破缺的对称性

标准模型 U(1)规范对称自发破缺机制标准模型 U(1) 规范对称自发破缺机制标准模型是粒子物理学中描述基本粒子及其相互作用的理论框架，而 U(1) 规范对称自发破缺机制则是标准模型中的重要概念之一。

本文将重点探讨 U(1) 规范对称自发破缺机制的原理和影响。

一、U(1) 规范对称性U(1) 是表示一个单位长度的圆周的数学结构，而在粒子物理学中，U(1) 规范对称性表示物理理论在 U(1) 变换下不变。

具体来说，它要求物理系统的拉格朗日量在 U(1) 变换下具有不变性。

二、规范场和轴子U(1) 规范对称性导致存在一个相应的规范场，该规范场传播着一种被称为轴子（axion）的粒子。

轴子是一种中性粒子，不带电荷，但会参与强相互作用。

它的存在对物理现象具有重要影响。

三、规范对称自发破缺在自发对称破缺机制中，物理系统在低温下的真空态会选择一个不再具有 U(1) 对称性的状态，这导致了规范对称自发破缺。

具体来说，当轴子的势能曲线形状呈现双井势时，真空态会从对称的零场态转变为一个能量较低的非零场态。

四、轴子的重要性轴子在理论和实验中都具有重要的作用。

首先，在量子色动力学中，由于有轴子的存在，QCD 的拓扑缺陷能够得到解释。

其次，轴子在宇宙学中也扮演着关键角色，可以解释暗物质、强子谱问题等。

此外，轴子还可以通过实验证据进行探测，例如通过引力波的观测等手段。

五、实验探测轴子的探测是当今粒子物理学的热点研究之一。

科学家们使用了多种方法来寻找轴子。

例如，实验室中可以通过高强度的磁场和激光场等手段来产生和探测轴子。

此外，一些天文观测设备，如望远镜和引力波探测器等，也可以用于轴子的间接探测。

六、未来展望随着技术的不断发展和实验手段的改进，对于 U(1) 规范对称自发破缺机制和轴子的研究将进一步深入。

科学家们将不断探索轴子的性质和行为，并希望最终验证轴子的存在，以进一步完善理论框架。

总结：U(1) 规范对称自发破缺机制是标准模型的重要概念之一，涉及到轴子的产生和相应的物理现象。

宇宙中的时间箭头时空对称性的破缺时间箭头是指时间的流动方向，即从过去到未来的单向性。

而时空对称性则是指空间中的物理系统在空间的不同位置具有相同的性质。

这两个概念在我们的日常生活中似乎是常识，然而，在宇宙中，时间箭头的存在以及时空对称性的破缺却引发了科学家们的深思与研究。

一、时间箭头的存在时间的流动方向似乎是显而易见的，人们普遍认为时间是从过去到未来流动的。

我们的记忆只会出现在过去，而未来则是未知之数。

尤其是热力学第二定律进一步强调了时间箭头的存在。

热力学第二定律提出了一个著名的“熵增原理”，即宇宙的熵（混乱度）在时间中一直增加。

这一定律被广泛地接受，并被视为时间箭头存在的证据之一。

然而，尽管我们感受到了时间箭头的存在，科学家对于时间箭头的根本原因仍存在争议。

有一种观点认为，时间箭头的存在源于宇宙大爆炸，即宇宙开始于一个高度有序低熵的状态（类似于一个细致平衡的初始条件），随着时间的流逝，宇宙趋向于高熵状态，导致了时间的流动方向。

二、时空对称性的破缺时空对称性是指，物理学中的基本规律在时空的不同位置具有相同的形式。

例如，相同的物理现象在地球上和月球上具有相同的规律性。

这种对称性使得物理学研究具有普适性和推广性。

然而，科学家们的实验和观测发现，时空对称性并非始终成立。

量子力学的研究表明，在微观尺度上，一些基本粒子的行为违背了时空对称性。

例如，一种名为K中子的粒子在弱作用力下会发生不对称的衰变，而其反粒子K'中子在相同条件下则具有相反的衰变模式。

这种现象被称为CP破坏 (CP-violation)，是时空对称性的一个显著破缺。

这种时空对称性的破缺引发了科学家们的深思与研究。

一种解释是，宇宙的早期阶段存在着所谓的波尔兹曼双态，即物质和反物质在宇宙演化的过程中以不同的速率生成和湮灭，导致了CP破坏现象。

这一理论得到了实验的进一步验证和支持。

三、时间箭头与时空对称性的关系虽然时间箭头和时空对称性是两个不同的概念，但它们之间却有着密切的联系。

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。

弦理论镜像对称性破缺的动力学机制引言：弦理论是目前最有希望成为统一描述宇宙微观物理的理论之一。

在弦理论框架下，镜像对称性被认为是一个基本的对称性。

然而，研究表明，在特定的条件下，弦理论中的镜像对称性可以被破坏。

本文将探讨弦理论中镜像对称性破缺的动力学机制。

1. 弦理论中的镜像对称性弦理论认为，宇宙的基本要素不再是点状粒子，而是一维细长的弦。

在弦理论中，存在着一种非常特殊的对称性，即镜像对称性。

根据镜像对称性，存在两种类型的弦：左手性和右手性弦。

两种弦之间通过镜像对称性相关联，它们具有相同的物理性质。

镜像对称性在空间维度和超弦理论中都起着重要的作用。

2. 镜像对称性的破缺然而，一些研究表明，在特定的条件下，弦理论中的镜像对称性可以被破坏。

镜像对称性的破缺可以从两个层面来理解：弦自身的动力学机制和背景场的影响。

2.1 弦自身的动力学机制弦的动力学机制决定了其振动模式和特性。

在某些情况下，不同振动模式的耦合可以导致镜像对称性的破缺。

例如，在超对称弦理论中，弦的超对称性可以与其中一些振动模式相耦合，从而导致左手性和右手性弦之间的物理性质不再相同。

2.2 背景场的影响背景场在弦理论中扮演重要角色，它们可以影响弦的振动和相互作用。

一些背景场的存在可以破坏弦理论中的镜像对称性。

例如，在早期宇宙演化中，由于背景场的引入，镜像对称性可以被临时破坏。

3. 动力学机制的研究方法为了研究弦理论中镜像对称性的破缺动力学机制，物理学家采用了多种方法和技术。

其中包括路径积分方法、共形场论、对偶性等。

这些方法可以帮助我们理解和描述镜像对称性的破缺过程，揭示弦自身和背景场之间的相互作用。

4. 实验验证与观测意义弦理论的实验验证一直是物理学家们的追求目标。

在镜像对称性破缺的研究中，实验验证也具有重要的意义。

通过实验观测，我们可以验证弦理论中的破缺机制是否与自然界一致，进一步探索弦理论和镜像对称性的精确性和适用性。

结论：弦理论镜像对称性的破缺是一个引人深思的问题。

镜像对称破缺导致物质不对称性镜像对称破缺是指在物理系统中，对称性在镜像操作下发生破缺。

而物质的不对称性是指物质世界中左右对称性的破缺。

在自然界中，物质的不对称性是普遍存在的，并且对我们的生活和宇宙的演化起着至关重要的作用。

物质不对称性最早被发现于1956年，当时非洲裔物理学家李政道和杨振宁提出了弱相互作用的CP破缺理论。

他们发现，弱相互作用在粒子衰变中存在不对称性，这导致了物质世界中的手性（左右）不对称性。

在粒子物理学中，手征性是指粒子或场的旋量性质。

左手性粒子与右手性粒子在手征变换（镜像操作）下会相互转化。

然而，在自然界中观察到的粒子只有左手性，这意味着自然界中存在手征性的破缺。

手征性破缺的一个关键原因是引入了手征对称性破缺的赝标量场，即赝标量。

赝标量场在标量场的定义下进入了弱相互作用的拉格朗日量中。

赝标量的存在对粒子衰变有着重要的影响。

例如，考虑K介子的衰变过程，按照CP标称守恒的原理，K介子和反K介子具有相同的衰变率。

然而，实验观测到K介子和反K介子的衰变率并不相等，这就暗示了CP对称性的破缺和物质不对称性的存在。

为了解释物质不对称性，物理学家沃尔夫冈·帕乌利和沃尔夫冈·克莱因提出了帕乌利-克莱因理论，也被称为有效拉格朗日量理论。

在这个理论中，他们引入了带有手征对称性破缺的角标量场，这些场对粒子衰变起到重要的作用。

帕乌利和克莱因的理论为解释物质不对称性提供了一个非常有力的框架。

他们的理论预测了存在手征对称性破缺的新粒子，并在实验中得到了验证。

这一发现对粒子物理学和宇宙学产生了深远的影响。

物质不对称性不仅存在于微观世界中，也在宏观世界中得到了验证。

例如，地球上的分子和生物分子都有手性，这样的不对称性在化学和生物学中起着重要的作用。

虽然粒子物理学和天体物理学的实验证据表明了物质不对称性的存在，但我们对其起源和机制的理解仍然有限。

物理学家们付出了很多努力来解释物质不对称性。

一种可能的解释是宇宙学中的早期宇宙条件，例如大爆炸后不久的宇宙对称性破缺事件。

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。

论自发对称破缺在物理学中，自发对称破缺是一种非常重要的现象。

它描述了一种物质系统从一个对称状态发生变化，变成另一个非对称状态的过程。

这种现象首先在基本粒子物理学中被描述出来，然后又被广泛应用于凝聚态物理学、化学、生物学等领域。

本文将对自发对称破缺现象进行探讨和分析。

一、自发对称破缺的基本原理自发对称破缺是指在一个系统中出现了由于局域过程引起的全局非对称性，而这个非对称性并没有在系统的宏观物理规律中体现出来。

例如，一个完全对称的圆形塑料薄膜，在贴附在一个光滑表面上后弯曲成一个圆锥形，这时圆锥的轴线就代表了一个显著的方向，这个方向是原本对称的圆形塑料薄膜所不具备的。

同样的，破坏水平对称的平衡位置，一个弹簧会有向下的趋势。

从整个系统的角度来看，弹簧有向下方向的倾向，这个方向就是系统的非对称性。

但是，在弹簧弹性势能和外加力之间的平衡关系中，并没有出现这个非对称性。

二、自发对称破缺现象的应用自发对称破缺现象的应用非常广泛，尤其是在凝聚态物理学方面。

磁性、超导、自旋玻璃转变等现象都是由于自发对称破缺造成的。

例如，C60分子在低温下可以表现出超导的性能，这个超导现象就是由于自发对称破缺造成的。

同样的，在铁磁性材料中，铁磁自旋规整的极化方向也是由于自发对称破缺的结果。

生物学研究中自然界的一些对称破缺现象，如对称的草丛中，有些面向更多阳光的方向，这也和自发对称破缺原理有关。

三、自发对称破缺的意义自发对称破缺的意义在于它提供了很多重要的物理学解释。

例如，在超导这个领域，我们只需要关心电路中电流的宏观运动规律，而不必考虑每一个电子的细节。

同样的，对于一个磁体，我们只需关注宏观磁场的产生规律，并且不必对每一个电子的磁性定向进行复杂的计算。

这种宏观物理学模型建立的前提就是对称性的破缺。

当对称性被破坏时，我们就能更快、更有效地预测出现的现象。

四、自发对称破缺和普适性自发对称破缺现象具有普适性，它是不依赖于物质的种类的。

有些物理现象只在某些物质体系中出现，而自发对称破缺并不在乎物质的种类。

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。

对称性破缺的哲学思考
图３．１宇称守恒
Ｆｉｇ３１Ｐ撕ｔｙＣｏｎｓｅⅣ撕ｏｎ
２０世纪５０年代中期，身处世界各地的物理学家们，热烈地讨论着一个使人困惑不解的问题：从原子核中冲击出来的寿命极短的Ｋ介子是守恒的还是不守恒的？爱因斯坦提出来的宇称守恒原本是研究物理的人一致相信的原理之一，实验已经证明，强相互作用下宇称守恒。

这是与微观粒子的镜像对称性相联系的守恒定律。

要对这个物理学上相当基本的原理发生怀疑，是非比寻常之举。

当字称守恒定律在物理学领域高奏凯歌的时候，人们相信宇宙间的万事万物都存在一种对称关系，而实际上，现实往往残酷的打破了人们的梦想。

任何理论总有其适用的范围，也就是在一定的时期内才是稳定的、对称的，不是永恒的、不变的。

１９４７年人们发现了一个新的奇异粒子Ｋ介子。

Ｋ介子会发生两种衰变，既能衰变成两个ｎ介子，也能衰变成三个ｎ介子。

实验已经确定ｎ介子是奇性粒子，那么Ｋ介子的宇称究竟是奇性的还是偶性的？从Ｋ介子衰变为两个ｎ介子来看，它应该是偶性的；但从Ｋ介子衰变为３个ｎ介子它又应该是奇性的。

一种粒子怎么可能有两种截然不同的宇称呢？这令物理学家大伤脑筋。

为了解决这个“ｅ～ｔ”疑难，有人曾假设Ｋ介子有两种。

他们把衰变成两个ｎ介子的叫做ｅ介子，衰变成三个介子的叫做ｔ介子。

但是，越来越精确的实验表明：ｏ介子和ｔ介子实际上就是一种Ｋ介子，可它确实又具有不同的宇称。

在这种情况下，物理学家不得不开始怀疑宇称守恒原理了。

１９５６年夏，杨振宁和李政道在全面检查了当时已存在的关于宇称这个概念的实验基础以后，得出以下结论：和一般所确信的相反，在弱相互作用中实际上并不存在左一右。

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。

标准模型U(1)规范对称性的破缺机制标准模型U(1)规范对称性的破缺机制标准模型是粒子物理学中一种描述基本粒子及它们相互作用的理论框架。

其中，U(1)规范对称性是标准模型的一部分。

本文将探讨U(1)规范对称性的破缺机制。

1. 简介标准模型描述了宇宙中所有已知基本粒子以及它们之间的相互作用。

其中的规范对称性是一种看起来非常漂亮的数学结构，它在数学上提供了一种保证基本粒子及它们相互作用的规律的方式。

而U(1)规范对称性，即电磁力的对称性，是标准模型中的一个重要组成部分。

2. U(1)规范对称性U(1)规范对称性是一种局域对称性，它描述了电磁力的规律。

根据这一对称性，电子和其他带电粒子在电磁相互作用下是守恒的。

具体来说，根据U(1)规范对称性，引入一个规范场——光子场，它传递电磁力。

而电子和其他带电粒子通过与光子场的相互作用，参与了电磁相互作用。

3. 破缺机制然而，实际观测到的世界并不是完全对称的，因为我们可以看到一些选择性地打破了U(1)规范对称性的现象。

这就引出了一个问题：为什么U(1)规范对称性被破坏了？这个问题的答案被称为破缺机制。

3.1 Higgs机制Higgs机制是一种解释U(1)规范对称性破缺的机制，它是标准模型的核心之一。

根据Higgs机制，U(1)规范对称性在宇宙早期是完全对称的，但随着宇宙的演化，它被破坏了。

3.2 Higgs场Higgs机制的关键是引入了一个复标量场，即Higgs场。

它的存在是为了解决基本粒子无质量的问题，并且它与U(1)规范场（光子场）相互作用。

Higgs场通过与光子场的相互作用，导致了U(1)规范对称性的破缺。

3.3 自发破缺Higgs机制中，U(1)规范对称性的破缺是自发的，即没有外部力量介入。

在标准模型中，Higgs场的势能具有非对称的形状，这导致了Higgs场的真空期望值不为零，从而破坏了U(1)规范对称性。

4. 结论标准模型U(1)规范对称性的破缺机制是通过Higgs机制实现的。

物质反物质对称破缺的解析物质与能量是构成宇宙的基本要素。

根据物理学的标准模型，物质和反物质应该是完全对称的，即它们在物理性质上是完全相同的，只是电荷相反。

然而，我们所观测到的宇宙中却存在着明显的物质优势。

这个问题被称为物质反物质对称破缺，也是现代物理学中一个重要的未解之谜。

在深入探究这一问题之前，先让我们回顾一下物质和反物质的基本概念。

在宇宙中，我们所熟知的物质由原子构成，而原子又由质子、中子和电子组成。

质子和中子属于重子，具有相同的质量。

电子则是轻子，质量远远小于重子。

反物质是由反粒子组成的。

反粒子与普通粒子具有相同的质量，但电荷相反。

例如，反质子和质子具有相同的质量，但电荷相反。

同样，反中子和中子也具有相同的质量，但电荷相反。

根据标准模型的对称理论，宇宙应该存在着相等数量的物质和反物质粒子。

然而，我们观测到的宇宙只有物质，几乎没有反物质。

这个现象引发了科学家们的深入研究和思考。

存在物质反物质不对称的原因之一被推测是可能存在物质反物质转变的过程。

科学家们通过实验证明，某些粒子可以在一定条件下发生物质反物质转变，从而导致物质的增加或减少。

这一转变过程被称为物质反物质不守恒。

一个常见的物质反物质转变过程是通过弱相互作用产生的。

弱相互作用是一种只在很短距离范围内起作用的力，常见于放射性衰变过程。

在某些放射性核素的衰变中，一个中子可以转化为一个质子，同时释放出一个电子和一个反中微子。

这一转变过程从物质角度来看就是中子转化为质子，但从反物质角度来看则是反中子转化为反质子。

除了物质反物质转变过程外，科学家们还提出了其他的破坏物质反物质对称的机制。

其中一个重要的机制是CP破坏，即反演（Charge Parity）对称性破缺。

CP破坏可以从理论角度解释为在自然界中存在着一种基本的不均衡性，从而导致物质和反物质的生成和湮灭率不同。

物质反物质对称破缺的解析是理解宇宙演化和宇宙结构形成的关键之一。

通过深入研究物质反物质对称性的破缺，我们可以更好地理解宇宙的起源和演化过程。

多者异也：破缺的对称性与科学的层级结构编者按：本文原名为“More Is Different: Broken Symmetry and the Nature of the Hierarchical Structure of Science”, 载Science, 177 (4047): 393－396。

作者安德森（Philip W. Anderson，1923－），为著名凝聚态物理学家，曾获1977年诺贝尔物理学奖。

郝刘祥译。

还原论的假设在哲学家中间可能仍然是一个富有争议的主题，但在绝大多数一线科学家中间，我想人们肯定都接受了。

我们的心灵、我们的身体，以及所有有机物和无机物的运行机制，就我们所知而言，都被认为受同一组基本定律所支配；对于这一组基本定律，我们相信，除了某些极端情形之外，我们已经有了很好的理解。

若是不假思索，人们往往会把下述命题看成是还原论的一个显而易见的推论：如果一切事物皆遵守同样的基本定律，那么只有那些研究真正是基础的东西的科学家才是探索这些定律的人。

这实际上就等于说，他们不外是一些天体物理学家，一些基本粒子物理学家，一些逻辑学家和数学家等。

这种观点，也是本文所反对的观点，在韦斯科夫（V. F. Weisskopf）的很有名的一段话中表述得最为清晰：[①]纵观20世纪科学的发展，人们可以看到两种潮流；鉴于缺乏更好的术语，我姑且称之为“内涵性（intensive）研究”和“外延性（extensive）研究”。

简言之：内涵性研究探求基本定律，而外延性研究致力于按照已知的基本定律来解释现象。

当然，这种区分并非没有含混之处，但就大多数情形而言还是很清晰的。

固体物理学、等离子体物理学，或许还包括生物学，都属于外延性研究。

高能物理学，以及核物理学中相当的一部分，都属于内涵性研究。

相比于外延性研究，内涵性研究总是要少得多。

新的基本定律一旦被发现，将其应用到迄今尚未解释的现象上来的研究活动便会蜂拥而至。

超对称性破缺机制超对称性破缺是粒子物理学中一个重要的课题，涉及到超对称性在自然界中的具体实现方式。

本文将对超对称性破缺机制进行深入研究，并讨论其在理论物理领域中的应用。

1. 引言超对称性是一种能够将费米子和玻色子相互转换的对称性。

它在理论物理中扮演着重要的角色，被大量的研究所关注。

然而，自然界中的超对称性并没有被观测到，这意味着超对称性必然被破坏。

超对称性破缺机制的本质就是研究超对称性为何会被破坏以及如何解释这一现象。

2. 超对称性破缺的原因超对称性破缺可以通过多种机制实现，其中一种被广泛研究的机制是超对称性的软对称性破缺。

软对称性破缺是指超对称性在低能量下以非对称的方式破坏，而在高能量时是对称的。

这种对称性的破缺可以通过引入适当的超对称性破缺项来实现。

3. 超对称性破缺的表现形式超对称性的破缺在物理实验中可以通过观测到超对称粒子的衰变来间接观测到。

由于超对称性粒子的衰变模式与标准模型粒子不同，因此可以通过研究粒子衰变的性质来判断超对称性是否破缺。

然而，由于超对称粒子的质量通常远高于标准模型粒子，因此目前还没有直接观测到超对称粒子的实验证据。

4. 超对称性破缺的理论解释超对称性破缺的理论解释涉及到复杂的数学和物理模型。

一种常见的解释是超对称性破缺由于超对称性破缺场的真空期望值非零导致的。

这些场的真空期望值会产生一种称为“费米子贡献”的效应，从而引起超对称性的破缺。

5. 超对称性破缺的实验方法实验上，可以通过高能粒子对撞机寻找超对称性粒子的迹象。

当高能粒子在对撞过程中产生超对称粒子时，超对称粒子会以一种特殊的方式衰变，其衰变产物与标准模型粒子的衰变方式不同。

因此，通过研究高能粒子对撞实验的结果，可以间接观测到超对称性破缺的迹象。

6. 超对称性破缺的理论应用超对称性破缺在理论物理中有广泛的应用。

例如，在理论物理学中，超对称性破缺可以用来解释弦理论中的超弦、暗物质的存在以及宇宙学中的暴涨等现象。

超对称性破缺还可以用于研究强作用理论中的强子产生过程以及对标准模型的修正。

时间的对称破缺10月7日，2008年诺贝尔物理学奖揭晓，美国和日本的三名科学家因为在“对称性破缺”研究中做出的贡献而获奖。

尽管“对称性破缺”听起来有点陌生，但“对称”却是人们所熟知的现象。

一片雪花具有对称的结构，而且从镜子里看去和在镜子外看上去并没有什么区别。

类似的现象在粒子物理学中叫做“镜像对称”。

此外还有两种对称，分别是“电荷对称”和“时间对称”，前者指的是粒子和反粒子虽然带电情况相反，性质却相同。

如果有一个小球在一个密闭的容器里弹来弹去，旁边有一个摄影师把它录下来，然后不管录像带是正着放还是倒着放，不告诉你的话你从画面上是区别不出来两种放法的，这就是“时间对称”。

当然，这个概念针对的是微观世界中粒子的性质。

质量起源问题当物理学家考察微观世界的时候，他们发现很多时候，这些对称性都是破缺的。

这有点出乎他们的意料。

1960年前后，南部阳一郎开始研究对称性破缺，并提出了亚原子物理中的对称性自发破缺。

他提出的这一机制可能会解答一个令人迷惑的问题：物质的质量从何而来？在粒子物理学的“标准模型”中，组成我们这个世界的所有的基本粒子以及自然界中四种基本力中的三种都被纳入了同一套理论，但标准模型无法回答物质的质量是从哪里来的。

而且，奇怪的是，为什么粒子与粒子之间的质量差别还会非常巨大？有的粒子很重，而光子却没有质量。

英国物理学家希格斯在南部阳一郎之后提出了一种解释，现在被寄予厚望。

瑞典皇家科学院在一份解释名为“揭示自然界隐藏的对称”的材料中打了一个形象的比方。

如果把一支铅笔笔尖朝下竖立在圆桌中心，那么，铅笔和圆桌沿铅笔的中轴在各个方向上都是对称的。

但这样状态的铅笔是不稳定的，它一旦倒下，这种对称性就丧失了。

不过，这样一来，这支铅笔的状态就稳定了——它没有办法再向哪里倒了，它已经达到了能量最低的状态。

在宇宙诞生的时刻，希格斯提出的理论中的“希格斯场”是完美对称的（就像那支竖立的铅笔），所有的粒子都没有质量。

但希格斯场是不稳定的，它在宇宙早期的时候失去能量了，这些能量被粒子们接收，哪种粒子接受到的能量多哪种粒子就重一些。