破缺的对称性-精选教育文档
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。
《论对称和非对称〔对称破缺〕》
《论对称和非对称〔对称破缺〕》.........按：本文是正在写作中的《对联形式系统通论》第一章里的一个章节，提出来供大家参考。
〔五〕对称和非对称〔对称破缺〕王德胜在《对称和对称方法》里指出：“所谓对称，就是指事物或运动以一定的中介进行某种变换时所保持的不变性；非对称和对称相反，是指事物或运动以一定的中介变换时出现的变化性和差异性，非对称又称为对称破缺（Symmetry breaking）。
”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。
在任何对称体系里，对称和对称破缺是相反相成、如影相随的。
科学发展史就证明了这一点。
在1956年以前，物理学家们普遍认为宇宙是“对称守恒”的，正如A·热所说：“自然是左右对称的这样一种观念牢牢地占据了物理学家的头脑” 。
1918年，艾米诺特发现每一个准确对称性都对应一个守恒定律。
例如，时间的选择是对称的，即在任何时刻开始计时，都观察到同样的物理规律，那么能量是守恒的；如果物理学对于空间坐标的选择是对称的，即在任何地点都可以选择为坐标的原点，那么动量是守恒的；等等。
这就是物理学中的“宇称守恒定律”。
然而，美籍华人李政道和杨振宁提出一个理论说，并不是所有对称性都被自然遵守的，有时不尊重左和右的对称性。
李政道和杨振宁因提出“弱相互作用下的宇称不守恒原理”，因此而获得1957年的诺贝尔物理学奖。
对称破缺有两种形式，“对称破缺有的是由于外部原因造成的，这叫诱导破缺；有的是由于内部原因造成的，这叫自发破缺” 。
为了适应美学研究的需要，本书把“诱导破缺”称之为“对称残缺”。
“对称性自发破缺”〔spspontaneous symmetry breaking〕本来是一个物理学的现象。
后来引申到了生物学、社会学与系统论等学科之中。
王德胜则进一步从哲学的高度评论了对称破缺的美学价值：“从哲学高度讲，对称是指事物通过某种中介变化时出现的同一性，这种同一不是绝对的同一，是包含差异的同一；非对称则是事物通过某种中介而变化时出现的差异性，这种差异也不是绝对的差异，是包含同一的差异。
对称性破缺在物质科学中的研究
对称性破缺在物质科学中的研究在物质科学中，对称性破缺是一个重要的研究领域。
对称性是自然界中普遍存在的一种现象，它在物质的结构和性质中起着重要的作用。
然而，当对称性被破坏时，物质的性质会发生显著的变化，这种现象被称为对称性破缺。
对称性破缺的研究可以追溯到19世纪末的晶体学。
当时，科学家们发现晶体具有特定的对称性，如立方对称、六角对称等。
然而，随着研究的深入，他们发现一些晶体的对称性并不完全，存在一定的破缺。
这种对称性破缺导致了晶体的非均匀性和特殊的物理性质，如铁磁性、铁电性等。
随着时间的推移，对称性破缺的研究逐渐扩展到更广泛的领域。
在凝聚态物理学中，对称性破缺被广泛应用于研究超导性和自旋玻璃等现象。
超导性是一种特殊的物质性质，当物质的对称性被破坏时，电子可以以零电阻的方式流动，导致超导现象的出现。
自旋玻璃是一种由于磁性离子的自旋排列不规则而导致的磁性现象，它与对称性破缺有着密切的关系。
除了凝聚态物理学，对称性破缺在高能物理学中也扮演着重要的角色。
在粒子物理学中，对称性破缺被用来解释基本粒子的质量和相互作用。
例如，希格斯机制就是一种通过对称性破缺来解释粒子质量的理论。
希格斯机制提出了希格斯场，它与粒子相互作用，使得某些粒子获得质量。
这一理论的提出对理解基本粒子的质量起到了重要的推动作用，也为物理学家们进一步探索粒子的本质提供了新的思路。
对称性破缺不仅在基础物理学中有重要意义，它也在材料科学和化学中发挥着重要作用。
例如，铁磁性材料的对称性破缺导致了材料的磁性行为，这被广泛应用于磁存储和磁传感器等领域。
此外，对称性破缺还可以用来解释化学反应的速率和选择性。
化学反应中，反应物和产物的对称性可能会发生破缺，从而导致不同的反应路径和产物选择。
对称性破缺的研究不仅涉及到理论模型的构建和实验观测的验证，还需要借助先进的实验技术和计算方法。
例如，X射线衍射和中子衍射等实验技术可以用来研究晶体的对称性和结构。
计算方法如密度泛函理论和量子化学方法则可以用来模拟和预测对称性破缺的现象。
标准模型U(1) 对称性破缺机制
标准模型U(1) 对称性破缺机制标准模型U(1) 对称性破缺机制标准模型U(1)对称性破缺机制是粒子物理学中一个关键的概念，对解释了为什么基本粒子具有一定的质量。
本文将介绍标准模型U(1)对称性的基本原理，并重点讨论了U(1)对称性破缺机制的过程。
1. 标准模型和对称性标准模型是粒子物理学中目前最成功的理论之一，它描述了构成我们世界的基本粒子和它们之间的相互作用。
标准模型中的粒子分为两类：费米子和规范玻色子。
费米子包括夸克和轻子，而规范玻色子则包括光子和强力相互作用中的胶子。
标准模型的基本框架是一种规范场论，其中包含了SU(3) × SU(2) ×U(1)的规范对称性。
在这个对称性下，物理系统具有非常高的自由度，其相应的拉格朗日量表述了场的动力学。
然而，实验观测到的粒子质量并不是完全对称的。
2. U(1)对称性U(1)对称性是标准模型中的一个基本对称性，表示物理系统在进行规范变换时不变。
在粒子物理中，U(1)对称性对应着电磁相互作用。
我们知道，电磁相互作用由光子传递，而光子是自旋为1的无质量粒子。
根据U(1)对称性的要求，光子不应该具有质量。
然而，实验观测到光子具有零质量，这意味着U(1)对称性必须破缺。
接下来我们将讨论U(1)对称性破缺的机制。
3. U(1)对称性破缺机制U(1)对称性破缺可以通过引入希格斯场来实现。
希格斯场是标准模型中的一个标量场，它与U(1)对称性耦合。
希格斯场的自相互作用势能具有一个特殊的形式，使得希格斯场在真空中获得非零的期望值。
当希格斯场的期望值非零时，U(1)对称性被破缺，且光子通过与希格斯场耦合而获得了质量。
这个机制被称为希格斯机制，也是标准模型中解释粒子质量的关键。
在希格斯机制中，光子获得了质量，而希格斯粒子则成为标准模型中唯一已实验观测到的粒子。
希格斯粒子的质量决定了希格斯场的耦合强度，从而影响了其他粒子的质量。
4. 实验验证和未来展望标准模型的U(1)对称性破缺机制得到了大量实验证据的支持。
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。
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。
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。
探寻自然界的对称性与对称破缺机制（精品）
探寻自然界的对称性与对称破缺机制日常生活中处处可见对称和对称破缺的例子。
自然界本身就充满了各种对称性，如许多动物的左右对称性、太阳的转动对称性、海星的五重对称性和雪花的六重对称性等。
然而，不同种类的粒子、不同种类的相互作用，乃至人类生存的时空和物质世界以及整个复杂纷纭的自然界（包括人类自身），却都是对称性破缺的产物，如生命起源过程中ＤＮＡ的左右镜像对称破缺等。
杨振宁曾以“２０世纪物理学的主旋律：量子化、对称性和相因子”为题做专题报告。
李政道也曾多次强调指出：“２１世纪物理学的挑战是：夸克禁闭，对称和对称破缺。
”周光召也曾多次谈到：“对称性和对称破缺是世界统一性和多样性的根源。
”事实上．对称性和对称破缺在自然科学研究中起着非常重要的作用，对称性破缺已成为具有普适性的重大科学问题。
对称性、守恒律和对称破缺物理学中的对称性是指一个系统的一组不变性。
数学上利用群论来研究对称性。
自然界的许多对称性本身就是物理的，如分子的转动与反射、晶格的平移等。
对称性可以是分离的（即具有有限的数目，如八面体分子的转动），也可以是连续的（即具有无限的数目，如原子或核子的转动），还可以是更一般的和抽象的，如ＣＰＴ不变性（即粒子一反粒子变换、左右镜像变换和时间反演对称性），以及与规范理论相关的对称性。
对空间性质进行变换所对应的对称性称为空间对称性．对时间性质进行变换所对应的对称性称为时间对称性。
与时间和空间相独立的变换所体现的对称性称为内部对称性。
内部对称性又分为整体对称性和局域对称性。
揭示宇宙世界所具有的各种类型的对称性是物吴岳良：研究员，副所长，中国科学院理论物理研究所，北京１０００８０。
ＷｕＹｕｅｌｉａｎｇ：Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＶｉｃｅＤｉｒｅｃｔｏｒ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ０ｆ．１１ｌｅｏｒｅｔｉｃａｌＰｈｙｓ—ｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｂｅｑｉｎｇ１０００８０．◆吴岳良理学的重要任务之一。
在粒子物理学中，对称性决定了相互作用。
爱因斯坦的狭义相对论就是由庞加莱（Ｐ０ｉｎｃａｒ６）群结构所决定的描述时间与空间对称性的理论。
对称与对称性破缺性
对 称 性 的 基 本 概 念
空间对称性
1.空间旋转对称 .
⋅o
⋅o
o 对绕O轴旋 对绕 轴旋 转 π/2整数 整数 倍的操作对 称
对绕O轴旋 对绕 轴旋 转任意角的 操作对称
对绕O轴旋 对绕 轴旋 转 2π 整数 π 倍的操作对 称
对 若体系绕某轴旋转 2π ⁄ n 后恢复原 称 则称该体系具有n 次对称轴。 性 状，则称该体系具有 次对称轴。 的 基 .o 1次轴 2次轴 次轴 次轴 本 ⋅o 概 念
量守恒、角动量守恒、电荷守恒、奇异数守恒、 量守恒、角动量守恒、电荷守恒、奇异数守恒、重子 数守恒、同位旋守恒……这些守恒定律的存在并不是 数守恒、同位旋守恒 这些守恒定律的存在并不是 偶然的，它们是物理规律具有各种对称性的结果。 偶然的，它们是物理规律具有各种对称性的结果。
“对称性”是凌驾于物理规律之上的自 对称性” 然界的一条基本规律。 然界的一条基本规律。
对 称 性 概 念 源 于 生 活
人体、 人体、动植物结构对称
天竺葵 长春草
对 称 性 概 念 源 于 生 活
建筑物(宫殿 寺庙 陵墓,教堂 建筑物 宫殿,寺庙 陵墓 教堂 左右对称 宫殿 寺庙,陵墓 教堂)左右对称
对 例 文学创作中的镜象对称 称 性 回文词 概 念 暮天遥对寒窗雾 源 雾窗寒对遥天暮 于 花落正啼鸦 鸦啼正落花 生 活
因 根据对称性原理论证抛体运动为平面运动。 例1.根据对称性原理论证抛体运动为平面运动。 果 关 原因：重力和初速决定一个平 无偏离该平面的因素， 系 面，无偏离该平面的因素，对 该平面镜像对称。 与 该平面镜像对称。 对 结果: 质点的运动不会偏离该 平面，轨道一定在该平面内。 称 平面，轨道一定在该平面内。 原 同理可论证在有心力场作用下,质点必做平面运动。 同理可论证在有心力场作用下,质点必做平面运动。 理 根据对称性原理解释足球场上的“香蕉球” 例2.根据对称性原理解释足球场上的“香蕉球”
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。
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。
对称破缺的概念
对称破缺的概念对称破缺是一种在物理学和自然科学领域中常见的现象，涉及到对称性的破坏或违反。
它在多个学科中都有重要的应用，包括粒子物理学、凝聚态物理学、化学等。
本文将深入探讨对称破缺的概念、起因以及在不同领域中的实际应用。
一、对称破缺的基本概念1.对称性：在物理学中，对称性指的是系统在一些变换下保持不变的性质。
例如，平移、旋转、镜像等变换都可以是系统具有的对称性。
2.对称破缺：当系统在一些基本对称变换下失去不变性时，就发生了对称破缺。
这意味着系统的某些性质或状态不再具有之前的对称性。
二、对称破缺的起因对称破缺可以有多种起因，以下是其中一些常见的原因：1.热力学效应：在高温下，系统可能具有更高的对称性，但在温度降低时，由于热涨落等效应，系统可能趋向于某种更低的对称性状态，导致对称破缺。
2.相互作用：系统内部的相互作用也是导致对称破缺的原因之一。
例如，在晶体中，原子之间的相互作用可能导致晶格畸变，破坏了晶体的对称性。
3.外部场的作用：外部场，如电场、磁场等，也可以导致对称破缺。
这些场的存在可能使系统在特定方向上选择性地偏向某种对称性。
三、对称破缺的实际应用1.超导性：超导性是一种对称破缺的现象。
在超导体中，原子通过配对形成库珀对，这破坏了普通态下的对称性，导致超导电性的出现。
2.弱相互作用的对称破缺：在粒子物理学中，弱相互作用通过希格斯场的机制导致了对称破缺，赋予了粒子质量。
3.化学中的对称破缺：化学反应中，分子的对称性可能在反应过程中发生破缺，形成具有不同对称性的产物。
4.凝聚态物理学中的应用：在凝聚态物理学领域，对称破缺是研究物质相变和性质变化的重要手段，例如铁磁性和铁电性的形成。
四、对称破缺的研究方法1.实验观测：通过实验手段，例如X 射线衍射、核磁共振等，可以观测到物质的结构和性质，从而检测对称性的破缺。
2.理论模型：利用理论模型和数学工具，研究系统在不同条件下的对称性和对称破缺的变化规律。
3.数值模拟：运用计算机进行数值模拟，模拟对称破缺的发生过程和系统行为，有助于深入理解和预测实验现象。
量子力学中的対称性破缺
量子力学中的対称性破缺量子力学中的对称性破缺量子力学作为现代物理学的重要分支，研究微观粒子的行为规律和性质，是理解自然界的基础。
在量子力学中，对称性破缺是一个关键的概念，它揭示了微观世界中的一些非常奇特的现象和规律。
本文将介绍量子力学中的对称性破缺现象，并探讨其在物理学研究中的重要意义。
1. 对称性与物理定律对称性是自然界中普遍存在的一种特性，它指的是在某种变换下，物理系统保持不变。
例如，空间平移对称性表明物体在空间位置的变化下具有不变性；时间平移对称性表明物体在时间的演化过程中具有不变性。
在经典物理学中，对称性常常与守恒定律相联系，如能量守恒、动量守恒和角动量守恒等。
2. 连续对称性与自发对称性破缺在量子力学中，对称性的破缺可以分为连续对称性和自发对称性破缺两种情况。
连续对称性是指系统在某种变换下具有对称性，但这种对称性在某个特定的条件下被破坏。
例如，考虑一个具有旋转对称性的系统，当外界施加一个不同于系统自身对称轴的力时，系统的旋转对称性即被破坏。
自发对称性破缺是指系统的基态并不具有与系统哈密顿量对称的性质。
一个典型的例子是铁磁体的顺磁-铁磁相变。
在高温下，铁磁体的自旋是呈无序排列的，系统的基态具有旋转对称性；而在低温下，铁磁体的自旋呈有序排列，系统的基态不再具有旋转对称性。
3. 对称性破缺与粒子质量对称性破缺与粒子质量之间存在着密切的关系。
根据标准模型理论，粒子的质量是通过与希格斯场的耦合来实现的。
希格斯场的自发对称性破缺导致了粒子质量的存在，并解释了为什么不同粒子具有不同的质量。
这一发现被认为是物理学史上的一次重大突破，为解释微观世界的质量问题提供了重要线索。
4. 对称性破缺在粒子物理学中的应用对称性破缺不仅在理论物理学中具有重要意义，也在实验物理学中得到了广泛应用。
其中一个典型的例子是超导现象的解释。
超导材料在低温下表现出电阻为零的特性，这种现象是由于超导材料的自发对称性破缺造成的。
此外，对称性破缺还在凝聚态物理学、粒子物理学和宇宙学等领域有着广泛的应用。
多者异也：破缺的对称性与科学层级结构的本质
多者异也：破缺的对称性与科学层级结构的本质导语诺贝尔物理学奖得主、著名凝聚态物理学家菲利普·安德森（Philip Anderson，1923-），于1972年在Science发表了题为“More is Different”的论文。
安德森通过介绍在各个尺度的物理系统都普遍存在的“对称性”和对称性破缺，对“还原论”思想提出了深刻的质疑。
我们对这篇论文做了全文翻译，供读者参考。
论文题目：More is different：BrokenSymmetry and the Nature of theHierarchical Structure of Science论文地址：https:///content/177/4047/393还原论（reductionist）假说在哲学家中或许仍具争议，但我认为，该假说无疑已被绝大多数活跃的科学家所接受了。
我们的思维和身体的运作，以及我们所知的任何有生命的或无生命的物质的运作，被认为是被相同的一套基本定律所控制的。
除了在某些极端情况下基本定律可能失效，我们已经非常了解这些基本定律。
以下结论似乎是还原论的显然推论：如果万事万物遵循相同的基本定律，那么只有研究真正基础的事物的科学家才是研究基本定律的人，也就是指某些天体物理学家、粒子物理学家、逻辑学家、数学家以及极少数的其他学科的科学家。
这种观点，也就是本文旨在反驳的观点，在 Weisskopf 一篇非常著名的文章中也有所表示：纵观 20 世纪的科学发展，我们可以发现两种趋势。
因缺乏更好的术语表达，我姑且称其为“内涵性（intensive）研究”和“外延性（extensive）研究”。
简而言之，内涵性研究旨在研究基本定律，外延性研究旨在根据已知的基本定律解释现象。
这种区分并不是绝对的，但是大多数情况下是清晰的。
固体物理学、等离子体物理学和生物学属于外延性研究。
高能物理学和原子核物理学的绝大部分内容属于内涵性研究。
正在进行的内涵性研究总是比外延性研究少得多。
对称破缺
关于“对称破缺”的认识“对称破缺”是科学哲学上的一个突变理论。
这种理论认为，宇宙是“对称与非对称”的辩证统一，世界是在“对称性破缺”中进步发展的。
譬如人类的进化就是如此。
当猿猴用四支脚走路时，客观存在是处于一种“有序”状态、“平衡”状态，即“对称”状态。
一旦环境发生了变化，逼迫他们进行劳动，进而直立行走时，“有序”就变为“无序”，“平衡”就变为“不平衡”，“对称”就变为“不对称”，于是就发生了革命性的“对称破缺”，使猿猴跳出了动物的“轮回”，裂变为宇宙万物之灵——人。
世界上的万事万物，可以说是在“对称破缺”中不断进化发展的，军队的发展进步也是如此。
在平常时期，每支军队都处于一种“有序”状态中，处于一种平和与对等的和风细雨的状态下，军人的思想意识和行为准则一般比不出高下。
只有在非常规时期，在一种残酷的无序状态下，军队的战斗力强弱才能真正暴露出来。
残酷的环境是检验一支军队是先进还是落后的临界点。
可以说，军事上的每次大变革，每个国家的军队就要经受新的考验、新的筛选，要么被淘汰出局，要么得到新的进化和发展。
“对称破缺”理论的要义告诉我们，军事斗争从历史向新阶段迈进的“飞跃区”，敌对双方力量交锋的背后，是两种军事观念、作战思想的交锋。
战争胜负的关键不是交战过程中战术方略的运用，而是取决于能否首先适应新时代的要求，彻底完成自身的军事变革。
第二次世界大战，是工业国由机械化战争最终取代步骑兵作战的大较量。
那些成名于第一次世界大战的英雄们，主张以阵地防御和步骑兵冲击再创辉煌。
而改革派军人则主张“放弃曾给我们带来光荣但已经过时的观点”。
在这场争论中法西斯处于发动战争的迫切需要，则表现出强烈的创新意识。
于是，戴高乐将军论机械化战争的小册子不被法国当局所接受，而被德国当局奉为至宝。
古德里安在缺乏坦克战车的情况下，用木头棍子绑扎成坦克模型，对部队进行模拟训练……以机械化兵团为主体，陆空密切协同的“闪击战”第一次出现在人类的战争史上，给法西斯带来了初战的成功。
第四章 对称与破缺
学中最重要的概念之一 “凡草木花五出，独雪花六出” －－《韩诗外传》
(a)雪花；(b)草木花；(c) 另一种草木花
对称性的定义：
在于在变换之中保持不变。变 换就在于将图形沿中轴旋转一定角 度，而旋转后的图形与原图完全重 合，体现了其不变性。 显然，变化可以是多种多样的， 涉及数学上或物理上的坐标变换 －－(科学术语——)对称操作。
p ' ( x , y, z )
反演＝180º 旋转+反映 空间反演之中就包含了镜像反映，因而也是不能通 过物体的直接运动所能实现的变换
对称破缺－无序与有序
(1) 概念的引入
例：黑白棋子在棋盘网格上的分布情况
棋盘上黑白棋子排列的有序与无序 (a) 有序排列，(b) 无序排列， (c) 无序排列的统计表征， (d) 另一种有序排列，两相分离.
偶数：
1,当q 偶 数 ， 等 价 于 gI M ( gr ) M ( g g g ) ( 1) II 1 , 当 q 奇 数 ， 等 价 于 g
I 1 I 2 I q q
第一种对称变换可通过物体的实际运动 来实现，而第二种对称操作（例如镜面 反射和空间反演）却不能通过物体的实 际运动来实现，就像镜面空间不能通过 空间的延伸而达到。
在3D直角坐标系中，坐标的变换可表示为
r ( x , y , z ) r ( x, y, z )
坐标变换一般可分为两个部分，若用矩阵M表 示一个非平移操作（例如定轴转动、镜面反射 及中心反演），再加一个平移操作（用矢量 t 描述），则
r g r M r t a11 M (a i , j ) a 21 a 31
对称性自发破缺PPT课件
宇宙涨落
这个定理在物理学的很多分支都有应用，其中一个是宇宙学。你或许知道 我们对宇宙微波背景辐射的观测正用于对宇宙指数膨胀期的性质设置约束 ，这一时期称作“暴胀”（inflation），被广泛认为发生于辐射支配宇宙之 前。但这有个问题，在暴胀结束和宇宙微波背景辐射发出之间，存在许多 没有完全理解的事件：暴胀后宇宙温度提高，重子的产生，冷暗物质退耦 等等。那么在我们不理解之间发生了什么的时候，怎么可能通过研究暴胀 很久之后发出的辐射来研究暴胀呢？
-
13
我们能够避开这个问题的原因在于我们研究的宇宙涨落属于绝热过程，可以看做与 一般坐标不变性联系的一种对称所要求的戈德斯通激发，这种对称在时空几何中发 生了自发破缺。这些宇宙涨落的波长被暴胀剧烈拉伸，以至于在那个我们不理解的 时期已经变得非常大，所以宇宙涨落的频率为零，这就意味着这些涨落的振幅没有 改变，所以与今天较为接近的振幅值就可以告诉我们暴胀中发生了什么。
Lecture 4 Higgs Boson in SM
François Englert Peter W. Higgs
-
1
对称性自发破缺（铁磁体、超导） 铁磁 Heisenburg (1928) 超导 BCS 理论 （1957）
Nambu (1960)
condensation of Cooper pairs into a boson-like state
一个问题：超导体中的电流是否由已知带电粒子、电子和离子载流？BCS 证
明中最重要的一点就是，理解超导性不需要引入新的粒子或作用力。根据库
珀向我展示的一本关于超导的书，许多物理学家甚至为此感到失望，因为“
超导性在原子尺度上竟然只是由于电子和晶格振动之间的微小相互作用。”
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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,使之具有自发磁矩,对外呈现出磁性,称为磁有序;但当温度升高到一个临界温度(称之为居里温度)以上时,磁性原子的磁矩在热
运动的作用下呈现出混乱的排布,导致铁磁性材料失去磁性,这个状态称为顺磁性,在没有磁场时,其磁矩排布是一种无
序状态.在顺磁状态下,磁矩分布杂乱无章,具有较高的对称性,在居里温度以下时,磁矩朝某一个方向择优分布,出现磁有序,对称性随之降低,原有的对称性发生破缺,出现了有序相,对外显示出磁性.这种对称性的缺失无需外来的激励,称为对称性自发破缺(spontaneously symmetry breaking),因此,铁磁有序相的出现必然伴随着对称性的自发破缺.
凝聚态物理中另一类重要的材料是超导体,即在某一临界温度以下,这类材料处于超导态,会失去电阻,呈现零电阻特性,同时对磁场具有排斥作用.超导材料表现出的性质称为超导电性.超导材料在电力传输、低温制冷、磁悬浮运输、高能粒子加速器、储能、精密测量、微波器件、逻辑元件等领域具有广阔的应用前景.目前铜氧化物高温超导体的临界温度已达到160K左右,并已经在很多领域得到了大量的实际应用.超导态也是一个对称性自发破缺的态.1957年,美国3位物理学家John Bardeen,Leon Cooper和Robert Schrieffer对超导电性的起源给出了令人信服的解释,现在被称之为BCS
超导电性理论,并于1972年获得诺贝尔物理学奖.该理论指出,两个具有相反动量和相反自旋的电子通过与晶格振动相互作用可以结成电子对,称为Cooper对,超导电性来源于这些电子对在动量空间中的凝聚,超导态是Cooper对的凝聚态.
由于Cooper对破坏了原来电子-声子系统满足的U(1)规范对称性,因此,超导态是一个U(1)规范对称性自发破缺的态,在其激发谱中有一个能隙.BCS理论在基本粒子物理、核物理、宇宙学等学科中有重要的应用.?
BCS理论出现以后,Nambu想要去理解超导态中的规范对称性是如何破缺的,探讨其中是否还蕴藏更深层次的道理.结果
他花了大约两年的时间,利用量子场论的框架,推导出了BCS 理论的结论.通过考虑对顶角的辐射修正,他发现超导态中
的规范不变性仍然存在,表征规范不变性的Ward恒等式可以建立,只是以非线性的方式来实现.这样,超导态中的所有计算都可以在规范不变下进行,从而发现了在场论表述下的对称性自发破缺.Nambu在对BCS理论的处理中,发现存在着一个具有零能量和动量的态,称为无质量的声子,当把库仑场
考虑进去以后,这些无质量的声子就变成了有质量的等离激元.?
1960年,Nambu提出在基本粒子的量子场论中也存在着对称性自发破缺,通过引入某种未知场的真空期望值,与超导态
相类比,建立了强相互作用理论.在假定手征对称性具有很
小的明显破缺时,发现π介子有一个小的质量,比其他尺度小得多,并推导出了表征轴矢量、π介子衰变常数以及π介子与核子间耦合的GT关系,计算出了π介子与核子间的散射截面,发现与实验符合.π介子是一个复合粒子,当对称性
没有明显的破缺时,该复合粒子就变成了无质量
的.J.Goldstone利用标量场做了类似的计算,得到了真空期望值,发现能谱中也有一个无质量的粒子,现在被称作Nambu-Goldstone玻色子.在基本粒子理论中,手征对称性是整体对称的,而整体对称性的破缺会导致出现无质量的粒子;在超导电性理论中,对称性是规范不变的,这会导致有质量
的态出现.1964年,F.Englert,R.Brout,以及P.W. Higgs分别提出了相对论规范理论,他们发现自发破缺的规范对称性没有产生一个无质量的粒子,而是给出了一个有质量的标量态,现在被称为Higgs玻色子,它是迄今为止在实验上尚未观测到的唯一的标准模型粒子.2019年9月10日,在欧洲核子中心开始运行的大型强子对撞机(LHC),有希望提供实验证
据证实Higgs粒子存在与否(LHC运行9天后,由于连接加速器中两个磁体间的电路出现问题,导致机械故障,引起液氦
泄露,现在正在抢修,预计2009年能重新运行).随后,Nambu 及其合作者提出了强相互作用的基本理论应该是基于SU(3)规范群的非阿贝尔规范理论.非阿贝尔规范理论是由杨振宁和Robert Mills于1954年首先提出的,现在被称为
Yang-Mills理论,已经成为人们统一自然界电磁、弱、强和引力四种相互作用中前三种作用的数学基础.2019年,美国Clay数学研究所悬赏100万美元奖金征集四维时空中量子Yang-Mills方程的解,时值今日该问题尚未破
解.Gerhard ’t Hooft和Martinus Veltman证明了即使规范对称性自发破缺,非阿贝尔规范理论也是可重整化的.杨振宁和Nambu等人的工作引发了一系列有关非阿贝尔规范理论的后续的重大发现,如电弱理论、渐进自由、量子色动力学、夸克混合等.。