自发的对称性破缺

对称破缺的系统学诠释武杰、李润珍引言19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂，会上德高望重的开尔文勋爵致新年贺辞。

他在回顾物理学的发展时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。

”而在展望20世纪物理学前景时，他若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦－玻尔兹曼理论上。

”[1]出乎意料的是，这两朵乌云不久就酿成了两场风暴，掀起了20世纪物理学上的两次革命。

同样，在20世纪和21世纪之交，李政道教授在《展望21世纪科学发展前景》时也提出了两个疑问：“第一，目前我们的物理理论都是对称的，而实验表明有些对称性在弱作用过程中被破坏了；另外一个疑问是一半的基本粒子是永远独立不出来的。

”[2]他还认为，20世纪的文明是微观的，21世纪微观和宏观应该结合成一体。

这也就是说，20世纪自然科学的迅猛发展，一方面使对称性思想愈发彰显自身的光彩和魅力，由此展现了理论创新的威力，解释了原子构造、分子构造、核能、激光、半导体、超导体、X光、超级计算机等等；另一方面，大量的经验事实和理论探索一再展示对称破缺的重大意义。

事实上，每一次对称破缺都有新质的突现，都在创造一个更加丰富多彩的现象世界。

因此，我们将它概括为自然界演化发展的一条基本原理。

[3]在这样的背景下，我们应该从系统科学的视角出发，立足于关系，就有可能看到整体中的区分，以达到对现存事物的理解、说明和解释。

当代著名物理学家盖尔曼也曾指出：“今天……我们必须对整个系统进行研究，即使这种研究很粗糙也是必要的，因为对复杂的非线性系统的各个部分不作紧密联系的研究，我们对整体行为就不会有正确的思想。

”[4]有鉴于此，我们试图对对称破缺这一自然界演化发展的基本原理进行一次系统学的解读。

一非线性是对称破缺的动力源泉20世纪40年代以来，科学上的转向是难以与文化和社会变迁截然分开的，它一再向人们表明这样一个事实：每一种重要科学分支的前缘正在大大地扩展着。

书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
破缺的对称性(一)
2008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（YoichiroNambu），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（MakotoKobayashi）和京都大学的益川敏英（ToshihideMaskawa）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（grouptheory）.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
专注下一代成长，为了孩子。

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。

铁电体自发极化的原理 铁电体自发极化是一种特殊的电性现象，它是指在某些晶体中，由于晶体结构的对称性破缺，导致晶体内部存在一个固定的电偏振方向。这种电偏振方向是由晶体内部的自发极化电荷所产生的，因此被称为自发极化。

铁电体自发极化的原理可以从晶体结构的角度来解释。铁电体是一

种具有极性的晶体，它的晶体结构中存在着一个称为极化矢量的物理量。极化矢量是一个向量，它的方向表示晶体内部的电偏振方向，而它的大小则表示晶体内部的电荷密度。

在铁电体中，极化矢量的方向是可以通过外加电场来改变的。当外

加电场的方向与极化矢量的方向相同时，电场会加速极化矢量的运动，使得极化矢量的大小增加。反之，当外加电场的方向与极化矢量的方向相反时，电场会减缓极化矢量的运动，使得极化矢量的大小减小。

当外加电场的大小为零时，铁电体内部的极化矢量仍然存在，并且

保持着一个固定的方向。这是因为铁电体的晶体结构具有一定的对称性破缺，使得极化矢量的方向不能自发地改变。因此，铁电体的自发极化是一种固有的电性现象，它不需要外界的电场来维持。

铁电体自发极化的应用非常广泛，例如在电容器、传感器、存储器

等电子器件中都有着重要的应用。此外，铁电体自发极化还可以用于制备一些新型的电子材料，例如铁电薄膜、铁电纳米线等。这些材料具有很高的电介质常数、极化电荷密度和电阻率等特性，因此在微电子学、光电子学等领域有着广泛的应用前景。

铁电体自发极化是一种重要的电性现象，它是由晶体结构的对称性

破缺所导致的。铁电体自发极化不仅具有理论意义，而且在电子器件和新型电子材料的制备中也有着广泛的应用前景。

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。

物理学中的序参量序参量是物理学中的一个重要概念，它在许多领域都有着广泛的应用，涉及到超导、磁性、液晶、量子霍尔效应等许多现象。

具体来说，序参量是指描述系统自发对称性破缺的物理量，例如磁化强度、相角、自旋等。

它不仅在物理学中起着重要的作用，也在材料科学、纳米科技等领域中有非常广泛的应用。

序参量的概念最初是由著名物理学家里奥·兰道提出的。

他指出，距离绝对零度，物质的基态是具有最高对称性的状态。

如果温度升高，原子或分子的运动就会造成对称性的破缺，形成一些新的有序结构，这些结构被称为序。

此时，系统可以用序参量来描述自身的对称性破缺情况。

在物理学中，序参量通常是一个复数，它表示量子态的复杂相互作用，也可以用来描述关联态之间的转化。

例如，在超导领域中，序参量可以用来描述超导态的形成，这是一种完全由电子间相互作用导致的现象。

在这种状态下，电子组成了一种特殊的集体行为，它们的运动可以被看做是一种相干的整体运动，而序参量则描述了这种相干运动的特征。

类似地，在磁性、液晶等领域中，序参量也可以用来描述物质中自旋或分子的有序排列。

序参量的研究对于物理学和材料科学的发展具有极其重要的意义。

它不仅可以帮助我们深入理解许多自旋相互作用、电子动力学、磁性、液晶等现象的本质，还有助于我们设计新的材料和开发新的技术。

例如，通过控制序参量的变化，我们可以制备出一些具有特殊电子性质的材料，从而产生一些新的物理现象。

同时，序参量的研究也有助于我们在纳米尺度上控制物质的自组装过程，从而为纳米科技的发展带来新的机遇。

总之，序参量是物理学中一个非常重要且广泛应用的概念。

它可以用来描述自身对称性的破缺，探究量子态的复杂相互作用和关联态之间的转化。

序参量的研究有助于我们深入理解许多重要的物理现象，促进材料科学和纳米科技等领域的发展。

未来，序参量的研究将会有更加广泛的应用，并将继续推动我们对自然界的认识和探索。