对称性及其破缺与2008年诺贝尔物理学奖

2008年10月7日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本年度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（Yoichiro Nambu）,以表彰他发现了亚原子物理中的对称性自发破缺机制;奖项的另一半由日本高能物理研究所（KEK）的小林诚（MakotoKobayashi）和京都大学的益川敏英（ToshihideMaskawa）分享,     

对称性、对称性破缺和相变

本文将扼要介绍物理学中对称性的分类及其特征,说明对称性破缺与一物理系统从无序到有序的相变过程间的关系,并讨论了对称性破缺出现的前提     

夸克与对称性自发破缺

用普通物理和原子物理的语言论述了对称性破缺机制和理论模型,介绍了2008年度诺贝尔物理学获奖者小林诚(Makoto Kobayashi)、益川敏英(Toshihide Maskawa)关于弱相互作用的理论模型(KM模型)和对称性破缺的起源,它是对电弱统一理论的完美补充;详细分析了在微观粒子世界系列实验中对称性自发破缺和夸克的发现.     

对称性,对称性破缺和相变

本文将扼要介绍物理学中对称性的分类及其特征，说明对称性破缺与一物理系统从无序到有序的相变过程间的关系，并讨论了对称性破缺出现的前提。     

一类三次方对称离散混沌系统的分岔控制

通过分析对称性破缺分岔机制, 采用了一个直接的、有效的线性控制器, 精确控制了一类三次方对称离散混沌系统发生对称性破缺分岔和倍周期分岔时分岔点的位置. 进而分析了系统对初始值的敏感性和对称性, 选择合适的吸引域, 将对称性破缺分岔进行进一步控制, 从而使得对称性破缺分岔所缺解枝得以恢复. 数值结果表明了该控制器的有效性. 关键词： 离散混沌系统 对称性破缺 倍周期 分岔控制     

SOS: 对称操作相似原理

凝聚态物理学往往为对称性所支配。自发对称性破缺将导致相变,而且许多可观测量或物 理现象都与破缺的对称性有关,如铁电极化、铁磁磁化、旋光性（包括法拉第旋转和磁光克尔旋 转）、二次谐波发生、光伏效应、非互易性、霍尔效应型输运以及多铁性。在这里,我们提出以 下观点：从对称性破缺的角度来看,当构成量（如自旋排列、晶格畸变,或处于外场以及其他环 境中等）或测量方式（如光学探测,或处于不同极性态中电子和其它粒子探测,或对体极化[磁 化] 等的测量）遵循对称操作相似(symmetry operational similarity, SOS) 原理时,我们便可以 观测到某些特定的物理现象。这种SOS原理提供了一种在复杂材料中用简洁而清晰的物理图像描 述非直观物理现象的途径。反之,也可以用于甄别具有潜在需求特性的新材料,或发现已知材料 中新的物理现象。     

中国科学家发现电荷-宇称-时间反演对称性破缺迹象

一个由中国科学院高能物理所和中国科学院国家天文台科研人员组成的研究小组，通过一种用宇宙微波背景辐射偏振检验CPT对称性的新方法。取得了重要成果：发现电荷-宇称-时间反演（CPT）对称性破缺迹象。     

含磁单极电动力学的电磁对偶对称性自发破缺问题

首先提出了一种认为磁单极的存在将导致电动力学电磁对偶对称性自发破缺的新观点,指出了和这种对称性自发破缺相关联的零质量标量粒子即Goldstone玻子存在的可能性.然后通过对含磁单极电动力学作用量描述困难的分析,提醒读者磁单极的存在给电动力学带来的复杂性和不对称.最后为非高能物理背景的读者提供了两类磁单极即经典场扩展位形类磁单极和点粒子磁单极的概念.     

受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡研究

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡. 首先根据氢键流体的吸附-脱附等温线及相应巨势获得不同条件下氢键流体的相图. 进一步讨论了氢键作用、狭缝间距、狭缝与流体分子间相互作用及对称性破缺程度等因素对氢键流体相平衡的影响. 结果表明, 由于狭缝与流体分子及流体分子间的相互作用存在竞争, 使得受限于对称性破缺条件下的氢键流体呈现更为复杂的相态特征.     

对称性与对称的破缺性

对称与对称破缺是自然界中普遍存在着的一种矛盾关系。对称是变化中的同一 ,反映不同物质形态在运动中的共性 ,破缺是变化中的差异 ,反映不同物质形态在运动中各自的特性。自然界的物质 (包括整个自然界在内 )处于对称→对称破缺→深一级对称→对称性又破缺……这样不断深化之中     

具有动力学破缺的模型在有限温度和密度下的手征相变

作为一种定性的指导,本文用近似方法考察了具有动力学破缺的模型的手征对称性恢复相变.建立了模型的自洽方程;给出了费米子的凝聚和质量以及系统的能量密度和比热对温度和密度的依赖关系.结果表明在零化学势和有限温度情况,手征相变是二级相变,而在有限温度和密度及零温有限密度情况,手征相变是一级相变且从破缺相到正常相的转变温度或密度不同于从正常相到破缺相的转变温度或密度.     

超弦低能模型对称性的破缺

本文通过单圈辐射修正的方法,讨论了一个具有规范对称群SU(3)_C×SU(2)_L×SU(2)_R×SU(1)²的超弦低能模型在中间质量M₁处对称性的破缺.在唯象讨论的基础上,我们解决了一般超弦低能模型中存在的中微子质量问题,同时给出了软破缺参数A、m和M初值的取值范围.     

粒子物理学家摘取2008年度诺贝尔物理学奖简介

2008年度诺贝尔物理学奖授予了三名"标准模型的建筑师".诺贝尔委员会将奖金的一半授予美国芝加哥大学的日裔物理学家南部阳一郎,以表彰他"在亚原子物理领域,发现自发性对称破缺的机制";另一半奖金则授予两名日本物理学家,KEK实验室(筑波高能加速器研究社)的小林诚和日本京都大学汤川理论物理研究院的益川敏英,奖励他们"发现对称破缺的原因,并据此预言在自然界中至少存在三族夸克".     

瞬态荧光方法研究溶剂诱导的三苯胺衍生物的对称性破缺电荷转移动力学

在缺乏特征红外振动的情况下追踪具有四极或八极对称性分子的激发态对称性破缺电荷转移通常是很困难的.本文以一种具有八极对称性的三苯胺衍生物为研究对象,利用飞秒时间分辨瞬态荧光光谱方法获得发光跃迁偶极矩的演化动力学,进而实时表征了其溶剂诱导对称性破缺电荷转移的动力学过程.当该分子处于弱极性甲苯溶液中时,在激发态弛豫过程中其发射偶极矩变化较小;当处于较强极性的四氢呋喃溶液中时,其发射偶极矩在数皮秒内快速减小.在对比单体偶极分子的荧光动力学后,推断八极分子的发光态在强极性溶剂中经历溶剂诱导的结构变化,由激子耦合的八极对称性降低至激发定域的偶极对称性;而在较弱极性的溶剂中,其八极对称性在溶剂化稳定中得以较大程度的保持.     

对称性自发破缺和希格斯机制

 众所周知,本世纪最辉煌的科学成就之一是弱电统一理论,然而历史上这一理论的重大突破有赖于对对称性自发破缺的研究,特别是希格斯机制的建立。     

均匀恒定磁场中带电狄拉克粒子的超对称性和本征能谱

基于狄拉克方程中γ矩阵有结构、可分解的观点, 把γ矩阵分解为自旋空间和正反粒子空间的算子的直积, 确定了均匀恒定磁场中带电狄拉克粒子的哈密顿量的动力学超对称性和可互易的完备的物理量算子集及其量子数集, 求得了用上述量子数完全集标志的该哈密顿量的解析的本征解,讨论了系统的哈密顿H的动力学超对称性中自旋对称性和正反粒子对称性破缺的不同情况,确定了自旋剩余超对称性导致的自旋简并子空间的超对称性变换群算子.     

原子核层次的手征对称性

对称性及其破缺是基本的科学问题。手征对称性在自然界中广泛存在,大至星系旋臂、行星自转,小到矿物晶体、有机分子、基本粒子,都与手征对称性密切相关。原子核层次的手征对称性概念于1997年提出,随后成为核物理研究的热点问题。目前,实验上已经在核素图上的80,100,130和190质量核区发现了30多例可能具有手征对称性的原子核。简要介绍原子核中的手征对称性概念;手性原子核的预言、识别以及实验验证;并通过展示手性原子核结构的多样性（M_χD）,回顾了理论和实验研究进展;介绍最新发现的原子核中手性和空间反射对称性的联立自发破缺,对未来手性原子核研究的前景进行了展望。Symmetry and its breaking are basic scientific problems. Chiral symmetries are common in nature, for example, the macroscopic spiral arms of galaxies and the rotation of planets; the microscopic spirals of the mineral crystalline, the organic molecules and the elementary particles. The concept of chirality in atomic nuclei was first proposed in 1997. Since then many efforts have been made to understand chiral symmetry and its spontaneous breaking in atomic nuclei. Up to now, more than 30 candidates of chiral nuclei have been reported in the 80, 100, 130, and 190 mass regions. The concept of the chirality in atomic nuclei, the prediction, the signal, and the experimental verification of the chiral nuclei are briefly introduced; the recent theoretical and experimental progress are reviewed, in particular the existence of multiple chiral doublets (M_χD), i.e., more than one pair of chiral doublet bands in one single nucleus; the simultaneous spontaneous breaking of chiral and reflection symmetry in the newly observed atomic nuclei is introduced, together with a prospect on the future study on nuclear chiral symmetry.     

融入凝聚态世界的时间晶体

<正>普通晶体破缺了空间平移对称性,而时间晶体则破缺了时间平移对称性。探索四维时空中晶体行为是一个崭新的研究方向,将会带来创新性的凝聚态器件和应用。在计算机芯片或是超导器件的内部,无数的电子在排列成晶格的离子间穿梭而过。这样的景象会不会在时间而不是空间中周而复始呢?传统的凝聚态器件或是电子元件会不会有四维时空中的新奇应用呢?麻省理工学院的诺贝尔物理学奖得主维尔切克(Frank Wilczek)在2012年题为《量子时间晶体》的开创性工作中提出了一个问题:时间平移对称性,也就是说不同时刻的     

二维正弦离散映射的分岔和吸引子

由一个正弦映射和一个三次方映射通过非线性耦合,构成一个新的二维正弦离散映射. 基于此二维正弦离散映射得到系统的不动点以及相应的特征值,分析了系统的稳定性,研究了系统的复杂非线性动力学行为及其吸引子的演变过程. 研究结果表明：此二维正弦离散映射中存在复杂的对称性破缺分岔、Hopf分岔、倍周期分岔和周期振荡快慢效应等非线性物理现象. 进一步根据控制变量变化时系统的分岔图、Lyapunov指数图和相轨迹图分析了系统的分岔模式共存、快慢周期振荡及其吸引子的演变过程,通过数值仿真验证了理论分析的正确性. 关键词： 正弦离散映射 对称性破缺分岔 Hopf分岔 吸引子     

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根据第二类气球模理论,在托卡马克中诸如不稳定漂移波类的环形局部模将在径向呈现源于环形性的对称性自发破缺。以流体离子温度梯度模模型方程为例,解出在准环坐标系中由对称性自发破缺产生的二维局部模本征模式。在略去边带效应后,它成为具有径向位移修正的平板模式。由位移修正离子温度梯度模式导出了种子平行雷诺胁强,而它在传统的(无位移修正的)平板模式下被证明为零。