获得了诺贝尔物理学奖.? 现在知道,物理学中的对称性意味着守恒律的出现.当系统由于某种原因失去了原有的对称性后,一定会进入到另一个与以前完全不同的状态,这就是对称性破缺的概念.例如,当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时,两个小孩分坐两端,在静止状态下,跷跷板保持水平状态,达到平衡;当一个小孩离开后,跷跷板失去平衡,有小孩的一端着地,另一端则必然上翘,使原来的水平状态被打破,原有的对称性就发生了破缺.又比如,水是各向同性流动的液体,水分子在水中沿各个方向运动皆可,但当温度下降到零度以下时,水结成了冰,水分子在冰中按一定的择优方向排列,形成了冰的几何结构,对称性降低,不再保持原来水中各向同性的对称性,即发生了对称性破缺.? 对称性破缺是贯穿凝聚态物理始终的一个重要的基本概念.在凝聚态物理学中,对称性的破缺就意味着有序相的出现.例如,水结成冰后,水分子在冰中的分布比在水中更有序.另一个典型的例子是铁磁性材料,人们有时俗称为吸铁石或磁石,在这类材料中,由于磁性原子之间的交换作用,使之具有
生命起源中的对称性破缺
北京大学学报(自然科学版),第33卷,第2期,1997年3月 A ct a Scientiar um Nat ur alium U niv ersit atis Pekinensis ,V o l .33,N o .2(M ar ,1997) 1)高等学校博士学科点科研基金项目(94-1)、国家自然科学基金资助项目(29672003)、国家科委基础研究基金资助项目(92国科高字050号) 收稿日期:1996-09-16 述评R eview 生命起源中的对称性破缺 1) 王 文 清 (北京大学技术物理学系,北京,100871)摘 要 生命起源中的对称性破缺——生物分子手性均一性,是生命科学中的长期未解之谜。自然界中组成蛋白质的20种氨基酸(除甘氨酸无不对称碳原子外)全部是L 型,组成RN A ,DN A 中的核糖却全部是D 型。对蛋白质和核酸的手性、分子构型(D 和L )和旋光(+和-,右旋光和左旋光)概念作了阐明。对当前国际上最著名的两大学说— 粒子极化和手性分子的相互作用与萨拉姆假说以及国内外的研究工作,结合科研组10几年来的实验研究和理论观点作了较为全面的评述。 关键词 对称性破缺;手性起源; 电子极化;Salam 假说 中图分类号 Q 10 1 蛋白质和核酸的手性 为什么在自然界中氨基酸有L 和D 两种对映异构体,而组成蛋白质的 -氨基酸却几乎都是L 型。天然糖有D 糖,也有L 糖,但核糖核酸RNA 、脱氧核糖核酸DNA 中的核糖却全是D 糖,这是科学之谜,称为生命起源中的对称性破缺。蛋白质和核酸的这一特性称作分子的手性均一性。 生命的基本物质是核酸和蛋白质,不同蛋白质具有不同的生理功能。它是由各种 -氨基酸通过肽键联结成的长链分子,这种长链称为肽链,链中相当于氨基酸的单元结构称为残基,肽链中氨基端称为N 端,羧基端称为C 端。 作为蛋白质组成成分的氨基酸共20种,除甘氨酸外,其他19种全部具有旋光异构体[1]。有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子4个价键的空间构型有关。单糖和氨基酸分子的D 、L 构型是以甘油醛为标准而确定的,而它们水溶液的旋光方向的(+)、(-)没有必然的联系。例如甘油醛是D (+)、L (-),而丙氨酸则为D (-)、L (+),即D 型丙氨酸的光活性呈左旋。19种L 型氨基酸水溶液在钠光589.3nm 下的旋光符号均不相同。表1列出了蛋白质中常见L 氨基酸的旋光性。 核酸是一种多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸,而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。核苷酸中的戊糖有两类:D -核糖和D -2脱氧核糖。根据核酸中所含戊糖种类不同,分核糖
对称性破缺理论在社会学中的应用
对称性破缺理论在社会学中的应用 反馈机制与社会 对称性破缺是一个跨物理学、生物学、社会学与系统论等学科的概念，狭义简单理解为对称元素的丧失；也可理解为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的现象。对称破缺是事物差异性的方式，任何的对称都一定存在对称破缺。 资料上说，生命分子的产生是源于反馈的自催化机制通过循环结构将微小的差距放大，也就是说个体之间的差异是通过小分子物质在外界环境的作用下循环积累导致的。社会也是一个充满张力的循环结构。自然界存在各式各样的不对称差异，能够放大这样差异的则是事物自身选择。 高等动物进化出来的互相扶持以及护幼行为等都是基于群体意识，这也是物种对自身的反馈，简单的说就是“自我选择力”。中国儒家传统思想所尊崇的信条就是以自我完善为基础，在《礼记·大学》中就有“心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。”这样的思想是符合生物哲学的，人的修身必须从自我反馈开始。这让我想起，美国电视《越狱》中有一句话“欲变世界，先变其身”。然而现今中国的教育，却没有教会人适应和反馈这最重要的东西。引用卡内基梅隆大学教授蓝迪的“最后一课”的演讲中的一句话“一个教育工作者能给的最好礼物，就是让人能自我反省”。 生活中学会总结，是人生自我反馈的开始。社会上每个人都是不同的，自然属性赋予了人差异性的一面，只有自身对自身的反馈来放大这种差异，人生才会精彩（这包括自我修养和自我超越）。自古封建君王们都鼓吹‘君权神授’；也是企图放大，人的的差异，将自我比作神。而现代社会人在置身于物欲世界的同时，忽略了自我对自我的反馈，盛行的却是类似斯宾塞弱肉强食的“社会达尔文主义”。 社会达尔文主义忽略了社会中事物发展自身反馈也是重要重要驱动，具有局限性，因此被后现代主义称为“现代性罪状”。在这样的扭曲的社会结构中，人们追求自我实现，不是通过自我修养和超越的反馈来完成；而以掌握物质财富和社会地位来衡量，力求成为社会“食物链”的顶端。同时，在张力的社会中人们文化的困境与内心的挣扎也是推动其发展的驱动因素。在霍妮的文化心理病理学指出自我的挣扎是人与自我关系的失调。人有天赋的潜能和引导实现潜能的建设性力量，体现为创造和奉献；这种力量的激发则需要人自身的“自催化”，其过程是通过学习、经历、以及自我认识来完成。 同时人的天赋中还具有一种破坏性力量，体现为贪婪、权利与欲望的膨胀等等。为确保社会结构稳定，需要社会机制的约束和自我反馈加以调节，这表现为法律与道德。一些人认为这种破坏的力量归结为人类的本能，其实这是片面的，人类的本性是两种力量的综合，而不是单纯某一方面。就以‘性’来说，弗洛伊德的人性论是性恶论，并持悲观论调；但我们知道‘性’又意味着生命的诞生，意味着创造，意味着美，具有积极的一面。 人能够调节这两种力量的就是自我的反馈，并体现为适应性。生物要适应环境得以生存，就首先要求自身的改变，这个变化过程就是自身反馈机制的体现。反社会人格以及神经症患者内心的挣扎以及自我异化等，在我看来是社会适应力低下的表现，可能是自身反馈出现了问题；按照这个思想，极度自卑或自傲都可能滋生反社会行为；我相信运用这个思想是可以找到减少社会暴力的方法。当然，社会是多元化整体，事物的发展既取决于自身反馈又取决于环境的选择。假如社会环境变化总采取突变式，或者说环境选择的跳跃变化总大于自我反馈的能力，那么这样的反馈机制就可能遭到破坏。所以在社会学中人自我的反馈机制往往具有强烈的环境依赖性。 假如构成社会的人，都具有极强的适应能力，都在不断的变通；那么这个社会是不稳定的，比如可能社会缺乏诚信、缺乏价值判断等等。所以社会本身是人社会适应性与社会稳定性的妥协。而在生态学中生物与环境本身就是一个整体，是协同进化的。一个物种的进化，
自然界中的非对称性问题
自然界中的非对称性问题 人生不可能是尽善尽美的.我们也很难找到一朵花是完美无缺的.虽然人体总的来说是 左右对称的，可是这种对称远远不是完全的.每个人左右手的粗细不一样，一只眼睛比另一 只眼睛更大或更圆，耳垂的形状也不同.最明显的，就是每个人只有一个心脏，通常都在靠 右的位置（当然也有极少数人的心脏在左侧）.不仅日常生活中我们会有意的打破对称，艺 术家有时也会极力的创造出不对称的图像和物体，可是仍然给人以和谐与平衡的美感. 对称是相对的，不对称是绝对的，一个系统一旦实现了对称，这个系统就不存在了.李 政道(T.D.Lee)认为，“宇宙有三种作用：强作用、电弱作用、引力场.这三种作用的基础都 是建立在对称的理论上的.可是实验不断发现对称不守恒，为什么我们的理论，尤其是在 1950年代发现宇称不守恒以后似乎应越来越不对称，但实际不然，理论越来越对称，而实 验越来越多地发现不对称，使人觉得理论不行.它是21世纪科技所面临的四大问题之一.” 李政道1996年5月23日在中央工艺美术学院的演讲中曾指出：“艺术与科学，都是对称与 不对称的巧妙组合.”这无疑是正确的.对称是美，不对称也是美，准确说，对称与对称破缺 的某种组合才是美.“单纯对称和单纯不对称都是单调.一个对称的建筑只有放在不对称的 环境空间中才显得美，反之亦然.”【1】对称是美的，不对称（例如破缺、失稳、混沌等） 在一定条件下也能给人以美感.对称性理论只是在弱场情况下有效（因为忽略了二阶小量）， 而在强场中对称性理论就失效了.毛泽东于1974年与李政道谈话时表示，他完全不能理解对 称在物理学中会被捧到如此高的地位.实际上，数学完美方面的对称理论依赖于极为高深的 数学工具，单纯为了普及的目的也要发展数学完美方面的不对称理论（但其符合物理方面的 对称性，如能量守恒原理等）. 大自然趋稳，所以要对称性的破缺.对称性破缺分两种，自发性对称破缺和非自发对称 性破缺；生物物种的形成源于基因的突变，同一物种具有某些特征（形体、行为等）的不可 区分性.物种在适应环境变化中基因不断改变，如果基因变异引起物种某些特征的变化，在 后代繁衍进化中能消失，则物种系统是稳定的.如果变异积累到一定大小，群体差异使物种 系统失稳到一定程度，物种将分裂，单一物种被破坏，新物种产生，整体系统趋稳.这是自 发性对称破缺.生物化学家发现，在生物演化中也存在宇称不守恒现象.例如氨基酸的立体化 学结构有左手螺旋型的和右手螺旋型的两种，它们互为镜象，称为左手性（L型）的和右手 性的（D型）的.它们具有完全相同的化学性质，在化学反应中都同样能够存在.但是人们发 现，生物活体中的氨基酸却有些不同.地球上有150万种生物，一个高等生物具有几万种蛋 白质，它们都是由8种核甘酸和20种氨基酸组成的.20种生物氨基酸中，除甘氨酸特别简
对称与对称破缺
对称与对称破缺 李政道教授说:我先讲一下“对称”与“不对称”.为什么我们相信对称，而我们生活的世界充满了不对称，这个矛盾怎样理解？有一个理解方法，就是最多的非对称的可能性是与完全的对称一样的，就是完全的对称会产生最多的非对称.这个提法，看来好像矛盾. (引自《物理学的挑战》)科学哲学是研究怎样证实科学的角度开始的，后来又转入到科学理论的合理性的问题.科学哲学从罗素与维特根斯坦开始，又经过了波普尔、奎因、库恩、拉卡托斯、夏佩尔、劳丹等人到现在，渐渐地认识到科学理论作为“精神客体”，也像生物世界一样，是不断进化的有内部结构的“有机整体”，科学理论也有其“基因”，也有其进化过程的“继承”与“变异”情况等.对称性反映不同物质形态在运动中的共性，而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性.物质世界的有序性，本源于自然能态的无序性.有序性是相对的、暂时的、从属的；无序是绝对的、永恒的、自在的.经典物理学是以“守恒律”构建理论,现代物理已发现物理学的“属性”是不守恒的；然而，现代理论的方法论却依然用数学. 在科学中，对称性是指某种操作下的不变性或者守恒性，对称性常与守恒定律相联系.与空间平移不变性对应的是动量守恒定律；与时间平移不变性对应的是能量守恒定律；与转动变换不变性对应的是角动量守恒；与空间反射（镜像）操作不变性对应的是宇称守恒.在弱相互作用中，“宇称”不守恒，自然界在C或P下不是对称的，在CP下也不是对称的，但却是CPT对称的.这里C表示电荷变号操作，相当于反转变换，如由底片洗出照片，电子变正电子，物质变反物质；P表示镜像反射操作，如人照镜子；T表示时间反演操作，如微观可逆过程.也就是说，当同时把粒子与反粒子互变（C）、左与右互变（P）、过去与未来互变（T），自然界又是对称的. 严格地说“对称破缺”实际应该叫“对称隐藏”，因为不是对称缺失了，而是“隐藏”起来了.过去电流下的磁针被认为违背左右手对称，但一当磁针的电流环本质被认识到，这个左右手对称性就恢复了.决定磁体内铁原子和磁场的方程，关于空间的方向是完全对称的，但实际永磁铁的磁场方向是确定的，对称似乎是缺失了.但我们把磁铁加热到770度时，永磁铁的磁场方向就会恢复“原有”的对称性. 假如有什么微小生物生活在常温的永磁铁的磁场中，它们感受到的“磁空间”是不对称的，需要很高的科技水平，才能发现它们的“磁空间”原来是对称的，只是这种对称性“隐藏”起来了. 关于对称性的问题，李政道在中科院建院50周年纪念会上讲了下面一段十分精彩的话：“我先讲一下“对称”与“不对称”.为什么我们相信对称，而我们生活的世界充满了不对
破缺的对称性-模板
破缺的对称性 20XX年10月7日北京时间下午5点45分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度的诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu),以表彰他发现了亚原子物理中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构(KEK)的小林诚(Makoto Kobayashi)和京都大学的益川敏英(Toshihide Maskawa)分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少有3个夸克家族存在. 人类对对称性的兴趣可以追朔到远古时期.从古希腊文明到现在的日常生活,从美丽的雪花、达?芬奇的油画、各种漂亮的装饰图案、植物的花、叶,到令人惊叹的建筑物如鸟巢、水立方等,人们无时无刻不在感受着对称性带来的美感.对称性是指如果一个操作或变换使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态,或者说系统的状态在此操作或变换下不变,我们就说该系统具有对称性.例如,一个呈现六角图案的雪花,当旋转60o时,人们看到的形状与旋转前是完全一样的,我们就说该图案具有6重旋转对称性;对正常的人体来说,则具有明显的镜面反射对称性等.对称性描述的数学语言是19世纪由数学家建立起来的群论(group theory).在20世纪,群论作为一个有力工具在物理学研究中得到了重要而广泛的应用,并由此导致了许多重大的科学发现和物理理论的建立,如狭义相对论,质子、中子、正电子和其他一些基本粒子的发现,标准模型,弱作用中的宇称不守恒等,这些成果均获得了诺贝尔物理学奖. 现在知道,物理学中的对称性意味着守恒律的出现.当系统由于某种原因失去了原有的对称性后,一定会进入到另一个与以前完全不同的状态,这就是对称性破缺的概念.例如,当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时,两个小孩分坐两端,在静止状态下,跷跷板保持水平状态,达到平衡;当一个小孩离开后,跷跷板失去平衡,有小孩的一端着地,另一端则必然上翘,使原来的水平状态被打破,原有的对称性就发生了破缺.又比如,水是各向同性流动的液体,水分子在水中沿各个方向运动皆可,但当温度下降到零度以下时,水结成了冰,水分子在冰中按一定的择优方向排列,形成了冰的几何结构,对称性降低,不再保持原来水中各向同性的对称性,即发生了对称性破缺. 对称性破缺是贯穿凝聚态物理始终的一个重要的基本概念.在凝聚态物理学中,对称性的破缺就意味着有序相的出现.例如,水结成冰后,水分子在冰中
对称性破缺
是一个跨、、与等学科的，狭义简单理解为对称元素的丧失；也可理解为原来具有较高对称性的，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。对称破缺是事物差异性的方式，任何的对称都一定存在对称破缺。对称性是存在于各个尺度下的系统中，有对称性的存在，就必然存在对称性的破缺。对称性破缺也是的重要概念，指理论的对称性为真空所破坏，对探索的本原有重要意义。它包含“自发对称性破缺”和“动力学对称性破缺”两种情形。 简介 认为对称性原理均根植于“不可观测量”的理论假设上；不可观测就意味着对称性，任何不对称性的发现必定意味着存在某种可观测量。李政道说：“这些‘不可观测量’中，有一些只是由于我们目前测量能力的限制。当我们的实验技术得到改进时，我们的观测范围自然要扩大。因而，完全有可能到某种时候，我们能够探测到某个假设的‘不可观测量’，而这正是对称破坏的根源。这和“则是由‘宏观’走向‘微观’而展现事物差异性的方式”哲学观点是一致的。假如没有对称性破缺，这个世界将会失去活力，也将是单调、黯淡的，也不会有生物。自然界同样也存在着诸多对性破缺的例子。比如：弱作用力下的宇称不守恒、粒子与反粒子的不对称、手性分子的对称性破缺等等。 物理学中几何对称与抽象对称对称性破缺可以理解为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的现象。或者用物理语言叙述为：控制参量λ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。和前面群论提到几何对称操作中旋转、反映、反演相似，在物理学中则是电荷对称、时间反演、空间反映，的对称操作就是C、T、P。CTP也存在对称与破缺。按照诺特定理，守恒量意味着对称性；在物理学上不仅仅有几何的对称还有抽象的对称。比如：电荷守恒定律涉及抽象的性质而非动力学的性质，它对应着抽象的对称性；还有保守力在保守场中的做功，这些就是规范对称。在寻求各种相互作用力的理想的量子理论中，规范对称性在起着核心的作用；而且统一力的理论尝试也是在规范对称性的范围之内的。 弱作用规范对称自发破缺 （Sieven Weinberg）和阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）各自独立地发现有可能在不破坏弱作用内在的规范对称性的情况下使弱“媒介”粒子获得质量。这一质量可以通过弱作用场内部一定的相互作用来自发地产生，弱作用的规范对称性可能是自发破坏而不是动力学破坏。整体对称性是一个连续变换群，整体对称性自发破缺，零自旋、零质量粒子就会产生，称为戈德斯通（Goldstone）玻色子，如果局部对称规范群自发破缺，部分戈德斯通玻色子将会得到质量，即希格斯机制。温伯格和萨拉姆提出W 和Z 粒子（弱作用的“媒介”粒子）是通过弱作用希格斯机制获得质量的。希格斯场量子是有质量无自旋的玻色子，它与电磁－弱作用场相耦合，在这种耦合的作用下，系统选择了最低能量状态，使得W 和Z 获得大质
对称性自发破缺
对称性自发破缺 物理体系从高温到低温的过程中，或者从高能级到基态的过程中，从一个对称的体系变得不对称的过程，称为对称性自发破缺 最简单的对称性自发破缺 将一根火柴棍直立在桌上，这时火柴棍与重力，桌面构成的体系具有以火柴棍为轴的旋转对称性。火柴棍如果圆头朝下，那肯定是立不稳的，总会倒下，指向某个特定的方向，破坏先前的旋转对称性。这一过程中，对称性从有到无，自发地消失，因此叫做对称性自发破缺。 顺磁铁磁相变中的对称性自发破缺 大家常见的永磁铁通常都是铁磁体。铁磁体随着温度的升高，磁性会逐渐下降。直到超过某个特定的温度后，磁性会完全消失。在这个温度以上，只要没有外界磁场，磁体不能自己产生磁场，这时铁磁体已经变成顺磁体。这个转变温度称为居里温度。将居里温度以上的材料逐渐降温，材料会由不能自己保留磁场的顺磁体变回能够自己产生磁场的铁磁体。只要温度降得足够缓慢，恢复后的铁磁体往往会带有磁场。考虑材料在居里温度以上到居里温度下这个转变。在居里温度以上，磁体是往往是各向同性的（某些特殊材料除外）。物理体系具有很大的对称性。从宏观上看，这时材料没有磁性，因此也不存在特定的方向。当温度降低时，磁体恢复磁性。如果没有外界磁场诱导，恢复的磁场方向将是随机的，这跟之前处在一个没有特殊方向的状态相关。材料恢复磁场，说明它内部选择了某一个特定的方向作为体系的特定方向。对称性不再保持。这一相变，由具有对称性的状态，自动变到了不具有对称性的状态，就是对称性自发破缺 粒子物理中的对称性自发破缺我们所处的世界 粒子物理学家认为，我们所处的世界相对于理论物理中的某些能标，是一个能量很低的状态。因此，只要构成我们世界的基本规律允许，我们完全有可能处在一个对称性自发破缺了的世界。理论物理学家用对称性自发破缺解释弱相互作用和电磁相互作用的分离，其中最重要的机制是希格斯机制。涉及到的一系列理论被称为粒子物理的标准模型。在该理论下，电磁相互作用和弱相互作用原本是同一个相互作用，称为电弱相互作用。电弱相互作用与西格斯场耦合，由于西格斯场具有特殊的势函数，而世界又要选择能量低的状态。那么，西格斯场将会由原来具有su(2)对称性的场破缺为没有对称性的场。破缺使得传递弱相互作用的粒子获得很大的质量，从而弱相互作用比电磁作用弱得多。 自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking）是某些物理系统实现对称性破缺的模态。当物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身并不具有这种对称性，则称此现象为自发对称性破缺。[1]从描述物理现象的拉格朗日量或运动方程，可以对于这现象做分析研究。自发对称性破缺是一种自发性过程（spontaneous process），由于这过程，本来具有某对称性的物理系统，最终变得不再具有这对称性，或不再表现出这对称性，因此这对称性被隐藏。 对称性破缺主要分为自发对称性破缺与明显对称性破缺两种。假若在物理系统的拉格朗日量里存在着一个或多个违反某种对称性的项目，导致系统的物理行为不具备这种对称性，则称此为明显对称性破缺。 大多数物质的相态，例如晶体、磁铁、一般超导体等等，可以从自发对称性破缺的观点来了解。像分数量子霍尔效应（fractional quantum Hall effect）一类的托普相（topological phase）物质是值得注意的例外。
对称性与CP破坏
对称性与CP破坏 摘要：介绍了自然界的对称性和对称性破缺机制。介绍了CP对称性与CP破坏，和各国科学家在此方面的研究。以及宇宙大爆炸和早期宇宙同CP破坏的关联。 关键词：对称性，破缺，反物质，CP破坏 一、对称性 自然界充满了各种对称性例如：许多动物的左右对称性、太阳的转动对称性、海星的五重对称性、雪花的六重对称性、……对称性是科学研究中的重要指导性原则之一,也是用来理解自然规律的有力工具。如果自然界中存在很多的对称性,那么我们对它的理解就会容易得多,因为对称性往往都和守恒定律联系在一起。比如说,时间(空间)平移不变性意味着能量(动量)守恒,而空间旋转不变性对应于角动量守恒。然而自然界中的对称性绝大部分都是破缺的。一个典型的例子是李政道和杨振宁在1956年提出的弱相互作用过程中的宇称不守恒[1]。在此之前人们普遍认为物理规律具有坐标反演或镜像反射对称性,即宇称P应该是一个守恒的量子数。吴健雄等实验家在1957年验证了李政道和杨振宁的假说,并发现在弱相互作用中宇称发生最大程度的破缺[2]。 究竟什么是对称性自发破缺呢?考虑一个无穷维的物理体系,如果该系统的拉氏量在某个对称群变换下保持不变,当系统转变到不满足这种对称性的基态时,我们就称之为系统的对称性发生了自发破缺。例如,铁磁体材料在居里温度之上因为没有磁化而具有空间旋转
不变性,这时描述铁磁体的原子理论同样具有这种对称性。当温度降到居里温度以下,铁磁体出现某个方向的磁化,于是三维空间的旋转不变性被破坏,即系统的对称性出现了自发破缺[2]。 由夸克和轻子作为物质的基本组元而建立的粒子物理标准模型取得了极大成功,堪称20世纪物理学最重大的成就之一。目前的研究表明,由这些基本粒子组成的物质世界中,存在四种基本相互作用力,万有引力,电磁相互作用力,弱相互作用力和强相互作用力.后三种相互作用力由规范量子场论来描述,即所谓的粒子物理标准模型.粒子物理标准模型虽然已取得了很大的成功,尤其规范相互作用部分得到了越来越精确实验的验证,但粒子物理学家相信标准模型不可能是一个最基本的理论.因模型中关于对称破缺和夸克禁闭的基本问题仍然是一个悬而而未决的谜,并且涉及到18个未知参数,它们的起源也仍然不清楚.模型中关于电荷共扼一宇称(CP)破坏的起源和机制也仍不清楚,并且标准模型中的CP破坏不足以解释宇宙中观察到的物质一反物质不对称[3].另外,因“中性微子”是形成星系的基础,相信这种暗物质必然存在,一旦实验找到这种暗物质,则对宇宙的未来命运将造成重大影响,宇宙不可能无限持续膨胀,最终会发生坍塌. 二、CP对称与CP破坏 CP对称性即：正粒子－反粒子、左右镜像反演的对称性,它涉及到空间和物质的基本对称性。CP对称性和破缺一直是粒子物理学家探索自然界基本规律的前沿领域粒子反粒子CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积：C对称即电荷对称,量子操作为电荷共轭运算，这
对称破缺的系统学诠释
对称破缺的系统学诠释 【内容提要】20世纪40年代以来，自然科学和社会科学的发展，特别是复杂性系统科学的研究，揭示出从无机的物质世界到有机的生命世界，再到复杂的社会经济生活，都是从无序走向有序的过程，而对称性破缺是系统走向有序的主要机制。作者通过对非线性、突现、分层和自组织等对称破缺现象的考察，指出对称性破缺在本体论、认识论和方法论方面的教益，进而从系统学的角度阐明对称性破缺是自然界演化发展的一条基本原理。 引言 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂，会上德高望重的开尔文勋爵致新年贺辞。他在回顾物理学的发展时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”而在展望20世纪物理学前景时，他若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦－玻尔兹曼理论上。”[1]出乎意料的是，这两朵乌云不久就酿成了两场风暴，掀起了20世纪物理学上的两次革命。同样，在20世纪和21世纪之交，李政道教授在《展望21世纪科学发展前景》时也提出了两个疑问：“第一，目前我们的物理理论都是对称的，而实验表明有些对称性在弱作用过程中被破坏了；另外一个疑问是一半的基本粒子是永远独立不出来的。”[2]他还认为，20世纪的文明是微观的，21世纪微观和宏观应该结合成一体。这也就是说，20世纪自然科学的迅猛发展，一方面使对称性思想愈发彰显自身的光彩和魅力，由此展现了理论创新的威力，解释了原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X光、超级计算机等等；另一方面，大量的经验事实和理论探索一再展示对称破缺的重大意义。事实上，每一次对称破缺都有新质的突现，都在创造一个更加丰富多彩的现象世界。因此，我们将它概括为自然界演化发展的一条基本原理。[3] 在这样的背景下，我们应该从系统科学的视角出发，立足于关系，就有可能看到整体中的区分，以达到对现存事物的理解、说明和解释。当代著名物理学家盖尔曼也曾指出：“今天……我们必须对整个系统进行研究，即使这种研究很粗糙也是必要的，因为对复杂的非线性系统的各个部分不作紧密联系的研究，我们对整体行为就不会有正确的思想。”[4]有鉴于此，我们试图对对称破缺这一自然界演化发展的基本原理进行一次系统学的解读。 一非线性是对称破缺的动力源泉 20世纪40年代以来，科学上的转向是难以与文化和社会变迁截然分开的，它一再向人们表明这样一个事实：每一种重要科学分支的前缘正在大大地扩展着。宇宙的起源、天体的演化、地球的变迁令我们“越思考就越神奇，越值得敬畏”；物质的生成、生命的进化、社会的发展更远远超出我们的想象。这一切都是一个从完全对称到对称性逐渐破缺、非对称性逐步显现的过程，同时它们也是一个从混沌到有序、从低序到高序的发展过程。正是在这个意义上，我们领悟到了“对称性破缺创造了现象世界”，这也就是说，现实世界具有对称破缺的性质。对称破缺产生了序，通过序我们可以追踪物质世界的演化历程。[3]67然而，对称性之所以会发生破缺，其根源却在于系统构成要素之间的非线性相互作用。就一般情况而言，真正的物理学定律不能是线性的；在描述“化学或生物活性”的微分方程中，一定也少不了非线性项；复杂的社会现象就更是非线性的了。这就是说，现实世界本质上是非线性的。而这种非线性的形成与存在正是系统演化中，相干效应、临界效应和分叉效应的终极原因。 其实，人类很早就认识到了事物之间存在着相互作用。黑格尔曾明确地把相互作用作为一个哲学范畴加以论述，认为相互作用是比因果关系更高、更具体的范畴。[5]恩格斯也指出：“相互作用是事物的真正的终极原因”，“只有从这个普遍的相互作用出发，我们才能了解现实的因果关系。”[6]当代非平衡自组织理论进一步揭示了非线性相互作用是自然界演化发展的内在机制。线性一般是指量与量之间按比例成直线的关系，在空间和时间上代表着规则和光滑
破缺的对称性
破缺的对称性 2008年10月7日北京时间下午5点45分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度的诺贝尔物理学奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu),以表彰他发现了亚原子物理中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构(KEK)的小林诚(Makoto Kobayashi)和京都大学的益川敏英(Toshihide Maskawa)分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少有3个夸克家族存在.人类对对称性的兴趣可以追朔到远古时期.从古希腊文明到现在的日常生活,从美丽的雪花、达?芬奇的油画、各种漂亮的装饰图案、植物的花、叶,到令人惊叹的建筑物如鸟巢、水立方等,人们无时无刻不在感受着对称性带来的美感.对称性是指如果一个操作或变换使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态,或者说系统的状态在此操作或变换下不变,我们就说该系统具有对称性.例如,一个呈现六角图案的雪花,当旋转60o时,人们看到的形状与旋转前是完全一样的,我们就说该图案具有6重旋转对称性;对正常的人体来说,则具有明显的镜面反射对称性等.对称性描述的数学语言是19世纪由数学家建立起来的群论(group theory).在20世纪,群论作为一个有力工具在物理学研究中得到了重要而广泛的应用,并由此导致了许多重大的科学发现和物理理论的建立,如狭义相对论,质子、中子、正电子和其他一些基本粒子的发现,标准模型,弱作用中的宇称不守恒等,这些成果均获得了诺贝尔物理学奖.现在知道,物理学中的对称性意味着守恒律的出现.当系统由于某种原因失去了原有的对称性后,一定会进入到另一个与以前完全不同的状态,这就是对称性破缺的概念.例如,当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时,两个小孩分坐两端,在静止状态下,跷跷板保持水平状态,达到平衡;当一个小孩离开后,跷跷板失去平衡,有小孩的一端着地,另一端则必然上翘,使原来的水平状态被打破,原有的对
对称性浅谈
对称性浅谈 山东大学陈蒙摘要： 本文主要介绍了对称性原理在理论物理学中的作用和意义。包括对称性原理影响了描述物理体系的微分方程的形式，物理方程的协变性与对称性的关系；然后介绍了物理学中很重要的一个定理：诺特定理——用来描述对称性原理和守恒定律的关系，并通过三个经典力学中的例子来进一步说明对称性与守恒律的关系；最后介绍了对称性在近代理论物理研究中的作用，包括电磁作用和弱相互作用的统一以及对称性自发破缺的希格斯机制对质量起源的解释。 关键词：对称性守恒定律诺特定理对称性自发破缺
第一章对称性原理与微分方程的形式 1.1 Lagrange作用量形式与对称性 1.2 物理方程的协变性与对称性 第二章对称性原理与守恒定律 2.1 诺特定理 2.2 Hamilton函数的对称性 2.3 时间的平移不变性与能量守恒 2.4 空间平移不变性与动量守恒定律 2.5 空间转动不变性与角动量守恒定律第三章对称性的自发破缺 第四章总结
对称性是小到日常生活大到科学艺术领域都经常用到的词。对称性通常代表了我们对美的追求，无论是艺术家对建筑、绘画的美还是科学家对公式、定理的美，对称性的力量从中可见一斑。那么何为对称性？可以这样理解：如果我们对某个物体进行了某种操作，而该物体在这种操作前后没有发生变化，我们就可以说物体具有对称性。例如足球，当你转动它的时候，无论从哪个方向看，它都是一样的，我们就可以说足球具有转动对称性；再比如等边三角形，当你每次转动120°的整数倍时，它看起来会跟转动前一模一样，这也是对称性。当然，这两者的对称性是相当不同的：前者是连续的对称性，这种对称性对任意小的变换均成立；而后者是分立对称性，它有一个最小的“变换单位”，只有进行“变换单位”的整数倍的变换才能保持它的对称性。简而言之，对称性的本质就是“变化下的不变性。” 那么对称性对于我们物理学研究又有什么意义？我们知道，宇宙中所有物理系统都要遵守一定的原理规则和定律，总结起来它们具有如下的特性： 1) 这些原理、规则和定律可用微分方程或数学公式来表达，即 定律=微分方程 2) 定律应该具有普适性，而普适性的具体体现就是要求具有某种对称性，而对称性在 很大程度上决定了微分方程的表达形式； 3) 微分方程的解提供了相应物理系统地状态和性质。包含了物理系统所有的物理信 息。 物理学家们之所以苦苦寻求对称性的原因之一，便可以从以上特点看出来。概括来说， 对称性在三个方面起到重要作用：其一，对称性决定了物理方程的形式；其二，由Noether 定理，对称性与物理守恒量有一种对应关系，即一种对称性确定一种守恒量；其三，对称性及其自发破缺机制对电弱相互作用的统一和大统一理论起到了重要作用 下文将分别对这三个方面进行阐述。 第一章 对称性原理与微分方程的形式 1.1 Lagrange 作用量与对称性 Lagrange 作用量是连接物理和数学的桥梁，物理定律正是通过它被转化成微分方程。同样的，对称性也是通过作用量将它自己数学化的。我们用有限维函数当作Lagrange 作用量来阐述这个问题。令 1:n F R R → 是一个有限维泛函，它可以写错一个n 元函数形式 1(),(,,).n n F F x x x x R ==???∈ （1.1） 现在将（1.1）视为某个物理系统的作用量，并且希望能够确定它的具体表达形式。在逻辑和物理意义上有以下两个约束条件： （A ） 由（1.1）表达的定律是普适的，与它的实验地点、时间及方位无关。 （B ） ()F x 是一个指数不超过二次的多项式（真是作用量中导数项指数不超过二次，
物质世界的对称性破缺_2008年诺贝尔物理学奖简介
物质世界的对称性破缺 2008年诺贝尔物理学奖简介 邢志忠 周顺! 研究员,!博士研究生,中国科学院高能物理研究所,北京100049 关键词自发对称性破缺CP对称性破坏宇宙的物质 反物质不对称 由于对基本粒子物理学中的对称性破缺问题做出了重大理论贡献,美国芝加哥大学恩里科?费米研究所的美籍日本物理学家南部阳一郎(Yoichir o Nam bu)、日本筑波高能加速器研究中心的小林诚(Ma ko to Kob ayashi)和日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英(Toshihide M askaw a)被授予2008年度的诺贝尔物理学奖。笔者将简要介绍他们获奖的工作,以及与之相关但尚未解决的宇宙的物质 反物质不对称难题。 对称性是科学研究中的重要指导性原则之一,也是 用来理解自然规律的有力工具。如果自然界中存在很多的对称性,那么我们对它的理解就会容易得多,因为对称性往往都和守恒定律联系在一起。比如说,时间(空间)平移不变性意味着能量(动量)守恒,而空间旋转不变性对应于角动量守恒。然而自然界中的对称性绝大部分都是破缺的。一个典型的例子是李政道和杨振宁在1956年提出的弱相互作用过程中的宇称不守恒[1]。在此之前人们普遍认为物理规律具有坐标反演或镜像反射对称性,即宇称P应该是一个守恒的量子数。吴健雄等实验家在1957年验证了李政道和杨振宁的假说,并发现在弱相互作用中宇称发生最大程度的破缺。考虑到弱相互作用中也不存在电荷共轭变换C的不变性,一些理论家于是猜想C和P的联合变换也许是弱相互作用的守恒量。这一观点在1964年被科洛恁(James W at son Cronin)和费驰(V al Logsdon Fitch)等人证明是错误的,他们在奇异介子的衰变实验中首次观测到了微小的CP破坏效应[2]。 瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会于2008年10月7日宣布,将2008年度的诺贝尔物理学奖授予美籍日本理论物理学家南部阳一郎和日本理论物理学家小林诚与益川敏英。南部获奖的主要工作是发现了亚原子物理学中的对称性自发破缺机制,而小林和益川的主要贡献是发现了弱电规范相互作用中CP对称性破坏的起源并由此预言了自然界中存在三代夸克。他们的工作都与对称性及其破缺有关,有力地推动了基本粒子物理学的发展。1南部与对称性自发破缺 荷兰物理学家卡默林 昂纳斯(Heike Kamerlingh O nnes)在1911年发表了一个惊人的实验结果:当温度降到4.2K时,水银的电阻突然消失了。他将物质的这种特性称为超导电性。德国物理学家迈斯纳(Walther M eissner)和奥克森菲尔德(Robert Ochsenf eld)在1933年发现超导体具有完全抗磁性,即处在外磁场中的超导体其内部磁场强度为零。基于已有的实验证据和已提出的唯象模型,美国物理学家巴丁(John Bardeen)、库珀(L eon Cooper)和施里弗(John R.Schrief f er)在1957年提出了解释超导现象的微观理论(BCS理论)[3,4],他们因此获得了1972年度的诺贝尔物理学奖。简单来讲,超导体内部物理机制的描述可以归结为电子和金属离子之间的电磁相互作用。在费米面附近的电子之间可以存在相互吸引的作用力,这是通过交换声子(即晶格振动的量子)来实现的。当两个电子之间的这种相互吸引力超过库仑排斥力的时候,它们便结合成对,称为库珀对(Cooper pair)。正是库珀对在动量空间的凝聚导致超导态和正常态之间产生有限的能隙。物质的超导状态就是这些库珀对的集体效应的结果。 1959年,南部试图从量子场论的角度来理解BCS 超导理论:超导体内部的电子和金属离子之间是电磁相互作用,后者可以用阿贝尔规范理论来描述,那么BCS 理论是规范不变的吗?我们知道,在超导体中的库珀对是自旋相反的两个电子,总电荷为-2e,因此该系统的基态是破坏规范不变性的。从这个问题出发,南部发现 ? 319 ? 自然杂志30卷6期诺贝尔奖简介