CP破缺研究方法

1. 費米實驗室的研究成果

費米實驗室精確測定物質與反物質轉換速率
設在費米實驗室的國際CDF（Collider Detector at Fermilab）合作組織對物質反物質之間的超快轉換進行了最精確的測量。實驗發現某些B介子可以自發地轉變成為反B介子然後再變回B介子，轉變速度為三萬億次每秒。這一結果與粒子物理標准模型相吻合，並再次證明電荷宇稱破缺的存在，而CP破缺被認為是宇宙中物質比反物質多的原因。
宇宙學家們相信，在大爆炸最初產生的物質與反物質等量。但是如果物質與反物質精確對等，則在它們湮滅之後就只能剩下光子。事實並非如此，在這個宇宙中物質比反物質要多得多。物質統治下的宇宙的客觀存在說明，物質與反物質在大爆炸之後經歷了不同的演化過程。在粒子物理標准模型中有一個過程叫做電荷宇稱破缺（CP violation）,它是造成物質、反物質命運炯異的原因。CP破缺意味著，當物理定律用之於三維反轉和反物質粒子時要有所變化。
CP破缺可以用不同的方法來證明。在1964年中性發現中性K介子的過程中間接地證明了CP破缺。2001年斯坦福BaBar研究組和Belle研究組各自獨立地在實驗中發現了B介子的這一過程。而BaBar小組更是在2004年發現B介子與反B介子衰變的差異而「直接」證明了CP破缺。
B介子是一種由正反物質共同構成的短命粒子，它由一個誇克和一個反誇克組成。CDF的物理學家們研究物質-反物質轉化的對象是Bs介子，它是由一個底誇克和一個反奇異誇克組成的。2001年在費米實驗室萬億電子伏質子反質子對撞機上啟動了這項稱為「Tevatron Run II」的實驗項目。雖然正負質子對撞機比KEK和SLAC的設備產生的強子數要多得多，但是籍此觀察B介子衰變依然是一項非常艱難的工作。

2. 對稱性破缺的舉例

下面列舉幾個對稱性自發破缺的事例： 實驗已經證明，強作用下宇稱守恆。這是與微觀粒子的鏡象對稱性相聯系的守恆定律。1956年前後，在對最輕的奇異粒子衰變過程的研究中遇到了「t ~ q 疑難」。實驗中發現的t 和q 粒子，它們質量相等，電荷相同，壽命也一樣。但它們衰變的產物卻不相同：實驗結果的分析表明，3個p 介子的總角動量為零，宇稱為負。而2個p 介子的總角動量如為零，則宇稱只能是正。因此，從質量、壽命和電荷來看， q 和t 似乎是同一種粒子。但從衰變行為來看，如果宇稱是守恆量，則q 和t 就不可能是同一種粒子。
1956年，李政道和楊振寧解決了這個難題。他們提出弱相互作用過程中宇稱不守恆的設想，吳健雄的鈷60原子核b 蛻變實驗驗證了這個設想。1957年，吳健雄在10-2 K下做原子核b 衰變實驗，用核磁共振技術使核自旋按確定方向排列，觀察b 衰變後的電子數分布，發現無鏡像對稱性 —— 證明了弱作用的宇稱不守恆性。
1957年李政道和楊振寧獲諾貝爾物理獎。
1900年法國學者貝納爾 (H.Benard)發現：從下面均勻加熱水平容器中薄層液體時,若上下溫差超過一臨界值, 液體中突現類似蜂房的六邊形網格, 液體的傳熱方式由熱傳導過渡到了對流，每個六角形中心的液體向上流動，邊界處液體向下流動。這是對流與抑止因素(黏性和熱擴散)競爭的結果。
大多數動物在外觀上都具有左右對稱性，但體內的器官就不那麼對稱了。如果深入到分子層次，就會發現一種普遍存在於生物界的更深刻的左右不對稱性。1844年德國化學家E.E.Mitscherlich發現，酒石酸鈉銨和葡萄酸鈉銨的結晶具有相同的晶形，一樣的化學性質，但溶液的旋光性不同。前者使偏振面右旋，後者無旋光性。1847年法國Louis Pasteur發現了葡萄酸鈉銨中有互為鏡象對稱的兩種旋光異構物，其結構如圖所示。對此現象解釋的信念是：光活性有與生命過程相聯系的起源。
現代生物化學指出：有機化合物的旋光異構現象與有機分子中碳原子四個鍵的空間構形有關。用L(livo)和D(dextro)分別表示左、右型旋光異構體，(+)、(-)代表該物質的溶液的旋光方向，（-）表示左旋，（+）代表右旋。碳四面體的左右兩種構型、甘油醛中四個基團L、D兩種構型以及丙氨酸的旋光異構體簡要圖示如左圖，它明顯地反映出了其結構的左右不對稱性。生命的基本物質是生物大分子，它包括蛋白質、核酸、多糖和脂類。其中蛋白質是生命功能的執行者，其分子是右氨基酸組成的長鏈。每種氨基酸都應有L、D兩種旋光異構體。但實驗證明組成生物蛋白質的20種氨基酸都是L型的，D型氨基酸只存在於細菌細胞壁和其它細菌產物中。核酸是遺傳信息的攜帶者和傳遞者，分為核糖核酸(RNA)和脫氧核酸(DNA)兩種。右下圖是DNA分子雙螺旋結構模型，通常是右旋的。這正是生物大分子的手性特徵。生物體內化合物的這種左右不對稱性正是生命力的體現。維持這種左右不平衡狀態的是生物體內的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化學反應也就停止了。由此可見，生命與分子的不對稱性息息相關。問題是地球上生命發源之初，左右對稱性的破缺是怎樣開始的？即分子手性的起源是什麼？生物的起源是什麼？這些都是有待人們去研究的謎。
總之，時空、不同種類的粒子、不同種類的相互作用、整個復雜紛紜的自然界，包括人類自身，都是對稱性自發破缺的產物。對稱性破缺的機制是什麼？實在現象中的對稱性破缺與基本物理規律的對稱性是否相容？不同層次的非對稱性間如何關聯？這些都是現代物理尚未解決的重要課題。 宇宙廣大區域的真空中運行著光速的光子、中微子，超光速的引力子、反引力子，用E1=ma2方程計算，真空中蘊藏著的能量是很大的，而且不同區域的真空蘊藏的能量差異極大，如黑洞奇點的真空區和宇宙奇點的真空區與宇宙廣大區域的真空相比較。
宇宙真空充滿了引力子和反引力子，而且由於純引力的黑洞存在，宇宙總體上已出現了引力子和反引力子的不對稱，即引力子總量多於反引力子。對稱性破缺的本質來自於宇宙真空的不對稱性產生真空對稱性自發破缺機制。
如果系統受到一個小擾動破壞了它的對稱性，我們說它的對稱性破缺，比如，原子中的這樣一個擾動可以由電場引起，由於擾動的作用，原子將不再停留在它原先的定態上，而從一個能級躍遷到另一個能級，並發射或吸收一個可見光光子。對稱性破缺同樣出現在粒子中，這時的干擾因素就是宇宙中無所不在的引力子和反引力子。之所以出現「宇稱不守恆」，是因有些粒子在真空中的引力子、反引力子的干擾下，必然會出現上述現象，而且較易出現在有弱核力參與的粒子轉化過程中，因為這種力較弱，即反引力場較弱，較易受到外界的引力子或反引力子的干擾。 在宇宙中，上下級物質特別容易產生干擾，形成對稱性破缺，粒子級物質較易對原子形成干擾，因為前者是後者的結構材料，同理，引力子級物質較易對粒子形成干擾，形成對稱性破缺。而引力子級物質對原子、分子、生物體較難在短期內形成可察覺的干擾，因為它們存在巨大的質量差異，這種干擾只能漸進式的，一種從「量變到質變」的緩慢過程，引力子級物質最先影響粒子級物質，通過它逐漸對原子形成影響。
粒子世界的「不確定」、「測不準」就是因為粒子質量太小，而宇宙真空中的引力子、反引力子密度比光子、中微子等粒子高出很多倍，引力場使得宏觀宇宙的時空都發生彎曲，粒子在無數引力子和反引力子的碰撞干擾下，出現「不確定」、「測不準」是必然的。
正是真空的這種特性，造成「宇稱不守恆、CP破壞及時間（T）反演不變性的破壞、規范對稱性的自發破缺」等一系列對稱性丟失。而且宇宙必須存在對稱中的不對稱，完全對稱的宇宙將會凝結，如果正奇子與反奇子在對抗與協同中完全對稱，將不可能形成引力子與反引力子，如果正、反誇克組合出完全對稱的正、反質子，正、反中子，今日的宇宙將只剩下微波輻射。

3. 對稱破缺的科學家的觀點

今年的物理學獎背景介紹即以《對稱破缺》為題，充滿歷史感的陳述長達20頁。
對稱的觀念古已有之，它影響了人類早期的音樂、美術等各種藝術形態，進入19世紀，對稱開始對科學界產生重要影響，成為晶體學、分子學、化學、物理學等現代科學的中心觀念。
在經典物理學中，各種形式的對稱定律已經確認和應用，然而直到量子力學出現，對稱原理才擔任起一個本質性的角色。
物理學定律此前一直顯示出左右之間完全對稱，這種對稱可以形成為一種守恆定律，稱之為宇稱(P)守恆，1954年出現的θ-τ難題卻導致了宇稱不守恆定律的提出，楊振寧和李政道因此項工作共同獲得了1957年諾貝爾物理獎。
解決宇稱不守恆的辦法一度是引進電荷C，得到CP守恆，而芝加哥大學的克羅寧(JamesCronin)和普林斯頓大學的菲奇(ValLFitch)，卻於1964年在中性K-介子衰變中發現CP破壞，他們也因此獲得了1980年諾貝爾物理獎。 很本分、很深刻的一位物理學家
南部陽一郎出身東京大學物理系，師承1965年諾貝爾物理獎得主朝永振一郎，二戰後不久赴美，1956年開始任教於芝加哥大學。2008年10月7日物理獎宣布後不久，芝大的網站即迅速更新了頭條，慶賀他們又多了一位諾獎獲得者。 據中科院理論物理所研究員李淼介紹，這個獎項歸屬可謂不出意料。他早在博客上寫道，南部得獎的可能性很大。
約十年前，李淼在芝大費米研究所(EFI)工作時期就認識南部教授，「辦公室離得很近，也一起討論過物理，特別是所謂的『南部括弧』，之後與合作者就這個問題寫過一篇論文」。印象中，這位老人是「很本分、很深刻的一位物理學家 」，雖說那時已經退休，但每隔一天去辦公室，參加幾乎所有理論組的學術報告。 上世紀50年代末超導研究正酣，庫柏等人提出超導體中有庫柏電子對，南部則想到用場論來解釋超導體的對稱性自發破缺，1960年更是創造性地把這條原理應用到量子力學，這是一個非常漂亮的舉措，對自發性對稱破缺的深入研究帶來了希格斯機制：在標准模型中，所有基本粒子的質量都來源於電弱統一理論中的規范對稱性自發破缺，此即標准模型對質量起源問題的直接回答。
倘若9月10日開機的LHC(很不幸它啟動一個星期就開始了大修)能於不久的將來撞出希格斯粒子的話，就可以對此進行一番驗證了。 克羅寧對南部評價如下：他總是走在同時代的前面，他的發現被認為是別人需要用更久的時間才能發現的。
這一評價對於其他兩位獲獎者同樣適用。64歲的小林誠是日本高能源加速器研究機構(KEK)的名譽教授，68 歲的益川敏英是京都大學名譽教授，擔任過湯川理論物理研究所(YITP)所長。他們獲獎的理由是「發現對稱破缺的起源，預測自然界存在第三族誇克」。
「小林-益川理論」對宇宙中只見正物質不見反物質的解釋是，誇克的反應衰變速率不同，並在30多年前就作出過宇宙中存在6種誇克的預言，而當時被發現的誇克只不過3種而已。之後同行根據他們的預言不斷努力，1974年粲誇克被發現，1977年底誇克被發現，1995年頂誇克也終在費米實驗室的Tevatron加速器上被找到了……這些實驗成果毫無疑問說明了兩人是多麼有洞察力。

4. 對稱破缺——美妙思想來自凝聚態物理 | 量子群英傳

圖26-1：凝聚態大師朗道和安德森

撰文 | 張天蓉

責編 | 寧 茜

巴丁 （John Bardeen，1908 – 1991） 所獲的兩次諾獎都與凝聚態研究有關。凝聚態以量子理論為基礎，在量子場論建立之後，理論物理朝兩個不同的方向發展：粒子物理 （particle physics） 和凝聚態物理 （condensed matter physics） 。公眾的眼光大多數投向傳統的、以還原論思想為指導的高能粒子物理，以為那才是物理的正統方向。

然而實際上，當今的物理學家中，很大一部分是在做凝聚態物理的相關研究，包括理論和實驗兩個方面。凝聚態物理的理論部分，與粒子物理理論有許多相通之處。近百年來從固體到凝聚態的研究，在實用上促進了信息技術蓬勃發展，帶給人們一次又一次的驚喜，典型範例是上一篇中介紹的晶體管和超導。凝聚態物理在理論上獨樹一幟：凝聚態研究遵循的層展論，對科學思想、科學哲學等方面作出了重大貢獻；凝聚態有關對稱破缺的思想，被用於粒子物理中獲取質量的希格斯機制----這也是我們下一篇將介紹的內容。

朗道的相變理論

前蘇聯知名物理學家列夫·朗道 （Lev Landau，1908-1968） 是物理界的一位大師級人物，在理論物理多個領域中都有重大貢獻。在中國學術界的心目中，朗道和費曼一樣，是一位「學術卓著、特立獨行」的傳奇性人物。費曼因他的數本自傳式讀物而廣為人知，朗道則以其一系列大厚本的經典物理教材而享譽學界。有關朗道的故事，如此一篇文章是寫不完道不盡的，請見參考資料 [1] 。

圖26-2：年輕的朗道與玻爾、海森堡、泡利、伽莫夫等在一起

朗道的費米液體 （Fermi Liquid） 及相變 （Phase Transition） 等理論，奠定了整個凝聚態物理的基礎。費米液體理論，讓我們可以在處理多粒子的凝聚態物理中繼續使用單粒子圖像。此外，朗道提出的相變理論與對稱性破缺理論相關，讓我們能夠用序參量來描述凝聚態系統的宏觀態，使用對稱性來給不同物相進行分類。一般的物質有固、液、氣三態，這是初中物理告訴我們的知識。後來，現代物理的研究結果，將「物質三態」的概念擴大——有了等離子態、波色-愛因斯坦凝聚態、液晶態等等，見圖26-3。再後來，又擴展細分到物質的許多種不同的「相」。物質相之間的互相轉換被稱之為「相變」。

圖26-3：相變圖（包括液晶和等離子體）

固、液、氣三相的變化，相應地伴隨著體積的變化和熱量的釋放 （或吸收） 。這一類轉換叫做「一級相變」，它們的數學意義是說：在相變發生點，熱力學中的參量 （比如化學勢） 不變化，而它的一階導數 （體積等） 有變化。後來，實驗中不斷觀察到的物質相及相變的數目多了，一級相變的概念便被擴展到「二級」、「三級」……N級相變，分別用熱力學量的N階導數來區分。

這些N級相變，被統稱為「連續相變」。朗道對連續相變建立數學模型，提供了一個統一的描述 [2] 。他認為連續相變的特徵是物質的有序程度的改變，可以用序參數的變化來描述。或者更進一步，可以看成是物質結構對稱性的改變。

根據物質的對稱性及其破缺的方式來研究相和相變的方法被稱為「朗道範式」。也可以說由此方式才催生了凝聚態物理 [3] 。物理學家們越來越認識到，分別單獨地研究固體或液體，都遠遠滿足不了實際情況的需要。特別是摻和了低溫物理之後，固體物理的研究轉向了對大量粒子構成的各種體系的研究。這些系統中的粒子具有很強的相互作用，在各種物理條件下，不僅僅表現為固態、液態、液晶態、等離子態，還有超流態、超導態、波色子凝聚態、費米子凝聚態……對這些千姿百態以及它們互相轉換的研究，便構成了凝聚態物理。

安德森挑戰還原論

研究凝聚態物理並做出開創性奠基的另一位大師，是美國物理學家菲利普·安德森 （Philip Anderson，1923-2020） 。

今年春天，安德森以97歲高齡不幸辭世，他在對稱性破缺、高溫超導等諸多領域都做出了重大貢獻。當他在新澤西的貝爾實驗室工作時，首先提出凝聚態中的局域態、擴展態的概念和理論，為此他和另一位美國物理學家約翰·范扶累克 （John Hasbrouck van Vleck，1899-1980） 及英國物理學家內維爾·莫特 （Sir Nevill Francis Mott，1905-1996） ，分享了1977年的諾貝爾物理學獎。

除了對物理本身的傑出貢獻之外，1972年，安德森在《科學》雜志上發表的著名的「More is different」 （《多則異》） 的論文 [4] ，針對一切歸於最簡單粒子的還原論 （Rectionism） ，提出各種不同物質層次形成不同分支的層展論 （Emergence） ，被認為是凝聚態物理的獨立宣言，帶給了整個科學界另一個認識這個世界的視角，表達了安德森對人類傳統科學方法的挑戰和超越。

傳統的科研方法以還原論為主，古希臘的科學就是從「追本溯源」，即「還原」開始的。所謂還原論，就是認為復雜系統可以化解為各部分的組合，並且，復雜體系的行為可以用其部分的行為來加以理解和描述。例如，物質由分子組成，分子由原子組成，原子又由更深一層的基本粒子組成，依次遞推，構成了物質結構中越來越小的層次。還原論的方法便是逐層級地回答問題，期待深一層的結構能解釋上一個層次所表現的性質。如此下去，科學演化的路線似乎歸結為一條還原的路線，最後追溯到一個「終極問題」。

然而，安德森提出不同的觀點。他認為「多則異」，還原並不能重構宇宙，部分行為不能完全解釋整體行為。高層次物質的規律不一定是低層次規律的應用，並不是只有底層基本規律是基本的，每個層次皆要求全新的基本概念的構架，都有那一個層次的基礎原理。也就是說，安德森教給我們不同於還原論的另一種認識這個世界的視角，即「層展論」 （或稱整體論） 的觀點。層展論既不屬於還原論，也不反對還原論，而是與還原論互補，構成更為完整的科學方法。

安德森在他的《多則異》的文章中，以凝聚態中的對稱破缺為例，說明層展論。

相變——對稱和對稱破缺

對稱性的概念不難理解，在自然界及人工的建築、藝術等領域，幾何對稱現象隨處可見。固體中的晶格是一種空間狀態重復的幾何對稱結構。如果將整個晶體移動一個晶格常數a，結果仍然是原來的系統。換言之，晶格結構具有在空間平移a的變換下系統保持不變的對稱性。所以，對稱的意思就是系統在某種變換下保持狀態不變。除了空間平移變換之外，還有空間旋轉、空間反演等等其它種類的變換。除了在三維空間的各種變換之外，還有對於時間的平移或反演變換，以及其它抽象的或內稟性質的變換。各種變換對應於各種不同的對稱性。

物理學中有一個諾特定理 （Noether's theorem） ，由德國女數學家埃米·諾特 （Emmy Noether，1882-1935） 發現，它將物理中的守恆定律與對稱性聯系在一起 [5] 。例如，能量守恆定律對應時間對稱性；動量守恆對應空間平移對稱；角動量守恆對應旋轉對稱性等等。我們在此不予詳述，可見參考資料 [6] 。

大千世界不僅有對稱，也有不對稱。觀察我們周圍的世界：人的左臉並不完全等同於右臉，大多數人的心臟長在左邊，大多數的DNA分子是右旋的，地球並不是一個完全規則的球形……正是因為對稱中有了這些不對稱的元素，對稱與不對稱的和諧交匯，才創造了我們豐富多彩的世界。

即便是對稱的情況，也有各種等級的高低之分。比如說，一個正三角形，和一個等腰三角形比較，正三角形應該更為對稱一些；球面比橢球面具有更多的對稱性。此外，物體狀態的對稱性也會變化，從低到高，或者從高到低。

圖26-4：相變和對稱破缺

朗道將凝聚態物理中的相變與物質結構中對稱性的變化聯系在一起。他把從高對稱到低的對稱過程叫做「對稱破缺」。相應的，反過來的相變則意味著「對稱恢復」。然而，如何判斷對稱性的「高低」呢？特別需要提醒的是：有時候我們會將「對稱性」與「有序性」等同起來，但事實上這兩個概念的「高低」程度正好相反。越有序的結構，對稱性反而越低。以下舉個簡單例子來說明。

圖26-4上方所示的是「固態 液晶 液態」過程中物質分子結構的變化。這三者的對稱性，到底孰高孰低呢？

固態中水分子有次序地排列起來，形成整齊漂亮的格子或圖案 （晶格） ；在液晶中，三維晶格被破環了，成為一維晶體。之後，隨著溫度繼續升高，一維的有序結構也被破壞而成為無序的液體：液態中的水分子做著隨機而無規則的布朗運動 （Brownian Motion） ——沒有固定的方向，沒有固定的位置，處於完全無序的狀態，在任何方向、任何點看起來都是一樣的。而這正是我們所謂的對稱性最「高」的狀態，也就是說，液態的對稱性很高，卻無序。液晶和固態，相較液態而言，有序程度逐漸增加，對稱性卻逐步降低。

用數學的語言來描述的話，液態時，如果將空間坐標作任何平移變換，系統的性質都不會改變，表明對空間的高度對稱。而當水結成冰之後，系統只在沿著某些空間方向，平移晶格常數a的整數倍的時候，才能保持不變。所以，物質從液態到固態，對稱性降低，也就是破缺了，從連續的平移對稱性減少成了離散的平移對稱性。或叫做：固態破缺了液態的連續平移對稱性，即晶體是液體的任意平移對稱性破缺的產物。相比於液體，晶體的粒子密度出現了空間上的周期調制，因而更加有序，而從無到有的周期調制的變化，便可以表徵物質從液體結晶為固體時的相變。

對稱破缺 （Symmetry Breaking） 分為兩大類：明顯對稱性破缺 （Explicit Symmetry Breaking） 和自發對稱性破缺 （Spontaneous Symmetry Breaking） 。第一類「對稱破缺」的原因是自然規律決定的，是因為某些物理系統本身就不具有某些物理規律對應的對稱性，這類對稱破缺的著名例子是李政道與楊振寧發現的「弱相互作用中宇稱不守恆」 （CP violation） 。

第二類「自發對稱破缺」是物理學家更感興趣的。這種情況下，物理系統仍然遵循某種對稱性，但物理系統更低的能量態 （包括真空態） 卻不具有此種對稱性。這種對稱破缺的著名例子包括我們在上一篇中介紹的超導物理中的BCS理論，以及下一篇將介紹的基本粒子標准模型中的希格斯機制 （Higgs Mechanism） 。

自發對稱破缺

將「自發對稱破缺」再表達得更清楚一些，就是說物理規律具有某種對稱性，但是它的方程的某一個解，也就是物理系統實際上所處的某個狀態，卻不具有這種對稱性。這樣，我們看到的世界中一切現實情況，都是「自發對稱破缺」後的某種特別情形。因此，它只能反映物理規律的一小部分側面。圖26-5中舉了幾個日常生活中的例子來說明對稱性的「破缺」。

圖26-5：自然界的明顯對稱破缺和自發對稱破缺

圖26-5a中所示是一個在山坡上的石頭，山坡造成重力勢能的不對稱性，使得石頭往右邊滾動，這是一種明顯對稱性破缺。在圖26-5b的情況，一支鉛筆豎立在桌子上，它所受的力是四面八方都對稱的，它朝任何一個方向倒下的幾率都相等。但是，鉛筆最終只會倒向一個方向，這就破壞了它原有的旋轉對稱性。這種破壞不是由於物理規律或周圍環境的不對稱造成的，而是鉛筆自身不穩定因素誘發的，所以叫自發對稱破缺。圖26-5c的水滴結晶成某個雪花圖案的過程也屬於自發對稱性破缺。

日裔美國物理學家南部陽一郎 （Yoichiro Nambu，1921-2015） 首先將「對稱破缺」這一概念從凝聚態物理引進到粒子物理學中 [7] 。南部為此和另外兩位發現正反物質對稱破缺起源的日本物理學家小林誠 （Kobayashi Makoto，1944-） 和益川敏英 （Toshihide Maskawa，1940-） 分享了2008年的諾貝爾物理學獎。

參考文獻：

[1].張天蓉科學網博文：《硅火燎原》-21-個性奇特的朗道http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&id=724191

[2].於祿，郝柏林。《相變和臨界現象》，科學出版社，1992

[3].L.D. Landau，On the theory of phase transitions，1937Published in: Zh.Eksp.Teor.Fiz. 7 (1937) 19-32, Phys.Z.Sowjetunion 11 (1937) 26, Ukr.J.Phys. 53 (2008) 25

[4].Anderson, More is different, Science Vol. 177, pp. 393-396（1972）

[5].Kosmann-Schwarzbach, Yvette (2010). The Noether theorems:Invariance and conservation laws in the twentieth century. Sources and Studiesin the History of Mathematics and Physical Sciences. Springer-Verlag.

[6].張天蓉科學網博文：統一路-8-對稱和守恆http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&id=882465

[7].Nambu, Y.; Jona-Lasinio, G. (April 1961). "DynamicalModel of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconctivity.I". Physical Review 122: 345–358.

5. 有沒有可能強弱相互作用也可以產生波

弱相互作用共有兩種。第一種叫"載荷流相互作用"，因為負責傳遞它的粒子帶電荷(W+或W−)，β衰變就是由它所引起的。第二種叫"中性流相互作用"，因為負責傳遞它的粒子，Z玻色子，是中性的(不帶電荷)。上圖為一β−衰變的費曼圖，一中子衰變成質子、電子及電中微子各一，衰變的中間產物為一粒重的W−玻色子。在其中一種載荷流相互作用中，一帶電荷的輕子(例如電子或μ子，電

長久以來，人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗，跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗，兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆，經典引力、電磁及強相互作用都遵守這條定律;它被假定為一條萬物通用的定律。然而，在1950年代中期，楊振寧與李政道提出弱相互作用可能會破壞這一條定律。吳健雄與同事於1957年發現了弱相互作用的宇稱不守恆，為楊振寧與李政道帶來了1957年的諾貝爾物理學獎。盡管以前用費米理論就能描述弱相互作用，但是在發現宇稱不守恆及重整化理論後，弱相互作用需要一種新的描述手法。在1957年羅伯特·馬沙克(Robert Marshak)與喬治·蘇達尚(George Sudarshan)，及稍後理查德·費曼與默里·蓋爾曼，提出了弱相互作用的V−A(矢量V減軸矢量A或左手性)拉格朗日量。在這套理論中，弱相互作用只作用於左手粒子(或右手反粒子)。由於左手粒子的鏡像反射是右手粒子，所以這解釋了宇稱的最大破壞。有趣的是，由於V−A開發時還未有發現Z玻色子，所以理論並沒有包括進入中性流相互作用的右手場。然而，該理論允許復合對稱CP守恆。CP由兩部份組成，宇稱P(左右互換)及電荷共軛C(把粒子換成反粒子)。1964年的一個發現完全出乎物理學家的意料，詹姆斯·克羅寧與瓦爾·菲奇以K介子衰變，為弱相用作用下CP對稱破缺提供了明確的證據，二人因此獲得1980年的諾貝爾物理學獎。小林誠與益川敏英於1972年指出，弱相互作用的CP破壞，需要兩代以上的粒子，因此這項發現實際上預測了第三代粒子的存在，而這個預測在2008年為他們帶來了半個諾貝爾物理學獎。跟宇稱不守恆不一樣，CP破壞的發生概率並不高，但是它仍是解答宇宙間物質反物質失衡的一大關鍵;它因此成了安德烈·薩哈羅夫的重子產生過程三條件之一。

μ及τ)的類型(代)跟相互作用前的輕子一致，同樣地，一下型誇克(電荷為−1⁄3)可以通過發射一W−玻色子，或吸收一W+玻色子，來轉化成一上型誇克(電荷為+2⁄3)。更准確地，下型誇克變成了上型誇克的量子疊加態:也就是說，它有著轉化成三種上型誇克中任何一種的可能性，可能性的大小由CKM矩陣所描述。相反地，一上型誇克可以發射一W+玻色子，或吸收一W−玻色子，然後轉化成一下型誇克:由於W玻色子很不穩定，所以它壽命很短，很快就發生衰變。例如:W玻色子可以衰變成其他產物，可能性不一[24]。在中子所謂的β衰變中，中子內的一下誇克，發射出一虛W−玻色子，並因此轉化成一上誇克，中子亦因此轉化成質子。由於過程中的能量(即下誇克與上誇克間的質量差)，W−只能轉化成一電子及一反電中微子在誇克的層次。

6. 對稱性破缺的生物

對稱性破缺與生物起源
二次迭代Mandelbrot 集與分子填充為組織的迭代比較。他們源於不同的非線性過程，諸多分形結構都具有M 集的類似特徵。這個過程是高度非線性的，依賴這樣的非線性使得結構具有自相似性。生物源於宇宙對稱性破缺，分子系統豐富多彩的結構也通過對稱破缺而發展。 二次迭代Mandelbrot 集與分子填充為組織的迭代比較 那麼從宇宙物質產生到產生生命要經歷那些不對稱的過程呢？
宇宙形成過程就是對稱性破缺，最初的宇宙為對稱真空態（作為奇點的量子真空以指數方式膨脹，即暴漲），宇宙的對稱性逐步喪失。隨著宇宙的膨脹和降溫,原真空態發生一系列相變:10-44s 時,引力作用分化出來,誇克和輕子可相互轉變。 四種作用力由於宇宙真空對稱破缺而分化分化，在高能狀態四種作
用力又能統一為超力。 10*（-36）s 時強相互作用同電,弱作用分離,開始出現物質與反物質的不對稱;10*（-10）s 後,弱作用與電磁作用分離。要產生物質構成的世界，就必須正反物質不對稱；否則就會湮滅。最初宇宙正反物質幾乎一樣多，不對
稱度僅為A=3×10*（-8）。宇宙演化產生不對稱機制，使得重子數不對稱；這就要求CP的對稱破缺，打破了重子
數的守恆，從而形成現在物質佔主要的世界。物質在四種作用力下分層次演化。通過復雜的核合成過程形成早期的原子核，再形成原子和分子。
前面提到電弱作用力間對稱破缺的Higgs 機制，在最低能量下不為0 的真空極化從而導致電弱對稱破缺。電弱作用力通過「弱荷流」(W)和「弱中性流」（Z ）區分的（弱荷看成電荷，中間玻色子看成電磁波的光子）。任何兩個基本粒子間的這些流的強度取決於粒子間的距離和它們的電荷。電子檔靠近原子核時，受到中性弱力引起電子軌道的擾動，使它選擇手性。如圖(i)軌道是非手性的，但是由於Z0 擾動導致出現手性旋轉，圖中(b)代表自發對稱破缺（Autocatalytic symmetry-breaking）源於隨機的手性分岔，弱擾動破壞穩定性從而形成具有手性的(iii)。這樣的對稱破缺會被放大到聚合系統中，在分子D 和L 構型的競爭中，哪個具有負反饋系統那個就會佔主導。
奧克蘭大學的Chris C. King 在宇宙生物學論文中提到在Murchison 隕石（1969 年落於澳大利亞）上非生物氨基酸往往傾向於左手構型。這說明，在生物產生以前這種不對稱機制就可能已經存在。 宇稱不守恆弱相互作用對應於產生手性分子有兩種假說。一種是以帶電電流宇稱不守恆（Charged Current－Parity Non conservation:CC－PNC）為基礎的假說，認為由於CC－PNC，β衰變產生徑向極化電子，進入物質內部產生圓偏振光輻射，導致底物分子立體選擇合成或分解，從而產生手性分子。
另一種以弱中性流宇稱不守恆（Neutral Current－Parity Non conservation:NC－PNC）為基礎的假說，認為NC－PNC 造成對映體之間微小的能差叫宇稱破缺能差（Parity Violating Energy Difference, PVED），PVED 進一步在對映體分子的物理性質及反應速率上形成差別，經過放大可以產生均一的手性。
Vester-Ulbricht機理一個基本粒子（電子或正電子）靜止時是球對稱的，因此是非手征性的。但一個自旋粒子沿著自旋軸的任一方向移動時，它就成為手征性的。β-電子為左手螺旋電子，β+電子為右手螺旋電子。Goldharber 在1957 年發現，從某一輻射核ß 衰變中產生的電子是徑向偏振的，由此電子產生的韌致輻射產生圓偏振光。
1959年Vester 和Ulbricht首先將β衰變的不對稱性和生物分子的不對稱性聯系起來，提出Vester-Ulbricht機制。不對稱性可從基本粒子水平轉移到分子水平，ß 衰變所表現的手性與自然界生物分子的手性間有因果關系。ß 衰變中產生的偏振電子，對外消旋分子或前手性分子產生非對稱性影響，最後由不對稱合成或分解產生手性分子。β衰變→縱向偏振電子→園偏振電子→不對稱光化學作用→手性的。
Vester-Ulbricht機理的相關實驗1968 年，Garay 將1.33e7Bq 的SrCl2，分別加入到L 與D 型酪氨酸的鹼性溶液中，在室溫放置18 個月後，發現D-酪氨酸分解比L 型顯著，並認為這是由於發生偏振光的ß 射線作用，是D-酪氨酸進行了立體有擇性分解。1975 年Bonner 用120keV 的線性加速器，來產生天然的自然反平行（AP）「左手性」電子，也可產生非天然的自旋平行（P）「右手性」電子，進行輻解D-和L-亮氨酸的實驗。在53%-76%樣品分解後，AP 電子產生0.60%-1.42%過量的L-亮氨酸，P 電子可產生0.74%-1.14%過量的D-氨基酸。1976年Darge 等將標記32P 的磷酸鹽加入到消旋的D、L-色氨酸水溶液中，在-25℃下放置12 周後測定紫外光譜，發現色氨酸的分解率為33%，必旋光度為+（0.7±0.4）e-3 度。由此可見L-色氨酸比D-色氨酸優先分解，造成了大約19%的D-色氨酸的濃集。這一結果與Garay的結果矛盾。但Bonner重復Garay和Darge的實驗,Hodge重復Bonner的實驗，都沒得到立體選擇的結果，使得這一假說爭論了近半個世紀。
王文清認為γ射線無手性選擇分解；β電子對氨基酸的不對稱分解只有在低溫、初始階段遠離平衡態，即在開放體系才能得到，如無放大機制,達到熱力學平衡差別消失。王文清根據王建英、羅遼復理論研究，以量子力學的理論方法，從β電子與手性分子的電磁作用出發，探討了β電子和正電子在不對稱分子上的非彈性碰撞，證明了對於對映異構體D－和L－氨基酸分子，碰撞截面的相對差值。差值F與旋光強度和和偶極強度的比值成比例，數值上為10－6量級，通過運算得到，當L型分子旋光強度大於零時，極化電子優先分解D型分子，反之當旋光強度小於零時，極化電子優先分解L型分子。1993 年王文清、羅遼復在義大利國際生命起源會議上指出：長期以來，人們忽視了構型和旋光興並不是同一概念，&szlig; 粒子是對氨基酸的旋光性（左旋Rn<0,，右旋Rn>0）有選擇，而不是對構型（D，L）有選擇。
β電子和手性分子左右不對稱碰撞，導致某些特定的化學反應速率常數的不對稱為10*(－6)量級，並且對於每一確定的化學反應都有確定的符號。速率常數的不對稱性將在反應擴散方程中加入不對稱的外力項，在反應擴散方程的解－L和D型分子的濃度中，這種不對稱效應被明顯放大。根據丁達夫、徐京華分析，如果不對稱外力為η量級，則解的不對稱性可達η1/3的量級。因此，在β電子照射下，通過適當的化學反應可使D和L型氨基酸分子的相對濃度差別達到10*(－2)～10*(－3)。另一方面，如果這種化學反應與多聚鏈的形成有關，當鏈長為10*(2)～10*(3)個分子時，L和D型分子鏈的濃度差別將達到0(1)的量級。這就有可能解釋為什麼很多生物大分子都具有確定的手性。 1991 年Salam 提出：Salam認為電磁力不是唯一引起化學反應力，電弱Z0也在化學效應中期作用。由於Z0相互作用，電子與電子耦合成庫柏對，藉助量子力學協同效應，由於玻色凝聚，在某一臨界低溫Tc 下引起二級相變，包括D 型氨基酸向L性相變。一般來說，Tc 是個低溫值，地球作為L-氨基酸形成之地太熱了。所以他設想，在低溫、原始宇宙空間早在地球形成前氨基酸的手性選擇就已進行（這和隕石發現吻合）。S.F.Mason G.E.Trantar 對若干個L 型和D 型氨基酸的能量進行了詳細的計算，並考慮了不對稱的Z力，預料中的對映體之間的能量分裂出現了。在所有情形下，生物學上占優勢的L-氨基酸和D-核糖都具有較低的能量。計算結果如下：(L-D)Ala：
-3.0×10-19ev；(L-D)Val：-6.2×10-19ev；(L-D)Ser：-2.3×10-19ev；(L-D)Asp：-4.8×10-19ev；(L-D)核糖：+1.8×10-19ev可見，對映體分子間的能量差數量級為10-19ev。300K 時，L型比D 性氨基酸數量多1/107。
1994 年4 月王文清、盛湘蓉與楊宏順、陳兆甲科研組合作，利用搽粉絕熱連續加熱量法在77.35K 到300K 區間，以0.5K/min升溫速率（或降溫速率）測定D-纈氨酸和L-纈氨酸的比熱容與T 圖，發現D-纈氨酸在270±1K 有明顯λ相變，而L-纈氨酸則無。經多次熱循環及以L-纈氨酸作參比樣品，D-纈氨酸在同一溫度均重復出現比熱容尖峰。D-纈氨酸單晶X 衍射晶格數據顯示，在臨界溫度Tc 前後，無明顯晶格變化。試探排除了水汽、結晶水及晶格變化對比熱容的貢獻，王文清等人認為比熱容異常是由於電子耦合成庫柏對及協同效應的S電子比熱容貢獻，並認為D-纈氨酸的相變可能是D 型向L 型轉變的二級相變。同樣，對於D-丙氨酸單晶分子，在低溫200K 到300K 出現了磁相變，這與比熱容測出的λ相變溫度一致，人們認為，該溫度也許就是D-丙氨酸向L-型轉變的二級相變。
Salam 假說：1.亞原子水平上表現出的Z 力結合電磁相互作用，在凝聚態氨基酸單晶D 和L 型分子中被首次檢測到，這在理論上有重大意義；2.D-丙氨酸和D-纈氨酸均在實驗中發現了比熱容的λ相變，這將有助於證明Salam 假說中提到的D 型氨基酸向L-型轉變的二級相變。 首先Garay等人的實驗都不能嚴密地證明V-U機理，Bonner 的實驗中，當電子能量為60eV 時，選擇分解消失。而且，對上述實驗的一些重復也往往既得不到肯定也得不到否定的結果。按照王文清提出的構型和旋光興並不是同一概念，&szlig; 粒子是對氨基酸的旋光性有選擇，而不是對構型（D，L）有選擇。因此不能解釋生命分子構型的手性單一性。而在Salam 假說中10-19ev如此微小的概率差異，能否成為生命選擇單一手性機制的原因？就算二級相變存在，從氨基酸混消旋體轉變成某種手性單一的氨基酸分子的過程，需要越過一個大的活化能勢壘。如果這個相變發生，將導致化學鍵斷裂。顯然，這兩種學說及相關實驗只證明了手性分子極其微小的對稱差異，這不是生命手性分子起源的根本。隕石分子的發現和這些實驗說明在生命產生之前，手性分子在數量上微小的差異就已經存在；但這樣的差異必定要通過一個放大機制給予放大，才能形成現在生物分子的單一手性。