前言：本站為你精心整理了對(duì)稱(chēng)性范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢(xún)。

2008年10月7日北京時(shí)間下午5點(diǎn)45分，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將本年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予美國(guó)芝加哥大學(xué)的南部陽(yáng)一郎（YoichiroNambu），以表彰他發(fā)現(xiàn)了亞原子物理中對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺的機(jī)制，獎(jiǎng)項(xiàng)的另一半由日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的小林誠(chéng)（MakotoKobayashi）和京都大學(xué)的益川敏英（ToshihideMaskawa）分享，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)性破缺的起源，并由此預(yù)言了自然界中至少有3個(gè)夸克家族存在.

人類(lèi)對(duì)對(duì)稱(chēng)性的興趣可以追朔到遠(yuǎn)古時(shí)期.從古希臘文明到現(xiàn)在的日常生活，從美麗的雪花、達(dá)•芬奇的油畫(huà)、各種漂亮的裝飾圖案、植物的花、葉，到令人驚嘆的建筑物如鳥(niǎo)巢、水立方等，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在感受著對(duì)稱(chēng)性帶來(lái)的美感.對(duì)稱(chēng)性是指如果一個(gè)操作或變換使系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變到另一個(gè)與之等價(jià)的狀態(tài)，或者說(shuō)系統(tǒng)的狀態(tài)在此操作或變換下不變，我們就說(shuō)該系統(tǒng)具有對(duì)稱(chēng)性.例如，一個(gè)呈現(xiàn)六角圖案的雪花，當(dāng)旋轉(zhuǎn)60o時(shí)，人們看到的形狀與旋轉(zhuǎn)前是完全一樣的，我們就說(shuō)該圖案具有6重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性；對(duì)正常的人體來(lái)說(shuō)，則具有明顯的鏡面反射對(duì)稱(chēng)性等.對(duì)稱(chēng)性描述的數(shù)學(xué)語(yǔ)言是19世紀(jì)由數(shù)學(xué)家建立起來(lái)的群論（grouptheory）.在20世紀(jì)，群論作為一個(gè)有力工具在物理學(xué)研究中得到了重要而廣泛的應(yīng)用，并由此導(dǎo)致了許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立，如狹義相對(duì)論，質(zhì)子、中子、正電子和其他一些基本粒子的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型，弱作用中的宇稱(chēng)不守恒等，這些成果均獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

現(xiàn)在知道，物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性意味著守恒律的出現(xiàn).當(dāng)系統(tǒng)由于某種原因失去了原有的對(duì)稱(chēng)性后，一定會(huì)進(jìn)入到另一個(gè)與以前完全不同的狀態(tài)，這就是對(duì)稱(chēng)性破缺的概念.例如，當(dāng)體重差不多的兩個(gè)小孩在玩蹺蹺板時(shí)，兩個(gè)小孩分坐兩端，在靜止?fàn)顟B(tài)下，蹺蹺板保持水平狀態(tài)，達(dá)到平衡；當(dāng)一個(gè)小孩離開(kāi)后，蹺蹺板失去平衡，有小孩的一端著地，另一端則必然上翹，使原來(lái)的水平狀態(tài)被打破，原有的對(duì)稱(chēng)性就發(fā)生了破缺.又比如，水是各向同性流動(dòng)的液體，水分子在水中沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)皆可，但當(dāng)溫度下降到零度以下時(shí)，水結(jié)成了冰，水分子在冰中按一定的擇優(yōu)方向排列，形成了冰的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)性降低，不再保持原來(lái)水中各向同性的對(duì)稱(chēng)性，即發(fā)生了對(duì)稱(chēng)性破缺.

對(duì)稱(chēng)性破缺是貫穿凝聚態(tài)物理始終的一個(gè)重要的基本概念.在凝聚態(tài)物理學(xué)中，對(duì)稱(chēng)性的破缺就意味著有序相的出現(xiàn).例如，水結(jié)成冰后，水分子在冰中的分布比在水中更有序.另一個(gè)典型的例子是鐵磁性材料，人們有時(shí)俗稱(chēng)為吸鐵石或磁石，在這類(lèi)材料中，由于磁性原子之間的交換作用，使之具有自發(fā)磁矩，對(duì)外呈現(xiàn)出磁性，稱(chēng)為磁有序；但當(dāng)溫度升高到一個(gè)臨界溫度（稱(chēng)之為居里溫度）以上時(shí)，磁性原子的磁矩在熱運(yùn)動(dòng)的作用下呈現(xiàn)出混亂的排布，導(dǎo)致鐵磁性材料失去磁性，這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為順磁性，在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí),其磁矩排布是一種無(wú)序狀態(tài).在順磁狀態(tài)下,磁矩分布雜亂無(wú)章，具有較高的對(duì)稱(chēng)性，在居里溫度以下時(shí)，磁矩朝某一個(gè)方向擇優(yōu)分布，出現(xiàn)磁有序，對(duì)稱(chēng)性隨之降低，原有的對(duì)稱(chēng)性發(fā)生破缺，出現(xiàn)了有序相，對(duì)外顯示出磁性.這種對(duì)稱(chēng)性的缺失無(wú)需外來(lái)的激勵(lì)，稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺（spontaneouslysymmetrybreaking），因此，鐵磁有序相的出現(xiàn)必然伴隨著對(duì)稱(chēng)性的自發(fā)破缺.凝聚態(tài)物理中另一類(lèi)重要的材料是超導(dǎo)體，即在某一臨界溫度以下，這類(lèi)材料處于超導(dǎo)態(tài)，會(huì)失去電阻，呈現(xiàn)零電阻特性，同時(shí)對(duì)磁場(chǎng)具有排斥作用.超導(dǎo)材料表現(xiàn)出的性質(zhì)稱(chēng)為超導(dǎo)電性.超導(dǎo)材料在電力傳輸、低溫制冷、磁懸浮運(yùn)輸、高能粒子加速器、儲(chǔ)能、精密測(cè)量、微波器件、邏輯元件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.目前銅氧化物高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)到160K左右，并已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了大量的實(shí)際應(yīng)用.超導(dǎo)態(tài)也是一個(gè)對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺的態(tài).1957年，美國(guó)3位物理學(xué)家JohnBardeen，LeonCooper和RobertSchrieffer對(duì)超導(dǎo)電性的起源給出了令人信服的解釋?zhuān)F(xiàn)在被稱(chēng)之為BCS超導(dǎo)電性理論，并于1972年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).該理論指出，兩個(gè)具有相反動(dòng)量和相反自旋的電子通過(guò)與晶格振動(dòng)相互作用可以結(jié)成電子對(duì)，稱(chēng)為Cooper對(duì)，超導(dǎo)電性來(lái)源于這些電子對(duì)在動(dòng)量空間中的凝聚，超導(dǎo)態(tài)是Cooper對(duì)的凝聚態(tài).由于Cooper對(duì)破壞了原來(lái)電子-聲子系統(tǒng)滿(mǎn)足的U(1)規(guī)范對(duì)稱(chēng)性，因此，超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)U(1)規(guī)范對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺的態(tài)，在其激發(fā)譜中有一個(gè)能隙.BCS理論在基本粒子物理、核物理、宇宙學(xué)等學(xué)科中有重要的應(yīng)用.

BCS理論出現(xiàn)以后，Nambu想要去理解超導(dǎo)態(tài)中的規(guī)范對(duì)稱(chēng)性是如何破缺的，探討其中是否還蘊(yùn)藏更深層次的道理.結(jié)果他花了大約兩年的時(shí)間，利用量子場(chǎng)論的框架，推導(dǎo)出了BCS理論的結(jié)論.通過(guò)考慮對(duì)頂角的輻射修正，他發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)中的規(guī)范不變性仍然存在，表征規(guī)范不變性的Ward恒等式可以建立，只是以非線性的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).這樣，超導(dǎo)態(tài)中的所有計(jì)算都可以在規(guī)范不變下進(jìn)行，從而發(fā)現(xiàn)了在場(chǎng)論表述下的對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺.Nambu在對(duì)BCS理論的處理中，發(fā)現(xiàn)存在著一個(gè)具有零能量和動(dòng)量的態(tài)，稱(chēng)為無(wú)質(zhì)量的聲子，當(dāng)把庫(kù)侖場(chǎng)考慮進(jìn)去以后，這些無(wú)質(zhì)量的聲子就變成了有質(zhì)量的等離激元.

1960年，Nambu提出在基本粒子的量子場(chǎng)論中也存在著對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺，通過(guò)引入某種未知場(chǎng)的真空期望值，與超導(dǎo)態(tài)相類(lèi)比，建立了強(qiáng)相互作用理論.在假定手征對(duì)稱(chēng)性具有很小的明顯破缺時(shí)，發(fā)現(xiàn)π介子有一個(gè)小的質(zhì)量，比其他尺度小得多，并推導(dǎo)出了表征軸矢量、π介子衰變常數(shù)以及π介子與核子間耦合的GT關(guān)系，計(jì)算出了π介子與核子間的散射截面，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)符合.π介子是一個(gè)復(fù)合粒子，當(dāng)對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有明顯的破缺時(shí)，該復(fù)合粒子就變成了無(wú)質(zhì)量的.J.Goldstone利用標(biāo)量場(chǎng)做了類(lèi)似的計(jì)算，得到了真空期望值，發(fā)現(xiàn)能譜中也有一個(gè)無(wú)質(zhì)量的粒子，現(xiàn)在被稱(chēng)作Nambu-Goldstone玻色子.在基本粒子理論中，手征對(duì)稱(chēng)性是整體對(duì)稱(chēng)的，而整體對(duì)稱(chēng)性的破缺會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)質(zhì)量的粒子；在超導(dǎo)電性理論中，對(duì)稱(chēng)性是規(guī)范不變的，這會(huì)導(dǎo)致有質(zhì)量的態(tài)出現(xiàn).1964年，F(xiàn).Englert，R.Brout,以及P.W.Higgs分別提出了相對(duì)論規(guī)范理論，他們發(fā)現(xiàn)自發(fā)破缺的規(guī)范對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)無(wú)質(zhì)量的粒子，而是給出了一個(gè)有質(zhì)量的標(biāo)量態(tài)，現(xiàn)在被稱(chēng)為Higgs玻色子，它是迄今為止在實(shí)驗(yàn)上尚未觀測(cè)到的唯一的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子.2008年9月10日，在歐洲核子中心開(kāi)始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），有希望提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)Higgs粒子存在與否（LHC運(yùn)行9天后，由于連接加速器中兩個(gè)磁體間的電路出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)械故障，引起液氦泄露，現(xiàn)在正在搶修，預(yù)計(jì)2009年能重新運(yùn)行）.隨后，Nambu及其合作者提出了強(qiáng)相互作用的基本理論應(yīng)該是基于SU(3)規(guī)范群的非阿貝爾規(guī)范理論.非阿貝爾規(guī)范理論是由楊振寧和RobertMills于1954年首先提出的,現(xiàn)在被稱(chēng)為Yang-Mills理論，已經(jīng)成為人們統(tǒng)一自然界電磁、弱、強(qiáng)和引力四種相互作用中前三種作用的數(shù)學(xué)基礎(chǔ).2000年，美國(guó)Clay數(shù)學(xué)研究所懸賞100萬(wàn)美元獎(jiǎng)金征集四維時(shí)空中量子Yang-Mills方程的解，時(shí)值今日該問(wèn)題尚未破解.Gerhard’tHooft和MartinusVeltman證明了即使規(guī)范對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺，非阿貝爾規(guī)范理論也是可重整化的.楊振寧和Nambu等人的工作引發(fā)了一系列有關(guān)非阿貝爾規(guī)范理論的后續(xù)的重大發(fā)現(xiàn)，如電弱理論、漸進(jìn)自由、量子色動(dòng)力學(xué)、夸克混合等.