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

衡态时在分支点附近对微小扰动是敏感的。1998年Kenso Soai和他的小组证实了分叉结构（bifurcation framework）。他们采用了混合了对映异构的亮氨酸，其中一种构型少量过剩。在这不均衡的溶液中反应形成的嘧啶醇也有一种对映体少量过剩。这种分子在自身形成过程中能起催化作用，因而占主导地位。因为自催化的循环反应结构放大了这个细微手性破缺效应，这使得生命分子为择单一手性。

1995 年3 月，美国《科学》杂志报道在洛杉矶召开的“生物分子手性均一起源”的国际会议上，与会的物理、化学、天文学家大多数认为，“没有手性就没有生命”，“手性起源先于生命”而不是生命自然选择了手性。

2006 年6 月1 日出版的《Nature》7093 期第621 页一篇题为“Thermodynamic control of asymmetric amplification in amino acid catalysis”的文章，Martin Klussmann 等人提出了手性分子不对称扩增的另一种解释，这是对自催化机制的一种替代机制。与传统手性药物合成不同的是，这是一种动力学控制下的不对称扩增。

总的来说分子的手性根源来自于弱相互作用，这说明电磁作用力并不是化学尺度上唯一影响化学分子的作用力。弱相互作用所诱发的费米子的手征性，主要通过反馈特征的自催化效应及其它某种放大机制，放大到分子尺度，从而成为生命形成重要的驱动因素。物理

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。

对称性破缺的一个例子，对称参量环面的扭结超过临界值，系统向对称性较低的稳定状态过渡。在哪里形成新的结并不重要，因为整个变化过程是混沌的。

11维空间

上面提到超对称几何也可以作为引力几何理论的基础，相应的理论就称为超引力论。在超引力中，引力子已不再是传递引力的唯一媒介粒子，超对称是在费米子与玻色子之间提供了

M-

数的守恒，从而形成现在物质占主要的世界。物质在四种作用力下分层次演化。通过复杂的核合成过程形成早期的原子核，再形成原子和分子。

前面提到电弱作用力间对称破缺的Higgs 机制，在最低能量下不为0 的真空极化从而导致电弱对称破缺。电弱作用力通过“弱荷流”(W)和“弱中性流”（Z ）区分的

手性弱力提供了对称破缺的扰动

（弱荷看成电荷，中间玻色子看成电磁波的光子）。任何两个基本粒子间的这些流的强度取决于粒子间的距离和它们的电荷。电子档靠近原子核时，受到中性弱力引起电子轨道的扰动，使它选择手性。如图(i)轨道是非手性的，但是由于Z0 扰动导致出现手性旋转，图中(b)代表自发对称破缺（Autocatalytic symmetry-breaking）源于随机的手性分岔，弱扰动破坏稳定性从而形成具有手性的(iii)。这样的对称破缺会被放大到聚合系统中，在分子D 和L 构型的竞争中，哪个具有负反馈系统那个就会占主导。

奥克兰大学的Chris C. King 在宇宙生物学论文中提到在Murchison 陨石（1969 年落于澳大利亚）上非生物氨基酸往往倾向于左手构型。这说明，在生物产生以前这种不对称机制就可能已经存在。

手性破缺

宇称不守恒弱相互作用对应于产生手性分子有两种假说。一种是以带电电流宇称不守恒（Charged Current－Parity Non conservation:CC－PNC）为基础的假说，认为由于CC－PNC，β衰变产生径向极化电子，进入物质内部产生圆偏振光辐射，导致底物分子立体选择合成或分解，从而产生手性分子。

另一种以弱中性流宇称不守恒（Neutral Current－Parity Non conservation:NC－PNC）为基础的假说，认为NC－PNC 造成对映体之间微小的能差叫宇称破缺能差（Parity Violating Energy Difference, PVED），PVED 进一步在对映体分子的物理性质及反应速率上形成差别，经过放大可以产生均一的手性。

Vester-Ulbricht机理一个基本粒子（电子或正电子）静止时是球对称的，因此是非手征性的。但一个自旋粒子沿着自旋轴的任一方向移动时，它就成为手征性的。β-电子为左手螺旋电子，β+电子为右手螺旋电子。Goldharber 在1957 年发现，从某一辐射核ß 衰变中产生的电子是径向偏振的，由此电子产生的韧致辐射产生圆偏振光。

1959年Vester 和Ulbricht首先将β衰变的不对称性和生物分子的不对称性联系起来，提出Vester-Ulbricht机制。不对称性可从基本粒子水平转移到分子水平，ß 衰变所表现的手性与自然界生物分子的手性间有因果关系。ß 衰变中产生的偏振电子，对外消旋分子或前手性分子产生非对称性影响，最后由不对称合成或分解产生手性分子。β衰变→纵向偏振电子→园偏振电子→不对称光化学作用→手性的。

Vester-Ulbricht机理的相关实验1968 年，Garay 将1.33e7Bq 的SrCl2，分别加入到L 与D 型酪氨酸的碱性溶液中，在室温放置18 个月后，发现D-酪氨酸分解比L 型显著，并认为这是由于发生偏振光的ß 射线作用，是D-酪氨酸进行了立体有择性分解。1975 年Bonner 用120keV 的线性加速器，来产生天然的自然反平行（AP）“左手性”电子，也可产生非天然的自旋平行（P）“右手性”电子，进行辐解D-和L-亮氨酸的实验。在53%-76%样品分解后，AP 电子产生0.60%-1.42%过量的L-亮氨酸，P 电子可产生0.74%-1.14%过量的D-氨基酸。1976年Darge 等将标记32P 的磷酸盐加入到消旋的D、L-色氨酸水溶液中，在-25℃下放置12 周后测定紫外光谱，发现色氨酸的分解率为33%，必旋光度为+（0.7±0.4）e-3 度。由此可见L-色氨酸比D-色氨酸优先分解，造成了大约19%的D-色氨酸的浓集。这一结果与Garay的结果矛盾。但Bonner重复Garay和Darge的实验,Hodge重复Bonner的实验，都没得到立体选择的结果，使得这一假说争论了近半个世纪。