对称还是不对称(2)
制使得中间玻色子获得质量，并预言了质量值的大小。实验找到了它们。此项成果获得了1984年诺贝尔物理学奖。
对称性自发破缺机制最早是1960年南部阳一郎将铁磁系统和超导体中对称性破缺引入到微观粒子系统提出的。量子场论是描述微观粒子系统的基本理论体系，量子场系统的能量最低状态就是真空态，这个基态的能量、动量为零。粒子是真空激发的量子，所以粒子的性质必然与真空的本质密切相关。真空的性质和各种粒子的运动规律由量子场论体系中基本原理给出的相互作用形式确定。因此，自然界的真空不是一无所有的虚无，而是充满物质场相互作用的最低能量态。真空性质的复杂性及其物理后果都充分表明了真空不空，它对物理学发展产生了深刻的影响。南部的对称性自发破缺理论就是基于对真空的认识提出的。
对称性破缺还有另一种形式就是自发破缺。1960年南部首先认识到在某种相互作用形式下真空态可能不是唯一的，存在多个最低能量态，此时可能发生真空对称性自发破缺。这时真空的对称性小于相互作用的对称性。举个例子讲，一枝铅笔立在一个圆盘的中央，它对所有方向都是相同的或者说是对称的，然而不稳定立着的铅笔一定会倒下，倒下后仅一个方向被选定，不再具有这种对称性，或者说对称性存在于铅笔倒下之前。
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按照戈德斯通定理，当连续对称性产生自发破缺时，系统中一定会出现零质量的戈德斯通粒子。戈德斯通粒子的数目取决于相互作用对称性的大小(G)和物理真空保留对称性大小(H)之差。弱电统一理论中弱相互作用和电磁相互作用具有共同的非阿贝尔规范群对称性，规范场介子的质量为零。当选取了某一特定物理真空后，对称性产生自发破缺，系统中出现的零质量戈德斯通粒子变成了规范介子的纵向自由度，使原来没有质量的规范介子获得了很重的静止质量，使统一的电弱相互作用分解为性质截然不同的电磁相互作用和弱相互作用两部分。这就是黑格斯机制，从而精确地预言了前面提到拘中间玻色子质量，还保持了理论的规范不变性和可重整性。 弱电统一理论在精确预言了中间玻色子质量的同时，也预言了一种中性标量粒子，称为黑格斯粒子的存在，但理论上无法预言它的质量。自弱电统_模型提出以后，人们一直在寻找它，从几个MeV一直找到几十个GeV都没有发现它，每一台新加速器建成以后都企图发现它，然而就是找不到，在目前加速器能量极限下只能给出黑格斯粒子的下限是114GeV。这就成为近20年来粒子物理中的一个令人不解的谜——黑格斯粒子在哪里?如果黑格斯粒子不存在，那么对称性破缺的机制是什么?在西欧中心正在建造的大型强子对撞机(LHC)，以几十亿美元、历时十多年的投资，其物理目标之一就是要回答对称性破缺的本质这一难题。
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宇宙演化中对称性和对称性破缺
对称性自发破缺和CP对称性破缺还具有更深远的科学意义，它提供了解释宇宙起源和今日宇宙的存在。大约140亿年前我们的宇宙从大爆炸开始，宇宙大爆炸理论预言了早期宇宙很可能处于高度对称状态，经过冷印和相变才变成今日之世界，这就相应于一系列的对称性自发玻缺过程。大爆炸开始是在普朗克能量尺度，温度在1019GeV(时间相当于10-44秒)，这时宇宙中引力、强、弱、电四种相互作用是统一的。然后冷却能量尺度降至1015GeV(时间相当于10-35秒)、1014GeV(时间相当于10-33秒)，强、弱、电三种相互作用乃是统一的，有可能是粒子物理中超对称大统一理论所描述，夸克、胶子处于等离子体状态。当盛度降至102GeV时，真空选取一寺定方向，弱电对称性自发破缺茂为两种差别很大的相互作用。显度继续下降到1Gev(时间相当于10-6秒)，夸克在强相互作，用下形成强子，由量子色动力学描述。当温度下降到O.1Gev(时间相当于102秒)，轻原子核形成，由核合成理论描述。这就是宇宙最初三分钟形成物质世界的图像。而后是中性原子的形成(温度降到leV，时间相当于1012秒)，星系形成直至当今的万千世界。
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早期宇宙处于高度对称状态，粒子数和反粒子数相等，粒子与反粒子两者相遇会发生剧烈的湮灭反应生成能量辐射，因而就不会有今日之宇宙。然而人们至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到反物质，自然界万物都是正物质构成的。宇宙学研究表明，宇宙在早期经历了一个暴涨阶段，物质在暴涨后的再加热过程中产生，随着宇宙的冷却，湮灭反应不再可逆，所有的反重子全部湮灭，出超的百亿分之一的重子被残留下来，湮灭生成的大量辐射冷却后成为宇宙微波背景，残留重子在暗物质和引力塌缩的作用下凝聚为星系和恒星。所以物质与反物质的不对称也必然是宇宙演化的结果。近年来，由于中微子振荡实验结果肯定中微子有质量，这样轻子数本来就可能不守恒，由轻子数非对称转化为重子数非对称，是比较自然发生的机制。但最终答案有待进一步探讨。因此，粒子物理学对物质结构的探索，从低能量加速器到高能量加速器以及理论上追求不同能量标度的大统一理论，正是与宇宙演化过程相一致的，粒子物理与宇宙学的交叉也是必然的。因此揭示自然界中对称性和对称性破缺的本质仍是探求微观物质结构和宇宙起源的基本难题。
(责任编辑 蒲 晖), 百拇医药(黄 涛)
对称性自发破缺机制最早是1960年南部阳一郎将铁磁系统和超导体中对称性破缺引入到微观粒子系统提出的。量子场论是描述微观粒子系统的基本理论体系，量子场系统的能量最低状态就是真空态，这个基态的能量、动量为零。粒子是真空激发的量子，所以粒子的性质必然与真空的本质密切相关。真空的性质和各种粒子的运动规律由量子场论体系中基本原理给出的相互作用形式确定。因此，自然界的真空不是一无所有的虚无，而是充满物质场相互作用的最低能量态。真空性质的复杂性及其物理后果都充分表明了真空不空，它对物理学发展产生了深刻的影响。南部的对称性自发破缺理论就是基于对真空的认识提出的。
对称性破缺还有另一种形式就是自发破缺。1960年南部首先认识到在某种相互作用形式下真空态可能不是唯一的，存在多个最低能量态，此时可能发生真空对称性自发破缺。这时真空的对称性小于相互作用的对称性。举个例子讲，一枝铅笔立在一个圆盘的中央，它对所有方向都是相同的或者说是对称的，然而不稳定立着的铅笔一定会倒下，倒下后仅一个方向被选定，不再具有这种对称性，或者说对称性存在于铅笔倒下之前。
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按照戈德斯通定理，当连续对称性产生自发破缺时，系统中一定会出现零质量的戈德斯通粒子。戈德斯通粒子的数目取决于相互作用对称性的大小(G)和物理真空保留对称性大小(H)之差。弱电统一理论中弱相互作用和电磁相互作用具有共同的非阿贝尔规范群对称性，规范场介子的质量为零。当选取了某一特定物理真空后，对称性产生自发破缺，系统中出现的零质量戈德斯通粒子变成了规范介子的纵向自由度，使原来没有质量的规范介子获得了很重的静止质量，使统一的电弱相互作用分解为性质截然不同的电磁相互作用和弱相互作用两部分。这就是黑格斯机制，从而精确地预言了前面提到拘中间玻色子质量，还保持了理论的规范不变性和可重整性。 弱电统一理论在精确预言了中间玻色子质量的同时，也预言了一种中性标量粒子，称为黑格斯粒子的存在，但理论上无法预言它的质量。自弱电统_模型提出以后，人们一直在寻找它，从几个MeV一直找到几十个GeV都没有发现它，每一台新加速器建成以后都企图发现它，然而就是找不到，在目前加速器能量极限下只能给出黑格斯粒子的下限是114GeV。这就成为近20年来粒子物理中的一个令人不解的谜——黑格斯粒子在哪里?如果黑格斯粒子不存在，那么对称性破缺的机制是什么?在西欧中心正在建造的大型强子对撞机(LHC)，以几十亿美元、历时十多年的投资，其物理目标之一就是要回答对称性破缺的本质这一难题。
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宇宙演化中对称性和对称性破缺
对称性自发破缺和CP对称性破缺还具有更深远的科学意义，它提供了解释宇宙起源和今日宇宙的存在。大约140亿年前我们的宇宙从大爆炸开始，宇宙大爆炸理论预言了早期宇宙很可能处于高度对称状态，经过冷印和相变才变成今日之世界，这就相应于一系列的对称性自发玻缺过程。大爆炸开始是在普朗克能量尺度，温度在1019GeV(时间相当于10-44秒)，这时宇宙中引力、强、弱、电四种相互作用是统一的。然后冷却能量尺度降至1015GeV(时间相当于10-35秒)、1014GeV(时间相当于10-33秒)，强、弱、电三种相互作用乃是统一的，有可能是粒子物理中超对称大统一理论所描述，夸克、胶子处于等离子体状态。当盛度降至102GeV时，真空选取一寺定方向，弱电对称性自发破缺茂为两种差别很大的相互作用。显度继续下降到1Gev(时间相当于10-6秒)，夸克在强相互作，用下形成强子，由量子色动力学描述。当温度下降到O.1Gev(时间相当于102秒)，轻原子核形成，由核合成理论描述。这就是宇宙最初三分钟形成物质世界的图像。而后是中性原子的形成(温度降到leV，时间相当于1012秒)，星系形成直至当今的万千世界。
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早期宇宙处于高度对称状态，粒子数和反粒子数相等，粒子与反粒子两者相遇会发生剧烈的湮灭反应生成能量辐射，因而就不会有今日之宇宙。然而人们至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到反物质，自然界万物都是正物质构成的。宇宙学研究表明，宇宙在早期经历了一个暴涨阶段，物质在暴涨后的再加热过程中产生，随着宇宙的冷却，湮灭反应不再可逆，所有的反重子全部湮灭，出超的百亿分之一的重子被残留下来，湮灭生成的大量辐射冷却后成为宇宙微波背景，残留重子在暗物质和引力塌缩的作用下凝聚为星系和恒星。所以物质与反物质的不对称也必然是宇宙演化的结果。近年来，由于中微子振荡实验结果肯定中微子有质量，这样轻子数本来就可能不守恒，由轻子数非对称转化为重子数非对称，是比较自然发生的机制。但最终答案有待进一步探讨。因此，粒子物理学对物质结构的探索，从低能量加速器到高能量加速器以及理论上追求不同能量标度的大统一理论，正是与宇宙演化过程相一致的，粒子物理与宇宙学的交叉也是必然的。因此揭示自然界中对称性和对称性破缺的本质仍是探求微观物质结构和宇宙起源的基本难题。
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