物理学中的自发对称性破缺

《物理学中的自发对称性破缺》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、<哲学评论>第8辑物理学中的自发对称性破缺口李玉琼李超詹雪荣薛晓舟2008年10月7日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将本年度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(YoichiroNambu)，以表彰他发现了亚原子物理中的对称性自发破缺机制；奖项的另一半由日本高能物理研究所(KEK)的小林诚(MakotoKoba．yashi)和京都大学的益川敏英(ToshihideMaskawa)分享，以表彰他们发现对称破缺的起源并因此预测出自然界中至少三种夸克家族的存在。①宇宙学研究认为，构成今天世界的粒子很可能处于对称性自发破缺的相中，它们的质量

2、和相互作用都由这个相决定。在早期宇宙发展过程中，世界可能处于高度对称的状态。那时粒子的性质可能和今天观察到的很不同，宇宙经过冷却和相变才到达今天的样子。粒子物理学每一次重大的突破，都与对称性的破缺有着直接关系。1956年宇称P破缺的发现，开辟了粒子物理研究的新领域，对此后粒子物理的发展有着深刻的影响。1964年CP联合对称性破缺的发现，又进一步推动了粒子物理学的发展。如果没有建立在真空自发破缺基础上的希格斯机制，也就不能有电、弱两种相互作用的统一理论模型。当前探索粒子的内部状态、运动特性、内部结构及相互作用的各种理论模型无不用到对称性及对称性的破缺

3、。然而对称性自发破缺现象早在固体物理中就存在，经过多年的研①余海若：《解读对称性破缺的真谛——2008年诺贝尔物理学奖》，《热点关注》2008年第11期，第17页。256万方数据物理学中的自发对称性破缺究，人们最后才将其移植到粒子物理学中。一、对称性破缺的两种方式(一)明显的对称性破缺1956年以前的物理学认为，物体的运动规律都具有左右对称性，或称为镜面对称。其含义是：物体的运动规律和它在镜中的像所满足的运动规律相同。1956年夏，杨振宁和李政道在分析K介子的两种不同衰变方式时提出了在弱相互作用中，宇称是不守恒的。后来实验又相继发现了不同的明显对称

4、性破缺现象，如小林一益川CP对称性破缺就是其中一种。这些发现使人们最终认识到对称破缺与对称性一样是普遍存在的。明显对称性破缺是指某一样物质系统在一定的外界条件下(如外力与自身的相互作用下)，从具有某一对称性质到丧失该对称性质的转化，或由原来较高的对称性质变为较低的对称性质。一般来说，作用较强的力常常具有较高的对称性。其中有些对称性会遭到比较弱的作用力的破坏。或者说，在较强相互作用下某种守恒定律成立，但在较弱的情况下它就不再成立。从而由于较弱的相互作用不具有某种对称性而引起较强相互作用的对称性的破坏。因此可以说对称性是近似的，它是在忽略弱相互作用的情

5、况下才成立的。(二)对称性的自发破缺对称性自发破缺这个概念是1960年前后由南部阳一郎从固体物理引入到粒子物理中的。它的含义是：物理规律本身具有某种精确的对称性，但能量最低的基态或称真空态是简并的。真空态是一种互相不能穿透的退化的状态。由于真空态影响到其上运动的一切事物，而这些事物的实际物理基态只可能是这些众多可能真空态中的某一个。一旦真空态257万方数据《哲学评论》第8辑已经确定在某一个特定的状态上，在这种特定状态的基础上所发生的物理现象将不显示或只是部分显示物理规律固有的对称性。在这种破缺方式中，对称性的破缺完全是自发产生的。从实质上说，这是物

6、理规律的对称性并没有任何破缺，只是在特定背景下没有显示出来。因此自发破缺的对称性又叫隐含的对称性。明显的对称性破缺方式不依赖于系统所处的状态，而对称性自发破缺则依赖于系统所处的状态。随着某些条件的变化，处于对称性自发破缺的状态常常可以通过相变过渡到对称状态。①二、对称性与对称性破缺对称性破缺反映出不同的物质形态各自的特性，因此可以用这些特性来标记区分粒子。这种对粒子的标记与用对称性对粒子的标记有异曲同工之处。对称性所标记的是各类粒子具有的共同属性，而对称性破缺所标记的是某种粒子的特性。对称性隐含着不可观测量，对称性破缺必然导致某个可观测量。因此，用

7、对称性破缺来标记粒子，实质上就是用破缺所对应的可观测量来标记粒子。所有对称性原理的正确性都依赖于不可观测量的理论假设。所以一旦一个不可观测量被认为是可观测时，就产生了对称性的破缺。也就是说，可观测量为对称性的破缺奠定了基础。对称性破缺的发展简史(一)早期发展对称性是物理学中最普遍的概念。关于对称性，可以说从人类文明①黄志成：《对称破缺在粒子物理研究中的应用》，《南都学坛》1993年13卷第2期，第51—52页。258万方数据物理学中的自发对称性破缺的开始，就以某种形式存在。自然界中有着各种各样的对称性，对称性的研究导致了群论的发展，而群论则是研究对

8、称性最好的数学工具。历史上，把对称性概念以实际性的方式引入物理学则是19世纪七八十年代的事情。当人们在讨论晶体结构时，就开