标准模型U(1) 规范自发对称破缺机制
读《物理学与人类文明》有感一
读《物理学与人类文明》有感一读《物理学与人类文明》有感(一)000物理学是自然科学的一门重要基础学科，是人类物质文明发展的基础和动力，是人类追求真理、探索未知世界奥秘的有力工具，是一种哲学观和方法论。
在人类文明漫长的岁月中，这门古老而又生机勃勃的学科为我们造就了一个又一个光辉的里程碑。
一、伽利略的科学方法论1. 形而上学的研究方法：学会孤立、片面、静止地看问题，例如：物理模型，隔离法，分离变量等，抓主要矛盾，略次要矛盾2. 归纳推理与守株待兔例如：牛顿当年的万有引力定律是这样得到的：他当时发现地球和月亮之间是相互吸引的，地球和太阳之间是相互吸引的，太阳与哈雷彗星之间也是相互吸引的……于是牛顿得出结论：宇宙当中任何两个天体之间都是相互吸引的，于是万有引力定律诞生了，这是应用归纳推理的一个很成功的例子。
守株待兔的故事是这样的：有一天，宋国有一位农夫劳动回来，在路上看到一只野兔在奔跑的时候不小心撞死在了一个树桩上，农夫白捡了一只野兔，于是他就每天都去那里看看，以为还会有野兔撞死。
这位农夫是这样推理的：因为今天有一只野兔撞在这个树桩上，所以明天也会有一只野兔撞在树桩上，后天还会有一只野兔撞在树桩上……这是归纳事例数等于1的归纳推理，后人用这个成语来讽刺那些没有经过劳动，幻想得到意外收获的人。
伽利略的科学方法论是一切自然科学所必须遵循的研究方法：通过理论和实践精确定量、客观可重复的循环检验，不断修改理论，逐渐提炼出事物的本质和主要矛盾，逐渐逼近可重复的客观规律，把形而上学、归纳推理等逻辑缺陷减少到极限。
二、什么是 LHC? （大型强子对撞机）建造的目标是什么?时空是几维的?是否存在黑洞? 黑洞是否只长大,不会变小?三、相对论与现代时空观1．狭义相对论的创立牛顿认为光是由微粒构成的，19世纪却积累了大量的证据支持光是一种波，1873年麦克斯韦建立的电磁理论指出光是一种电磁波，光波是靠什么作为传播媒介的呢？“以太”的漂移，迈克尔逊-莫雷实验否定了“以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础。
2、希格斯机制的由来知识讲解
2、希格斯机制的由来2、希格斯机制的由来对称是美的，完美的对称只有唯一的一种相互作用，世界也就变得单调而乏味。
标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。
简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。
电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。
这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。
由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。
标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。
希格斯子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。
在研究过程中，杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。
一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。
当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。
对称性破缺
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。
希格斯玻色子概述
希格斯玻色子希格斯玻色子希格斯玻色子（或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。
它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。
物理学家希格斯提出了希格斯机制。
在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。
希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。
2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为―上帝粒子‖的希格斯玻色子的存在。
标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。
希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。
研究背景英国物理学家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯机制。
在此机制中，希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺，并将质量赋予规范玻色子和费米子。
希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC)将有机会发现希格斯粒子。
上帝粒子--希格斯粒子希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，―上帝粒子‖是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。
这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼更形象地将其称为―指挥着宇宙交响曲的粒子‖。
自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观欧洲核子研究中心大型强子对撞机世界的奥秘。
1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。
数学与物理的奇妙融合——对称与守恒
数学与物理的奇妙融合——对称与守恒物理学家杨振宁（1922-）先生认为，20世纪物理学有三大主旋律：量子化、对称与相位因子．关于对称性，伟大的德国女数学家，有着“代数学女王”之称的艾米˙诺特（E.Noether，1882－1935）认为：“物理体系的每一个连续的对称变换，都对应于一个守恒定律”，这就是著名的诺特定理．大自然中处处有对称，对称性很早就是物理学研究的指导原则．对称原本是数学的概念，守恒则是物理定律，诺特定理却揭示二者之间存在紧密而奇妙的联系．本讲将介绍物理学中的对称性与守恒律．主要内容分三部分：第一部分介绍对称性与守恒律之间的联系；第二部分通过拉格朗日函数的变分，将力学系统的运动规律表述为“最小作用量原理”；第三部分则通过考察作用量的三种对称性，导出物理学中的三大守恒定律：（1）由“时间平移对称性”推导“能量守恒定律”；（2）由“空间平移对称性”推导“动量守恒定律”；（3）由“空间旋转对称性”推导“角动量守恒定律”．这一讲，通过对称性与守恒律在数学和物理角度的分别诠释，我们可以更加深入体会到数学语言在物理中的运用，并进一步了解数学与物理之间分分合合的关系：二者都源于哲学，曾经一度分家，到了现代，又产生了密不可分的联系．作为科学上最重要的两个分支，数学与物理互相促进、相辅相成．第1节 对称性与守恒律1.1 对称与群人们很早就注意到我们生活的这个世界充满了对称性，并对之加以探究，早在古希腊、古罗马以及古代中国，都有关于对称概念的研究记载．简单来说，对称性就是“变中有不变”，即在某种变换下保持不变的性质． 1872年，德国数学家克莱因（F.C.Klein ，1849-1925）在埃尔朗根大学的就职演说中提出了著名“埃尔朗根纲领”，将19世纪及之前的几何学概括为“研究在某种变换群下保持不变性质和不变量的学科”．例如，欧氏几何研究的是在刚体变换下保持不变性质的几何学，其变换群是正交矩阵群；仿射几何研究的是在仿射变换下保持不变性质的几何学，其变换群是一般线性群．例1（平面上的刚体变换）平面上的一点(,)x y 经过平移和旋转的刚体变换到另一点(,)x y ''，则有如下的对应关系00'cos sin 'sin cos x x x y y y θθθθ−⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭． 例2（平面上的仿射变换）平面上的一点(,)x y 经过仿射变换到另一点(,)x y ''，则有如下的对应关系011121112021222122',0'x a a a a x x y a a a a y y ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+≠ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭．研究对称性最重要的数学工具就是群论——抽象代数的一个重要分支，群的概念在第2讲中已有详细介绍．群的发明来源于法国数学家伽罗瓦（É. Galois ，1811-1832）对一元n (5)n ≥次代数方程是否可以根式求解问题的研究．早在古巴比伦时期，一元一次和二次方程求根问题就已经解决，并有一元二次方程的求根公式．16世纪意大利的数学家给出了一元三次方程和四次方程的求根公式，但是，此后人们在长达300多年内寻求高于四次方程的求根公式均以失败告终．至19世纪上半叶，“求代数方程的根”一直是古典代数学的中心问题，直到伽罗瓦证明了：一元n 次代数方程能用根式求解的一个充分必要条件是该方程的伽罗瓦群为可解群．作为这个结果的一个推论是：对应于一般形式的n 次代数方程的伽罗瓦群，只有当 1，2，3，4时才是可解群．因此，五次及五次以上代数方程不存在求根公式．所谓伽罗瓦群是指由方程的根的置换群中保持方程根的以“基本域”中的元素为系数的全部代数关系不变的置换构成的子群．可解群可作如下简单解释：由群中元素的换位子11[,]a b aba b −−=全体生成的子群，即换位子群，而换位子群的换位子全体又可以生成一个新的子群……，若经过有限次成为只含幺元的幺群，则此群称为可解群．图1. 伽罗华1.2 对称性与守恒律 物理系统中常见的对称性有时间平移对称性、空间平移对称性和空间旋转对称性等；物理系统常见的守恒律有能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律等，对称性与守恒律有着千丝万缕的联系．德国著名女数学家艾米·诺特是抽象代数的开创者，她被爱因斯坦赞誉为“最伟大的女数学家”．艾米·诺特是从数学及物理上阐明了对称性与守恒律的联系的第一人，她在1918年发表的题为《变分问题的不变量》的论文中提出了著名的“诺特定理”：物理系统的每一个连续的对称变换，都对应于一个守恒定律．1926年，美国物理学家维格纳（E.P.Wigner,1902-1995）还提出了宇称守恒定律，想把对称性和守恒律的关系进一步推广到微观世界．所谓“宇称”，是指一种粒子之间互为镜像，粒子的运动是相同的．但在1956年，美籍华裔物理学家李政道（1926-）和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，提出“在弱相互作用下宇称不是守恒的”，美籍华裔实验物理学家吴健雄（1912-1997）则通过一个巧妙的钴60衰变实验验证了“宇称不守恒”．李政道和杨振宁因此获得1957年的诺贝尔物理学奖，成为首次获得该奖项的华裔科学家．图2. 诺特与《代数学》例3（开普勒第二定律与角动量守恒）在第8讲中的开普勒行星第二运动定律（即面积律），本质上反映了太阳-行星系统的角动量守恒． 事实上，由面积律，我们知道212r A θ≡（常数），而行星运动时的线速度0()()lim t r t t r t v t∆→+∆−=∆，则角动量的大小为 2200()[()()]lim lim t t r t r r t t r t r v r t t θθ∆→∆→∆⨯+∆−⨯===∆∆．诺特定理直观的理解就是：每一种对称性都对应一个守恒律．例如，时间平移对称性对应能量守恒定律；空间平移对称性对应动量守恒定律；空间旋转对称性对应角动量守恒定律．这个定理培育出了物理学家的一种思维习惯：只要发现一种新的对称性，就要去寻找相应的守恒律；反之，只要发现了一条守恒律，也总要把相应对称性找出来，下面是一个对称性与守恒定律及使用范围的关系表． 对称性守恒定律 使用范围 时间平移能量守恒 完全 空间平移动量守恒 完全 空间旋转角动量守恒 完全 镜像反射宇称守恒 弱作用中破缺 电荷规范变换电荷守恒 完全 重子规范变换重子数守恒 完全 轻子规范变换 轻子数守恒 完全1.3 自发对称破缺自然规律的确具有某种对称性，对称使得万物和谐、均衡，但对称中也潜藏着不对称，对称中的不对称使得事物变得生机、灵动．五彩缤纷的大自然中，无处不有对称与不对称，物理学也是如此．物理规律的某种对称性表现在真实世界的具体现象时，却不是对称的，这一看起来似乎很简单的现象，却曾经使得科学家困惑多年．“自发对称破缺”的理论给予了解释．“自发对称破缺”作为专业术语，常常被人们用一个简单的例子解读，例如，一支铅笔竖直立在桌子上，按照物理定律，铅笔所受的力在四面八方都是对称的，及满足旋转对称性，因此铅笔向任何一个方向倒下的概率都应该相等．但是，铅笔最终只会倒向一个方向，倒下之后，铅笔原有的对称性就被破坏掉，而这种破坏是铅笔自身发生的，因此被称为“自发对称破缺”．20世纪60年代中期，科学家们通过对数学物理理论的研究，预言了一种名为希格斯粒子的基本粒子，这与上述的“自发对称破缺”这一术语相关．2012年，希格斯粒子被欧洲核子中心发现，与此相关的研究获得了2013年的诺贝尔物理学奖．事实上，物理学家经过多年的研究，提出了关于物质世界的组成的“标准模型”，在这个“标准模型”中，物质的本源来自四种基本力：引力、电磁力、弱力和强力，以及61种基本粒子，其中包括36种夸克，12种轻子，8中胶子，2种W粒子，另外还有Z粒子、光子以及希格斯粒子．希格斯粒子是“标准模型”中最后被发现的粒子，被称为“上帝粒子”．“标准模型”成功地统一了除了引力以外的三种力，并且基本精确地解释了与三种力有关的所有实验事实．物理学家用“自发对称破缺”的概念来研究基本粒子和场，认为它们遵循某种“规范对称性”，希格斯粒子的发现证明了“标准模型”基本正确．在微观世界里，基本粒子有三种基本的对称方式：（1）电荷（C）对称（共轭对称）：对于粒子和反粒子，物理定律是相同的．（2）宇称（P）对称（空间反射对称）：互为镜像的同一种粒子的运动规律相同．（3）时间（T）对称（时间反演对称）：如果颠倒粒子的运动方向，则粒子的运动是相同的．高能物理实验告诉我们，对于粒子世界的物理规律，以上3种对称性全部破缺，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的．因此，可以认为我们这个五彩缤纷的物质世界，包括人类自身，都是对称性的细微破缺留下的遗迹．第2节 最小作用量原理2.1 拉格朗日函数我们描述系统中的N 个点的位置信息需要3N 个坐标，当增加约束时，这个系统的自由度便会降低．所谓自由度，指的是能够完全描述某一物理系统状态的相互独立的最少变量个数，当增加某些约束时，会使其中某些变量不再相互独立，导致自由度降低．为了研究问题方便，我们要引进广义坐标系统．s 个自由度的系统可以用s 个独立变量1,,s q q 和变量的变化率1,,s q q 以及时间t 的函数()()11,,,,,,,,s s L q q t L q q q q t =来表示，称之为拉格朗日函数，拉格朗日函数对于时间的积分()21,,t t S L q q t dt =⎰即为作用量． 最小作用原理指的是物理系统的真实运动轨迹是使作用量达到最小的轨迹．据此可以推导出著名的欧拉-拉格朗日方程．例4（费马原理）光学中的费马原理指的是：光的轨迹总是遵循使光程B A nds ⎰（其中n 是介质的折射率）取极值的轨迹．根据费马定理，可以推导出光传播的三大规律——光的直线传播定律、反射定律和折射定律，包含了几何光学的主要内容．这其实很有趣：光是没有脑子的，但它走的总是最省时间的路．斯奈尔折射定律的内容是：设一道光线从一点A 以速度1v 、入射角1α进入较密媒质后以较低速度2v 、折射角2α 到达点B ，则有1212sin sin v v αα=. 例5（最速降线问题）伽利略在1630年提出一个分析学的基本问题——一个质点在重力作用下从一个给定点到不在它垂直下方的另一点，如果不计摩擦力，沿什么曲线滑下所需时间最短？伽利略错误的认为这曲线是个圆．瑞士数学家约翰·伯努利在1696年再次提出这个最速降线问题，次年（1697年）已有多位数学家得到正确答案，其中包括牛顿、莱布尼兹、洛必达以及雅可比·伯努利与约翰·伯努利兄弟．其中，牛顿、莱布尼兹、洛必达利用的是微积分的方法，雅可比·伯努利的方法虽然比较繁琐，但其中孕育了变分法的思想，约翰·伯努利的方法似乎缺乏根据但十分简明．约翰·伯努利采用费马最小时间原理，将质点在重力场中的运动类比于光线在介质中的传播，得到最速降线问题中的路径所需满足的微分方程．假设质点沿从点A 滑行到点B 的路径，所需时间最短．从光学的原理得出，sin vα=常数. 根据能量守恒定律，质点在一定高处的速度，完全由其到达该高处所损失的势能确定，而与所经过的路径无关，从而，有2v gy =.由几何关系，还可以得到 221sin cos sec 1tan 1()y αβββ===='++ 将上述三式结合起来，得到2[1()]().y y c '+=常数这就是最速降线所满足的常微分方程．解此微分方程，可以得到(sin ),(1cos ).x a y a θθθ=−=− 这是旋轮线（也称摆线）的标准方程，而最速降线问题的正确答案就是连接两点上凹的唯一一段旋轮线（即倒置的摆线）．1673年，惠更斯（C.Huygens ，荷兰，1629～1695）证明了旋轮线是摆线．因为钟摆做一次完全摆动所用的时间相等，所以摆线又称等时曲线．雅可比·伯努利的方法则接近于现代的变分法思想．以变分法的思想，最速降线问题应该是一个求泛函极值的问题，其数学表达如下：()()()()2121121'min min '22x x y x y x y x v J dx y y x g g αα+⎛⎫==− ⎪−⎝⎭⎰． 这个数学问题的正确的解答也是倒置的摆线图3. 最速降线问题与摆线 作用量在数学上被称为泛函，即“函数的函数”，而最小作用原理从数学角度来说是研究泛函的极值，而要计算泛函的极值，需要运用变分法，变分法可以理解为微分法的推广．微分法研究自变量的改变对于函数值的影响，而泛函中是将函数映射为一个实数，可以把这里的函数类比微分中的自变量，本质思想是相同的．变分法是研究泛函的极值方法．1756年，欧拉在论文中将变分法正式命名为“the calculus of variation ” ．1760年，拉格朗日引入变分的概念，在纯分析的基础上建立变分法。
标准模型Higgs机制的深入探讨
标准模型Higgs机制的深入探讨标准模型是现代粒子物理学中最基本、最成功的理论之一。
其中，Higgs机制是标准模型的核心组成部分，对了解基本粒子的质量来源起着重要作用。
本文将对标准模型Higgs机制进行深入探讨，以便更好地理解该机制对粒子物理的意义和影响。
1. Higgs机制的理论基础Higgs机制是由彼得·希格斯等科学家于20世纪60年代末提出的。
它解决了电弱相互作用的质量问题。
根据标准模型的理论，在宇宙早期，粒子是没有质量的。
希格斯场的存在打破了对称性，通过与希格斯场耦合的粒子获取了质量。
Higgs机制通过一个由希格斯机制引发的自发对称破缺实现了这一点。
2. Higgs场的性质与特点希格斯场是一种特殊的场，被认为是宇宙中普遍存在的场。
Higgs 场与其他场不同，其自身的量子具有自旋为0，这使得Higgs机制在标准模型中扮演了重要角色。
Higgs场的存在也被实验证实，最重要的就是2012年CERN实验室的ATLAS和CMS两个实验团队探测到了希格斯玻色子。
3. Higgs机制与粒子质量标准模型中的粒子质量来自与希格斯场耦合。
希格斯场与夸克、轻子等基本粒子相互作用，这些相互作用通过希格斯玻色子进行传递。
希格斯玻色子的质量决定了粒子的质量，不同粒子与希格斯场的耦合强度也决定了它们的质量。
4. Higgs机制与电弱相互作用Higgs机制的提出成功地解释了电弱相互作用的质量问题。
标准模型中的电弱相互作用包括电荷弱相互作用和弱核力。
电弱相互作用的粒子W和Z玻色子的质量由希格斯机制提供。
希格斯机制还预言并成功预测了W和Z玻色子的质量比例。
5. Higgs机制与暴露对称性破缺标准模型中的希格斯场以一种看似对称的方式与其他粒子相互作用，但在低能量下它是不可见的，这种称为暴露对称性破缺。
正是这种破缺才使粒子具有质量。
希格斯机制的理论解释了为什么质量存在于宇宙中。
6. Higgs机制的重要性与未来研究Higgs机制的发现及后续研究对粒子物理学有着重要意义。
希格斯玻色子
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百科名片希格斯玻色子希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。
它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。
物理学家希格斯提出了希格斯机制。
在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。
希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。
2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。
中文名： 希格斯玻色子外文名：H iggs boson 别称外号： 希格斯粒子，希格斯子，上帝粒子提出者： 彼得·希格斯（P .W.Higgs ） 目录简介诠释研究背景研究历史理论物理理论方程简式标准模型其他模型验证成果萍踪难觅最新发现相关著作进展博客传闻或被发现诡异情况发现踪迹接近证明展开简介诠释研究背景研究历史理论物理理论方程简式标准模型其他模型验证成果萍踪难觅最新发现相关著作进展博客传闻或被发现诡异情况发现踪迹接近证明展开编辑本段简介诠释标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。
希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。
研究背景1964年，英国物理学家彼得·希格斯（P.W.Higgs）发表了一篇学术理论文章，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。
他认为，这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。
2012年7月4日，当欧洲核研究组织宣布发现一种与“上帝粒子”“一致”的亚原子粒子时，希格斯说，“难以置信”。
对称性与对称破缺
z "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"
一、对称原理与物理规律
杨振宁先生：“二十世纪物 理学的 主旋律是：量子 化、对称性和相因子”
的转动与反、晶格的平移。
z 对称性可以是分离的（具有有限的数目） 例如：八面体分子的转动，
也可以是连续的（具有无限的数目） 例如: 原子或核子的转动。
z 对称性可以是更一般的和抽象的，例如：CPT不 变性（ 粒子-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
对称性的性质
T.D. Lee 1957Nobel Prize
Parity Violation 1956
C.N. Yang 1957 Nobel Prize
J. Cronin 1980 Nobel Prize
CP Violation 1964
V. Fitch 1980 Nobel Prize
Yoichiro Nambu
z 物理学的重要任务之一： 揭示宇宙世界所具有的各种类型的对称性
z 对称性的分类： z 空间对称性： 对空间性质进行变换所对应的对称性 z 时间对称性： 对时间性质进行变换所对应的对称性 z 内部对称性：与时间和空间相独立的变换所体现的
对称性
z 内部对称性：整体对称性和局域对称性
对称破缺
(Oxford Dictionary of Physics)
z 对称性破缺是指：一个多体系统的基态或 相对论量子场论的真空态所具有的对称性 比定义这个体系的拉格朗日量或哈密顿量 所具有的对称性小的情形。
对称性与对称破缺
与对称性破缺相关的一个结论是Goldstone 定理： 它是指在具有连续对称性破缺的相对论量子场论中 必然存在无质量的粒子－Goldstone玻色子。 在固体理论中，Goldstone玻色子是集团激发。 Goldstone定理当时是在Gell-Mann－Levy、周光 召1960年 提出 PCAC（轴矢量流部分守恒）后，对 赝标量 π 介子的特殊性质研究中， 于1961年提出的 一个重要定理
弱相互作用 的SU(2)_L 对称性自发破缺：
粒子物理弱电统一模型中，中间玻色子、夸克和轻子质量的 起源、夸克之间混合的起源；没有对称破缺，宇宙到处充满 了无质量的以光速运动的粒子。世界会变得很单调。
面临的挑战之一：
但模型预言的Higgs粒子还没有找到，对称破缺机制并没有得 到验证，成为粒子物理研究的重要方向。欧洲日内瓦建造 LHC对撞机的主要目的之一。
二、CP对称性和对称破缺
正反粒子和左右镜像 ♥ CP 对称性即：正粒子 反粒子 粒子 －反粒子、左右镜像反 演的对称性,它涉及到空 通过CP变换相互转换 间和物质的基本对称性 ♥ CP 对称性和破缺一直是 粒子物理学家探索自然 界基本规律的前沿领域
左手性 右手性
CP对称性和对称破缺
♥ 1957年，李政道－杨振宁发现中性 K0 介子衰变的弱相
t’Hooft
粒子物理学中的对称性
在粒子物理学中，可以说，对称性决定了相互作用 爱因斯坦的狭义相对论：由Poincare群结构所决定的 描述时间与空间对称性的理论。时间延缓与 长度收缩可以由对称性和四维不变量来理解 粒子物理标准模型：四种基本力由规范对称性决定 U(1) x SU(2) x SU(3) x SO(1,3) 确定了对称群与相互作用的强度以后， 力的所有的行为特征基本就确定了。 电磁相互作用：U(1)对称性决定的规范理论.U(1)对称 性可想象为一个在平面上转动的圆的对称性
宇宙万物源于“场”
哲学所指宇宙，即所有的空间、时间、物质等及其所产生的一切事物的统称，是物质的整体，是物理学和天文学的最大研究对象，哲学上又叫世界。
宇宙万物源于“场”。
场是比基本粒子更基本的物质存在状态；场可以分为基态和激发态，而粒子实际上就是场的激发态。
从现代量子场论的观点看，每一种粒子对应于一种量子场，粒子就是对应的场量子化的场量子。
在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故一般不提“基本粒子”这一说法。
每一种基本粒子，都对应着一种场。
所有的场处于基态时表现为“真空”。
真空态的对称性小于相互作用的对称性，真空对称性自发破缺。
对称性自发破缺，即自发对称性破缺。
当物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身又不具有这种对称性，则称此现象为自发对称破缺。
自发对称性破缺机制，是指一个物理系统的拉格朗日量（概括整个系统动力状态的函数）具有某种对称性，而基态（系统的最低能阶）又不具有该对称性。
宇宙万物源于量子真空能量的实物化。
真空不空。
真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统。
波包是波的一个特殊的品种，用以描述波包状态的代数函数称为“波函数”。
波包，英文翻译为wavepacket，一般的波是由若干种以至无限多种谐波叠加而成的，往往仍然是非局域性的。
但是，在特定条件下，叠加后的波有可能是局域性的，犹如被某种曲面包裹住那样。
这种局域性的波就叫做“波包”。
波包是波的一个特殊的品种，用以描述波包状态的代数函数叫做“波函数”。
在量子力学里，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）所说的波包是指微观粒子，其尺寸就是粒子的尺寸。
如果用波函数来描述它，那么就会发现，波函数在任意大的范围内都不会严格等于零。
这时的所谓“局域”，实际上是指“主要分布区域”。
从数学形式上看，k和x在波函数里是处于完全平等的地位，所以波的概念不是坐标空间里特有的。
坐标空间的波在k空间里(或动量空间里)仍然是波，k空间里也有波包。
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标准模型U(1) 规范自发对称破缺机制
在理论物理学中，标准模型是描述基本粒子和它们之间相互作用的
理论框架。
标准模型的一个关键特征是U(1)规范对称破缺机制，它解
释了为什么某些基本粒子具有质量，而其他粒子则没有。
本文将介绍
U(1)规范自发对称破缺机制的基本原理和应用。
一、U(1)规范对称破缺机制的基本原理
在标准模型中，电磁相互作用是由U(1)规范对称性描述的。
U(1)表
示一个无穷小的变换矩阵，它描述了电磁相互作用下的粒子状态的变
化规律。
然而，根据电磁相互作用的观测结果，我们知道电子具有质量，但光子却是无质量的。
这表明U(1)规范对称性在自然界中自发破缺。
U(1)规范自发对称破缺机制的基本思想是通过引入一个带电标量场，也称为Higgs场，来实现对称性破缺。
Higgs场与电磁场和W、Z玻色
子相互作用，使得光子和W、Z玻色子获得质量。
在对称破缺之前，Higgs场和电磁场是通过U(1)规范对称性联系在一起的，而在对称破缺之后，Higgs场获得了真空期望值，导致U(1)规范对称性破缺。
二、U(1)规范对称破缺机制的应用
U(1)规范自发对称破缺机制在标准模型中的应用非常广泛。
它解释
了为什么光子是无质量的，而W、Z玻色子却具有质量。
这一机制还
预言了一个新的粒子，即Higgs玻色子，在2012年Large Hadron
Collider的实验证实。
Higgs玻色子的发现进一步验证了U(1)规范自发对称破缺机制的有效性，并为标准模型的完善提供了重要线索。
除了在标准模型中的应用，U(1)规范对称破缺机制还在其他物理理论中发挥重要作用。
例如，在超对称理论中，U(1)规范自发对称破缺机制被用来解释超对称粒子的质量来源。
这些超对称粒子被认为是标准模型粒子的超对称伴侣，其存在能够解释一些现有问题，并为物理学的进一步发展提供了新的方向。
三、总结
标准模型U(1)规范自发对称破缺机制是理论物理学中重要的概念之一，它解释了为什么某些基本粒子具有质量，而其他粒子则没有。
通过引入Higgs场，U(1)规范自发对称破缺机制实现了对称性的破缺，从而解释了电磁相互作用的特性。
这一机制在标准模型和其他物理理论中都有广泛的应用，为我们理解基本粒子的性质和相互作用提供了重要的线索。
随着实验技术的不断发展，我们有望进一步验证和深化对U(1)规范自发对称破缺机制的理解，推动理论物理学的进步。