殘缺的對稱性

1、殘缺的對稱性殘缺的對稱性由查字典物理網(wǎng)資料整理2019年10月7日北京時間下午5點45分 ,瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布 ,將本年度的諾貝爾物理學(xué)獎的一半授予美國芝加哥大學(xué)的南部陽一郎(YoichiroNambu) ,以表彰他發(fā)現(xiàn)了亞原子物理中對稱性自發(fā)破缺的機制 ,獎項的另一半由日本高能加速器研究機構(gòu)(KEK)的小林誠(MakotoKobayashi)和京都大學(xué)的益川敏英(ToshihideMaskawa)分享 ,以表彰他們發(fā)現(xiàn)了對稱性破缺的起源 ,并由此預(yù)言了自然界中至少有3個夸克家族存在.人類對對稱性的興趣可以追朔到遠古時期.從古希臘文明到現(xiàn)在的日常生活 ,從美麗的雪花、達&b

2、ull;芬奇的油畫、各種漂亮的裝飾圖案、植物的花、葉 ,到令人驚嘆的建筑物如鳥巢、水立方等 ,人們無時無刻不在感受著對稱性帶來的美感.對稱性是指如果一個操作或變換使系統(tǒng)從一個狀態(tài)變到另一個與之等價的狀態(tài) ,或者說系統(tǒng)的狀態(tài)在此操作或變換下不變 ,我們就說該系統(tǒng)具有對稱性.例如 ,一個呈現(xiàn)六角圖案的雪花 ,當(dāng)旋轉(zhuǎn)60o時 ,人們看到的形狀與旋轉(zhuǎn)前是完全一樣的 ,我們就說該圖案具有6重旋轉(zhuǎn)對稱性;對正常的人體來說 ,那么具有明顯的鏡面反射對稱性等.對稱性描述的數(shù)學(xué)語言是19世紀由數(shù)學(xué)家建立起來的群論(grouptheory).在20世紀 ,群論作為一個有力工具在物理學(xué)研究中得到了重要而廣泛的應(yīng)用

3、,并由此導(dǎo)致了許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立 ,如狹義相對論 ,質(zhì)子、中子、正電子和其他一些根本粒子的發(fā)現(xiàn) ,標(biāo)準模型 ,弱作用中的宇稱不守恒等 ,這些成果均獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.現(xiàn)在知道 ,物理學(xué)中的對稱性意味著守恒律的出現(xiàn).當(dāng)系統(tǒng)由于某種原因失去了原有的對稱性后 ,一定會進入到另一個與以前完全不同的狀態(tài) ,這就是對稱性破缺的概念.例如 ,當(dāng)體重差不多的兩個小孩在玩蹺蹺板時 ,兩個小孩分坐兩端 ,在靜止?fàn)顟B(tài)下 ,蹺蹺板保持水平狀態(tài) ,到達平衡;當(dāng)一個小孩離開后 ,蹺蹺板失去平衡 ,有小孩的一端著地 ,另一端那么必然上翹 ,使原來的水平狀態(tài)被打破 ,原有的對稱性就發(fā)生了破缺.又比方 ,水是

4、各向同性流動的液體 ,水分子在水中沿各個方向運動皆可 ,但當(dāng)溫度下降到零度以下時 ,水結(jié)成了冰 ,水分子在冰中按一定的擇優(yōu)方向排列 ,形成了冰的幾何結(jié)構(gòu) ,對稱性降低 ,不再保持原來水中各向同性的對稱性 ,即發(fā)生了對稱性破缺.對稱性破缺是貫穿凝聚態(tài)物理始終的一個重要的根本概念.在凝聚態(tài)物理學(xué)中 ,對稱性的破缺就意味著有序相的出現(xiàn).例如 ,水結(jié)成冰后 ,水分子在冰中的分布比在水中更有序.另一個典型的例子是鐵磁性材料 ,人們有時俗稱為吸鐵石或磁石 ,在這類材料中 ,由于磁性原子之間的交換作用 ,使之具有自發(fā)磁矩 ,對外呈現(xiàn)出磁性 ,稱為磁有序;但當(dāng)溫度升高到一個臨界溫度(稱之為居里溫度)以上時 ,

5、磁性原子的磁矩在熱運動的作用下呈現(xiàn)出混亂的排布 ,導(dǎo)致鐵磁性材料失去磁性 ,這個狀態(tài)稱為順磁性 ,在沒有磁場時,其磁矩排布是一種無序狀態(tài).在順磁狀態(tài)下,磁矩分布雜亂無章 ,具有較高的對稱性 ,在居里溫度以下時 ,磁矩朝某一個方向擇優(yōu)分布 ,出現(xiàn)磁有序 ,對稱性隨之降低 ,原有的對稱性發(fā)生破缺 ,出現(xiàn)了有序相 ,對外顯示出磁性.這種對稱性的缺失無需外來的鼓勵 ,稱為對稱性自發(fā)破缺(spontaneouslysymmetrybreaking) ,因此 ,鐵磁有序相的出現(xiàn)必然伴隨著對稱性的自發(fā)破缺.凝聚態(tài)物理中另一類重要的材料是超導(dǎo)體 ,即在某一臨界溫度以下 ,這類材料處于超導(dǎo)態(tài) ,會失去電阻 ,呈

6、現(xiàn)零電阻特性 ,同時對磁場具有排斥作用.超導(dǎo)材料表現(xiàn)出的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性.超導(dǎo)材料在電力傳輸、低溫制冷、磁懸浮運輸、高能粒子加速器、儲能、精密測量、微波器件、邏輯元件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.目前銅氧化物高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已到達160K左右 ,并已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了大量的實際應(yīng)用.超導(dǎo)態(tài)也是一個對稱性自發(fā)破缺的態(tài).1957年 ,美國3位物理學(xué)家JohnBardeen ,LeonCooper和RobertSchrieffer對超導(dǎo)電性的起源給出了令人信服的解釋 ,現(xiàn)在被稱之為BCS超導(dǎo)電性理論 ,并于1972年獲得諾貝爾物理學(xué)獎.該理論指出 ,兩個具有相反動量和相反自旋的電子通過與晶格振動相互

7、作用可以結(jié)成電子對 ,稱為Cooper對 ,超導(dǎo)電性來源于這些電子對在動量空間中的凝聚 ,超導(dǎo)態(tài)是Cooper對的凝聚態(tài).由于Cooper對破壞了原來電子-聲子系統(tǒng)滿足的U(1)標(biāo)準對稱性 ,因此 ,超導(dǎo)態(tài)是一個U(1)標(biāo)準對稱性自發(fā)破缺的態(tài) ,在其激發(fā)譜中有一個能隙.BCS理論在根本粒子物理、核物理、宇宙學(xué)等學(xué)科中有重要的應(yīng)用.BCS理論出現(xiàn)以后 ,Nambu想要去理解超導(dǎo)態(tài)中的標(biāo)準對稱性是如何破缺的 ,探討其中是否還蘊藏更深層次的道理.結(jié)果他花了大約兩年的時間 ,利用量子場論的框架 ,推導(dǎo)出了BCS理論的結(jié)論.通過考慮對頂角的輻射修正 ,他發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)中的標(biāo)準不變性仍然存在 ,表征標(biāo)準不變性

8、的Ward恒等式可以建立 ,只是以非線性的方式來實現(xiàn).這樣 ,超導(dǎo)態(tài)中的所有計算都可以在標(biāo)準不變下進行 ,從而發(fā)現(xiàn)了在場論表述下的對稱性自發(fā)破缺.Nambu在對BCS理論的處理中 ,發(fā)現(xiàn)存在著一個具有零能量和動量的態(tài) ,稱為無質(zhì)量的聲子 ,當(dāng)把庫侖場考慮進去以后 ,這些無質(zhì)量的聲子就變成了有質(zhì)量的等離激元.1960年 ,Nambu提出在根本粒子的量子場論中也存在著對稱性自發(fā)破缺 ,通過引入某種未知場的真空期望值 ,與超導(dǎo)態(tài)相類比 ,建立了強相互作用理論.在假定手征對稱性具有很小的明顯破缺時 ,發(fā)現(xiàn)π介子有一個小的質(zhì)量 ,比其他尺度小得多 ,并推導(dǎo)出了表征軸矢量、π介

9、子衰變常數(shù)以及π介子與核子間耦合的GT關(guān)系 ,計算出了π介子與核子間的散射截面 ,發(fā)現(xiàn)與實驗符合.π介子是一個復(fù)合粒子 ,當(dāng)對稱性沒有明顯的破缺時 ,該復(fù)合粒子就變成了無質(zhì)量的.J.Goldstone利用標(biāo)量場做了類似的計算 ,得到了真空期望值 ,發(fā)現(xiàn)能譜中也有一個無質(zhì)量的粒子 ,現(xiàn)在被稱作Nambu-Goldstone玻色子.在根本粒子理論中 ,手征對稱性是整體對稱的 ,而整體對稱性的破缺會導(dǎo)致出現(xiàn)無質(zhì)量的粒子;在超導(dǎo)電性理論中 ,對稱性是標(biāo)準不變的 ,這會導(dǎo)致有質(zhì)量的態(tài)出現(xiàn).1964年 ,F.Englert ,R.Brout,以及P.W.Higgs

10、分別提出了相對論標(biāo)準理論 ,他們發(fā)現(xiàn)自發(fā)破缺的標(biāo)準對稱性沒有產(chǎn)生一個無質(zhì)量的粒子 ,而是給出了一個有質(zhì)量的標(biāo)量態(tài) ,現(xiàn)在被稱為Higgs玻色子 ,它是迄今為止在實驗上尚未觀測到的唯一的標(biāo)準模型粒子.2019年9月10日 ,在歐洲核子中心開始運行的大型強子對撞機(LHC) ,有希望提供實驗證據(jù)證實Higgs粒子存在與否(LHC運行9天后 ,由于連接加速器中兩個磁體間的電路出現(xiàn)問題 ,導(dǎo)致機械故障 ,引起液氦泄露 ,現(xiàn)在正在搶修 ,預(yù)計2009年能重新運行).隨后 ,Nambu及其合作者提出了強相互作用的根本理論應(yīng)該是基于SU(3)標(biāo)準群的非阿貝爾標(biāo)準理論.非阿貝爾標(biāo)準理論是由楊振寧和RobertMills于1954年首先提出的,現(xiàn)在被稱為Yang-Mills理論 ,已經(jīng)成為人們統(tǒng)一自然界電磁、弱、強和引力四種相互作用中前三種作用的數(shù)學(xué)根底.2019年 ,美國Clay數(shù)學(xué)研究所懸賞100萬美元獎金征集四維時空中量子Yang-