1.分立对称性失效问题

分立对称性失效问题1.分立对称性失效问题法国物理学家Curie说："非对称创造了世界"，这句话包含有丰富而深邃的辩证法思想.我们的理论是根据对称产生的，可是我们的世界又是不对称的，这是非常奇怪的.、、、我们有很充分的实验证据表明，我们这个宇宙、我们这个世界是不对称的.【1】杨振宁（C.N.Yang）讲：“分立对称性失效的根本原因今天仍然是未知的.事实上，对于这些失效的潜在的理论基础，看来甚至尚未有人提出任何建议.这样一种理论基础，我相信必定是存在的，因为从根本上说，我们已经知道，物理世界的理论结构决不是没有原因的.”李政道(T.D.Lee)认为，我们现有的全部知识是很不全面的，一定有另外一个力，这个力是推翻对称的.【1】任何一个守恒律都是在一定的条件下得到的，都有一定的适用范围，这本身就反映了对称性不是绝对的无条件的适用于一切场合的.2.物理学中的对称破缺物理学中的对称破缺，是指由于某一种对称被破坏，引发出了更深化的思维认识，从而展现出物理学更高层次的对称，如核子同位旋守恒遭电磁作用和弱作用破坏时表现出来的破缺；铁磁材料中空间各向同性的破坏；真空对称性的自发破缺等.再如，杨振宁和李政道提出了弱相互作用中宇称不守恒，就是运用对称性原理解开了θ-τ之谜，并得到了吴健雄的实验验证，使现代物理学中产生了“对称加破缺”的美学思想.物理学中有两种对称破缺的方式.一种是上面讨论过的明显的对称破缺，它是由较弱的相互作用不具有这种对称性而引起对较强的相互作用的对称性的破坏.在这种情况下，作为整体，对称性是近似的，它只有在可以忽略较弱相互作用的过程中才近似地成立.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.另一种更重要的对称破缺方式称为对称性的自发破缺,这时描写系统动力学的拉格朗日量具有对称群G的对称性，但是能量最低的真空态或基态不只一个，而是一组互相不能穿透的退化的状态,形成群G的表示.由于真空态（基态）影响到在其上运动着的一切事物，一旦真空态已经确定在一个特定的状态上,群G的对称性就受到了破坏.例如磁铁在居里点以下显示出\o"铁磁性"铁磁性，它的磁矩指向特定的方向.虽然磁铁的拉格朗日量是各向同性的，具有转动群的对称性，但基态不只一个，相应的磁矩可以指向空间不同方向.当磁铁由于某种原因已经选定了一个磁矩的特殊方向，在这块磁铁上发生的现象就不再是各向同性的了，这时我们说转动群的对称性产生了自发破缺.常常从退化的基态中具体实现的状态仍然具有G群的子群H的对称性.例如磁矩指向z轴方向时，磁铁仍然可以具有围绕z轴转动的对称性.因此对称性只在G群除以H群得到的H的陪集G/H上产生了自发破缺.明显的对称破缺的方式不依赖于系统所处的状态，而对称性的自发破缺则依赖于系统的状态.随着某些条件（例如温度）的变化，处于对称性自发破缺状态的系统常常可以通过相变过渡到对称的状态，例如铁磁和超导在临界温度以上都恢复到对称的状态.构成今天世界的粒子很可能处于对称性自发破缺的相中，它们的质量和相互作用都由这个相决定.在早期宇宙发展过程中，世界很可能处于高度对称的状态，那时粒子的性质可能与今天观察到的很不相同，宇宙经过冷却和相变才达到今天的样子.我们一般把场的能量最低态称为基态，所有在一定范围的空间中互相重叠的场都处于基态时，对应于该物理空间范围的物理真空，它不表现出任何释放能量的物理效应.而对Higgs场来说，其场能最小处却不在场量为零时出现，而是一个不为零的地方.在一切场的总能量都达到最小物理真空态上，Higgs场的场量的真空期望值在某些方向上不为零，物理真空偏离了一切场的场量为零的状态，从而不再有定域规范对称性，这种现象称为真空对称性自发破缺.规范不变性不允许在拉氏量中出现规范玻色子或者旋量费米子的质量项.然而相互作用的力程和传递相互作用的规范粒子的质量成反比，并且该规范粒子的质量越大，它所传递的作用就越弱，所以弱作用是短程的，故传递作用的媒介粒子不可能没有质量，为了在保持重整性的前提下解决这个矛盾，流行的方法是引入对称性的自发破缺，即处于最低能量的真空态将不再具有规范对称性，从而导致在真空中传播的粒子可以获得有效质量.Higgs场的场量子是自旋量子数为零的标量粒子，其中具有静质量的粒子叫做Higgs粒子，没有静质量的粒子称为Goldstone粒子.传递弱相互作用的中间玻色子和在真空对称性自发破缺下，与处于基态但场量真空期望值不为零的Higgs场发生相互作用.Higgs场的Goldstone玻色子的波函数转换成弱场和的纵向分量，相当于,和吸收了Goldstone玻色子及其运动质量，从而获得了很大的静质量.下面我们就来具体探讨一下.在标准模型中，Higgs二重态可被进一步写成其中代表四个厄米共轭场.在这种新的表示下，Higgs势可写为很明显，它具有O(4)不变性.不失一般性，我们选取四维场量空间的坐标轴使得(i=1,2,4)以及因此，当时，最小值发生在ν=0处，此时并不破缺.当时，对称点ν=0处并不稳定，最小值发生在ν≠0处，它满足可取为(-ν解可以经O(4)变换转到这种取值）.将其作为真空时，对称性就遭到破缺了.V(V(Φ).Higgs势V(Φ)虚线代表>0，实线代表＜0.至于=0，我们还需要考虑圈图修正，此时对称性还是会自发破缺.我们感兴趣的是<0的情形.在这种情况下生成元，以及均自发性破缺了.另一方面，真空态没有带电这表明的对称性并没有自发性破缺.因此，自发破缺为子群：→.我们利用Kibble变换来显示Higgs二重态中的物理成分，将Φ写为H就是物理的HIGGS粒子，至于三个矿，如果处理的是全局对称性的自发破缺问题，那么它们将是与破缺生成元有关的零质量nambu-goldstone玻色子，而在规范对称性自发破缺问题中，采用幺正规范可见不再出现在物理的粒子谱中.事实上，这三个玻色子将被零质量规范场"吃掉"，产生有质量的和粒子.因为在这种规范中，标量场的协变动能项可写为其中H粒子的动能项和规范作用项均己被隐藏，而通过对称性的自发破缺获得了质量的和规范玻色子定义为,它们的质量为，弱混合角定义为和的质量可以认为是在与标量场的不断作用中获得的，而表面上消失的goldstone玻色子成为了它们的纵向分量.考虑轻子的衰变，可以得到，实验数.据确定费米常数=1.16637(5)xlO-5GeV-2,这说明电弱破缺的弱标度为此外，由于对称性未破缺，故相应的规范玻色子A仍未获得质量，它也是由和B混合而成至于Higgs粒子H的质量，代入Higgs势中（省略常数项）这表明Higgs粒子的树图质量为3.对称性与守恒定律对称性意味着守恒定律，唯一麻烦的是，实验表明几乎所有的这些守恒定律（因自然界不存在右旋中微子）而受到破坏（即对称性的丢失）；我们建议把物质与真空都考虑进去，于是这个部分的对称性就可以恢复了.物理学里有对称性失效机制的理论，如LANDAU的二级相变理论，场论的HIGGS机制.目前世界最大的加速器是美国布鲁海文国家实验室的相对论性的重离子对撞机（RHIC），它使两个加速到每个核子1000亿电子伏特的金离子对撞，在如此高的能量下，两个金核中的物质互相穿过，而将所带的相当一部分能量留下来，产生激发态的真空.李政道教授认为，恢复整个的对称性的答案，应该在碰撞实验中所产生的这一瞬间具有高能量的激发态的真空之中.吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像.实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称.实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒.就李政道、杨振宁发现“弱相互作用下宇称不守恒”的事迹，何祚庥先生在《宇称不守恒的发现影响了一代人的思维》一文中写道：“1956年底和1957年1月消息传来，吴健雄教授有关钴60极化核的β衰变的实验，竟然观察到末态电子分布的左右不对称！接下来，伽尔汶等人又观察到Π→μ→е衰变过程中的左右不对称.于是，宇称守恒的定律就此被李政道、杨振宁两位科学上的先驱者所‘打破’！一时之间，‘打破’宇称守恒定律的消息传遍世界，在许多国家激起‘李、杨效应’.一些青年学子，纷纷立志要向李政道、杨振宁学习，有的立志要向粒子物理进军，立志向科学进军，立志要‘赛因顶峰会李杨’.至于我们这些略为懂得一些粒子物理的初等知识的‘粉丝’（追星族），更是对李政道、杨振宁所做的这一经典工作，崇敬之至！在许多国家激起‘李、杨效应’.一些青年学子，纷纷立志要向李政道、杨振宁学习，有的立志要向粒子物理进军，立志向科学进军，立志要‘赛因顶峰会李杨’.”阿西莫夫在《宇称是什么？》的文章称：“后来，人们又明白了，为了使这个法则真正保险，还必须考虑到时间（Ｔ）的方向；因为一个亚原子事件看起来既可以是在时间中向前推进，也可以是在时间中向后倒退.添上时间以后的法则称为‘ＣＰＴ守恒’.近来，就连ＣＰＴ守恒也成问题了，不过到底怎么样，目前还没有得出最后的结论.”1956年李和杨提出弱作用宇称不守恒的事例会有启发性意义：在1956以前，发现了一个实验上奇怪的例子，就是所谓theta-tau之谜，这两个粒子（当时称呼为theta和tau）的电荷、质量、自旋、寿命等参数都一样，似乎应该是同一种粒子，但其宇称不同，似乎不应该是同一种粒子.李和杨提出：它们应该是同一种粒子，但宇称在弱作用中不守恒，所以看起来它们显示有不同宇称.其实，提出"宇称在弱作用中不守恒"这本身没有什么太了不起（当时还有其他好几人也有此类观念）.但李和杨的一个重要的点睛之笔是问：为何以前几十年宇称守恒定律在弱作用中用得好好的，没有出现过什么矛盾？他们进一步发现，原来在以前几十年弱作用实验中，其实用不用宇称守恒定律都无所谓，所以其是否成立，也就在以前的实验中变得不重要了，因此过去也就没有出现过麻烦.现在则才出现了麻烦.理查德·费曼认为:“在自然现象之间存在着旋律和图样，但普通人的眼睛往往对这些旋律和图样视而不见，只有分析家才能看到.被我们称为‘物理学原理’的正是这些旋律和图样.这些理论从来不是完美无缺的，“始终存在一条神秘的边界，始终会有一个地方需要我们做一些看似徒劳的思考.”爱因斯坦想把一切定律压缩到一个统一场论中去的时候，这个巨大的梦想已经破灭了.任何一个再高明的理论，一旦变为没有论域和前提限制的神话，那么这个理论总将必然蕴藏着极大的逻辑不自恰.相反，如果认真分析和认识一切理论体系所必然存在的前提和条件，自觉地意识和构造一个有限真实的理论体系，那么这个自觉承认是粗糙和近似的理论体系，恰恰能够成为一种真实的科学陈述.4.C和CP对称性破坏我们今天看到的是一个深邃又多彩的宇宙.因此，可以推测，必定存在某种机制，使得粒子和反粒子的行为出现了差异，从而产生了不对称性，导致物质在这场史诗般的对决中战胜了反物质，塑造了今天这个璀璨壮丽的宇宙.那么，这究竟是什么样的机制呢？前苏联物理学家萨哈罗夫（Sakharov）曾对此进行过先驱性研究，他指出，要产生这种正反物质的不对称性，必须满足三个关键条件[2]：（1）存在使重子数不守恒的相互作用，即反应前后的重子数不相等；（2）脱离热平衡，从而正反物质的不对称性不会因被“搅匀”而消除；（3）存在C和CP对称性破坏.什么是C和CP破坏？简单来说，它是指在粒子相互作用中，一种离散对称性被打破的现象.更具体地说，C代表“电荷共轭变换”（ChargeConjugation），亦即将某个粒子转变为其反粒子，例如，将带负电的电子变为带正电的正电子，或者将带正电的质子变为带负电的反质子.而P则是“宇称变换”(Parity)，它涉及空间方向的翻转，比如将向左的箭头变为向右的箭头.因此CP变换就像是让一个粒子照一个“魔镜”，这个“魔镜”除了像普通镜子一样让其左右翻转，还会将粒子变成其反粒子.按照传统的经验，粒子与“魔镜”中的反粒子会做着类似的动作.如果存在某些原因，使得镜子内外的世界表现出截然不同的行为，那将会是一个匪夷所思却又极其有趣的现象.在物理学史上，最早被发现破缺的离散对称性是P对称性.当时，物理学家们面临着一个谜题：有两种粒子，它们在衰变过程中表现出相反的宇称，但在其他性质上却又极为相似，这就是著名的“θ-τ”之谜.而解开这个谜题的，正是李政道和杨振宁两位先生.他们在查阅了大量资料并反复论证后，大胆假设，这两种粒子实际上就是同一个粒子，只是在弱相互作用中宇称不守恒，因此表现出截然不同的衰变模式[3].当时，许多著名物理学家对这一猜想表示怀疑.量子力学的奠基人之一、1945年诺贝尔物理学奖得主、被称为“上帝之鞭”的泡利曾说道：“我不相信，上帝是个弱的左撇子.”然而，戏剧性的是，科学的突破往往来自于那些最不被看好的地方.宇称破缺的猜想引起了实验物理学家吴健雄女士的关注.她立刻着手设计了一项实验，观察钴原子核的衰变，并最终以显著的证据证明了这一猜想的正确性，震惊了物理学界[4].随后，李政道和杨振宁因此获得了1957年的诺贝尔物理学奖.这一发现使得离散对称性的研究成为当时物理学的前沿领域之一.随后，物理学家们在π介子和μ子的弱衰变中也观察到了宇称不守恒的现象.这些发现促使费曼（Feynman）和盖尔曼（Gell-Mann）等学者提出关于弱相互作用的左手流理论[5].根据当今的物理学理论，带电流弱相互作用中P对称性呈现出最大程度的破缺，即只有左手粒子或右手反粒子参与弱相互作用.尽管在弱相互作用中发现了宇称破缺，包括前苏联的全才物理学家朗道(Landau)在内的科学家们仍然认为，CP对称性在弱相互作用中是守恒的.然而，科学的发展正是在不断的论证与推翻中前进的.1964年在美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室，实验物理学家们通过观察中性K介子的衰变，首次发现了弱相互作用中的CP破坏现象[6].这一发现最终获得了1980年的诺贝尔物理学奖.有意思的是，促使李政道和杨振宁两位先生提出宇称不守恒猜想的粒子，正是带电的K介子，它们内部均含有一种名为“奇异夸克”（strangequark）的基本粒子.如此说来，K介子确实是“奇异”粒子，因为它总能给我们带来各种意想不到的惊人发现.就像当年发现宇称破缺那样，CP破坏的首次发现激发了物理学家们的极大兴趣，推动他们在各种粒子中探索CP破坏现象.在发现中性介子的CP破坏后的数十年中，科学家们陆续在B介子、Bs介子和D介子系统中观测到了CP破坏现象.实验与理论如同物理学发展的两条腿：实验学家们不断地在寻找和验证CP破坏的证据，而理论学家们则根据这些实验结果提出解释CP破坏的理论机制，并通过对比实验数据来验证这些理论.1973年，理论物理学家小林诚（MakotoKobayashi）和益川敏英（ToshihideMaskawa）在尼古拉·卡比博（NicolaCabibbo）工作[7]的基础上，提出了一种新的机制来解释CP破坏的起源[8].他们认为，CP破坏源于不同种类夸克（基本粒子之一，包括上文提到的奇异夸克）之间的弱相互作用，而这种相互作用的强度可以通过卡比博-小林-益川（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa）矩阵来定量描述.该机制的预言已经被实验所证实，这也使得两位物理学家在2008年获得了诺贝尔物理学奖.到目前为止，小林-益川机制仍是唯一被实验所证实的CP破坏机制.值得一提的是，该机制预测至少需要六种不同种类的夸克才能导致CP破坏，而其中的第四种夸克——粲夸克（charmquark）——直到1974年才在实验中首次被发现（尽管在此之前，为了解释中性介子只有极小可能衰变到两个

子，理论家提出必须有粲夸克的存在，即GIM机制），这也展示了他们理论预言的前瞻性和大胆性.笔者认为，分立对称性失效的原因在于物质的性质在某一层次上既对称又不对称，既存在着对称破缺，它在深层次上又对称，但另一属性可能又不对称，``````如此往复，永无止境，现代物理学理论揭示了物质的某一属性，因此“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”.对称性与反对称性矛盾的普遍存在，恰恰就是通过真实的物质世界和理性的主观认识之间辩证统一的逻辑必然.物理学家们在寻找自然终极设计的对称性时遇到了麻烦，正如阿•热先生谈道，对称意味着统一，而世界却呈现出多样性.如果设计完美而对称，那么我们的世界什么都只有一种，比如基本粒子就会完全相同，从而彼此不可分辨.这样的一个世界是可能的，但它又会非常单调和乏味，就会没有原子、没有星星、没有花朵、也没有物理学家.终极设计既要统一又要多样性，既要绝对完美又要喧闹的生机，既要对称又要缺乏对称，他好象对物理学家们提出一个不可能实现的要求.物理学一些最基本的理论，都是建立在空间对称性基础上的，自从在弱相互作用中发现左和右的绝对性后，空间对称性的概念才开始动摇了.物理空间是对称的吗？很多人都提出过这一疑问，但是有更多的人认为空间的左右对称性是一种客观的存在，是一种自然美.有位数学界的著名人士举了两个例子（假想实验）；用1张正方形的理想化纸片，沿中线对折后，随机打上生物颜料构成的注记，摊开后看看左右是否对称？如果设想，到远离地球引力场的外空间，假设有一块正方形的空间面积，沿中线对折，左和右是否对称？真实的空间是不对称的，理由很简单：生物大分子的旋光异构体，若按原子排列命名某一生物分子为左手系（L），则它的异构物按同一原则的原子排列就必为右手系（R），它们只在假想的数学空间具有左右对称，但在真实的物理空间，却是具有不同物理特征的空间结构，左与右具有不同的能量差.现代制药工业正是利用这一原理，对常用的200余种手征性药物，有目标的选择与（L）或（R）相对应的价电子力，或表达其能量差的其它方法，使其中没有药效的一种手征性大分子形成中性盐或络合物而被清理出局，如果真实的空间是不对称的话，恐怕连治病的药物都买不到了.物理学空间是否左右对称，更理想的测试还有三个：其一是沿左右空间人造卫星自转速度变化率的测定；其二是沿赤道面光缆进行电磁脉冲的双向传递，测定向左和向右时间差的实验；不过，最好的实验还是“引力探测器B”卫星，因为它的运行轨道，其中半个周期是左手征空间，另半个是右手征空间，在离地球640千米的极地轨道上运行，左和右的光速差引起陀螺仪自转轴偏转，1.5年后将有10.824″附加角偏转，它比其它物理效应都要大（3项物理效应都是向量值），实验结束后自见分晓.在自由空间，在分子世界，在原子和亚原子世界都存在着确定的手