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1、Lecture 4 Higgs Boson in SM Peter W. Higgs Franois Englert Nambu Nambu (1960)(1960) Nambu Nambu (1960)(1960) Goldstone Goldstone (1961)(1961) Anderson Anderson (1963)(1963) （超导，非相对论情况超导，非相对论情况） Englert, Brout Englert, Brout (1964)(1964) HiggsHiggs (1964) (1964) HiggsHiggs (1964) (1964) 对称性自发破缺（铁磁体、超
2、导）对称性自发破缺（铁磁体、超导） 对称性自发破缺（粒子物理）对称性自发破缺（粒子物理） Goldstone BosonGoldstone Boson ( (无质量无质量) ) Massive Gauge BosonMassive Gauge Boson 黑格斯粒子黑格斯粒子 ( (有质量有质量) ) 铁磁铁磁 Heisenburg (1928)Heisenburg (1928) 超导超导 BCS BCS 理论理论 （19571957） （定域规范理论）（定域规范理论） 被规范玻色子吃掉被规范玻色子吃掉 condensation of Cooper pairs into a boson-lik
3、e state 费米子凝聚,手征对称性,pion scalar potential 这篇文章先投Physics Letters, 被拒。 然后投PRL，审稿人南部提醒他Englert 和Brout做过类似工作 电弱理论电弱理论 Weinberg Weinberg (1967)(1967) Salam Salam (1967)(1967) 史蒂文温伯格 翻译 寒冬 BCS 理论提出 50 周年的纪念活动 伊利诺伊大学 2007年 对我来说有点奇怪，在凝聚态物理学家们庆祝其领域重大成就的活动中，一 个主要研究基本粒子理论的物理学家却受邀发表演讲。不仅我们探索的对象 不同，我们的目标、我们渴望在工作
4、中获得的乐趣也存在深刻的区别。 凝聚态物理学家做研究的动力一般来自凝聚态现象本身非常有趣。谁不会被 超导、超流或是量子霍尔效应这样的奇异现象吸引呢？但另一方面，我认为 粒子物理学家一般不会对他们研究的现象感到兴奋。这些粒子本身毫无特色 ，每个电子看起来都和其他电子一模一样，非常无聊。 凝聚态物理的另一个目标是发现有用的东西。粒子物理学家喜欢指出粒子物 理实验所衍生的技术，这的确存在，但并不是我们做实验的目的，而且从这 些实验中获得的知识没有可预见的实用价值。 我们大部分人研究粒子物理既不是因为这些现象奇妙有趣，也不是因为其中的 实用价值，而是因为我们在追寻一种还原论的图像。普通物质之所以具有这
5、样 或那样的性质，是因为它们遵循原子物理和核物理的原理，而这些原理又来自 基本粒子的标准模型，再往下是因为好吧，我们不知道。这里就是还原论 者的前沿阵地，也是我们正在探索的地方。 我认为约翰巴丁（John Bardeen）、利昂库珀（Leon Cooper）和罗伯特 施里弗（Robert Schrieffer）的理论（BCS 理论）最重要的成就是，证明超 导性并不是还原论者的前沿领域（Bardeen et al. 1957）。在 BCS 理论提出 之前人们并不清楚这一点，比如，瓦尔特迈斯纳（Walter Meissner）在 1933年提出一个问题：超导体中的电流是否由已知带电粒子、电子和离子
6、载 流？BCS 证明中最重要的一点就是，理解超导性不需要引入新的粒子或作用 力。根据库珀向我展示的一本关于超导的书，许多物理学家甚至为此感到失 望，因为“超导性在原子尺度上竟然只是由于电子和晶格振动之间的微小相互 作用。”（Mendelssohn 1966） 粒子物理学家引领还原论前沿的说法曾引起凝聚态物理学家的不满。（并不是因为 一个知名物理学家喜欢把凝聚态物理称作“粗鄙态物理”（squalid state physics）。 ）这种不满在投资超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC）的争 论中浮现出来。菲利普安德森（Phil Anderson）在
7、参议院委员会中遇到了这个争 论，他反对建造 SSC 而我支持建造。他的观点过于谨慎诚实，在我看来不但没有 对 SSC 的建造带来负面影响反而帮助了它。对 SSC 造成致命一击的是一个凝聚态 物理学家，他那时恰好也是美国物理学会主席。众所周知，SSC 项目被取消了，如 今我们正等待欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）继续推进粒 子物理的研究。 在 SSC 争论中，安德森和其他凝聚态物理学家不断指出，从粒子物理中获得的知 识不可能帮他们理解诸如超导这样的现象。这是事实，但我认为这种说法离题了， 因为那并不是我们研究粒子物理的原因；我们的目标是推进还原论的前沿，用更加 简单、普遍的
8、理论解释自然万物。同样我们也可以说，在凝聚态物理中获得的知识 对于建立更加基本的自然理论也没有直接的指导意义。 那么像我这样研究粒子的人与 BCS 理论的庆祝活动有什么关系呢？（关于 超导，我只写过一篇无足轻重的文章，这篇文章在凝聚态物理学家当中也 得到了应有的冷漠对待。）凝聚态物理和粒子物理是相互联系的，除了我 在上文所说的内容。虽然各自领域获得的知识对另一方几乎没有帮助，但 经验告诉我们，从一个领域发展起来的思想可以对另一个领域产生重大影 响。有时这些思想在移植的过程中发生改变，人们在新的领域应用这些思 想会发现新的价值。 我关注的思想是粒子物理学家从凝聚态理论（尤其是 BCS 理论）学到
9、的一 个思想，这个思想就是自发对称破缺。 自发对称破缺 在粒子物理中，我们对自然定律的对称性更有兴趣。其中一个对称是自然定律在三 维旋转对称群中的不变性。换句话说，测量仪器方向改变而自然定律不变。 当物理系统没有表现出其遵从物理定律的所有对称性时，我们就说这些对称发生了 自发破缺。一个熟悉的例子是自发磁化。控制磁铁中原子的定律在三维旋转中是完 全不变的，但如果温度低于临界值，这些原子的自旋会自发地排列起来指向某个方 向，于是产生磁场。正如经常发生的那样，这种情况下一个子群没有发生变化，即 关于磁化方向的二维对称群。 现在到了关键的地方。任何超导体都只不过是材料中某个特定的对称即电磁规范 不变性
10、发生了自发破缺。高温超导体是这样，我们更加熟悉的、BCS 理论研究的 超导体也是这样。这里的对称群就是二维旋转群。这些旋转作用在二维矢量上， 该矢量的两个分量分别是电子场（electron field）的实部和虚部。电子场是量子力 学算符，在物质的量子场论中消灭电子。破缺对称群的旋转角在超导体不同位置 可能不同，而且对称变换也会影响电磁势，下文中我会回到这一点。 180 旋转不会改变超导体中对称破缺，仅仅改变电子场的符号。这个自发对称 破缺的后果是，超导体中任何偶数电子场的积具有非零期望值，虽然一个单独的 电子场不是这样。关于超导体所有令人震惊的精确性质零电阻，超导体排斥 内部磁场的“迈斯纳效
11、应”，穿过厚超导环的磁通量量子化现象，描述两个不同电 压超导体的连接处交流电频率的约瑟夫森公式都可以由电磁规范不变性发生 破缺的假设得到，而不需要知道对称破缺的机制。 凝聚态物理学家一般通过“序参量”（order parameter）来追踪这些现象，在这里 是两个电子场之积的的非零平均值，但我认为这是一种误导。两个电子场没什么 特别的；我们也可以把三个电子场和另一个电子场的复共轭之积当做序参量。重 要的是对称破缺，以及没有破缺的子群。 自发对称破缺并没有出现在巴丁、库珀和施里弗的开创性论文中，这可能令人震 惊。他们的论文描述了电磁规范不变性发生破缺的机制，但他们是从动力学模型 中导出超导体的性
12、质，而不是从对称破缺的事实导出。我不是说巴丁、库珀和施 里弗不知道这种自发对称破缺。实际上，那时已经存在大量文献讨论超导唯象理 论中明显违背规范不变性的问题，即超导体中电磁场产生的电流取决于“矢量势” （vector potential），它不遵从规范不变性。但是巴丁、库珀和施里弗的注意力 集中在了动力学的细节而不是对称破缺。 这不仅仅是研究风格的问题。正如巴丁、库珀和施里弗所阐述的那样，他们 的动力学模型基于一个近似，即一对电子只有在它们的动量非常接近某个值 的时候才会发生相互作用，这个值称作“费米面”（Fermi Surface）。这就带 来了一个问题：如何以近似的动力学理论为基础，来理解
13、超导的精确性质呢 ？比如严格为零的电阻和严格的通量量子化。只有以严格的对称原理来论证 才能充分解释超导体非同寻常的精确性质。 虽然 BCS 论文中没有强调自发对称破缺，但是认识到这一现象却在粒子物理 中掀起了一场革命。原因是（我有一定的资格讨论这个问题，稍后回来）， 只要对称发生了自发破缺，系统中就一定存在频率在长波极限为零的激发。 在粒子物理中，这意味着零质量的粒子。 这个普遍结果的第一条线索来自南部阳一郎（Yoichiro Nambu）1960年论文 中的评论：规范不变性在超导体中失效，而支配物质和电磁的更基本理论则 具有严格的规范不变性；超导体中的这种集体激发在调和这个问题中扮演了 重要
14、的角色。南部推测，这些集体激发是这个严格规范不变性的必然结果。 不久以后，南部把这个思想很好地应用在了粒子物理中。在 衰变中，电子和 中微子（或它们的反粒子）由原子核中流动的两种不同的流产生，即矢量流和轴 矢量流。当时已知矢量流是守恒的，就像普通的电流守恒。那么轴矢量流也是守 恒的吗？ 流的守恒通常暗示更加基础的理论中的某些对称性，而且无论对称是否自发破缺 都成立。对于普通的电流，这个对称是电磁规范不变性。同样地， 衰变中的矢 量流守恒是因为核物理中的同位旋对称。不难想到，手征对称（chiral symmetries）中一些不同对称将暗示轴矢量流的守恒。但是，情况看起来是这 种手征对称暗示两种
15、可能：核子质量为零，这当然不对；或者一定存在零质量零 自旋负宇称强相互作用粒子的三重态，这也不对。这两种可能只不过对应对称性 （无论哪种对称）的两种可能，即是否发生对称破缺，不仅存在于类似超导体材 料中，甚至存在于真空之中。 南部认为的确存在这样一种对称，而且会在真空中自发破缺，但是发生自发破缺 对称并不是完全对称（exact symmetry），所以对称破缺所要求的零自旋负宇称 粒子不是零质量，而是具有远小于其他强相互作用粒子的质量。他发现这种小质 量的粒子不是别的，正是 介子在所有介子中最轻也是第一个被发现的介 子。随后，在与乔瓦尼约纳-拉西尼奥（Giovanni Jona-Lasinio
16、）合作的论文中 ，南部给出了一个说明性理论。利用激进的近似，他们发现一个合适的手征对称 发生了自发破缺，结果就是轻质量的介子以核子和反核子的束缚态出现。 在这个时候，还没有人证明完全对称的破缺总能推出严格零质量的粒子， 只在一些特定的理论中存在一些近似计算的例子。1961年杰弗里戈德斯通 （Jeffrey Goldstone）给出了这类问题的更多例子，并证明这是个普遍的结 论。今天我们把这种零质量粒子称作“戈德斯通玻色子”（Goldstone boson ），或“南部-戈德斯通玻色子”。很快，戈德斯通、阿卜杜勒萨拉姆（ Abdus Salam）和我将其发展为严格并且非常普遍的结果。 宇宙涨落 这个定理在物理学的很多分支都有应用，其中一个是宇宙学。你或许知道 我们对宇宙微波背景辐射的观测正用于对宇宙指数膨胀期的性质设置约束 ，这一时期称作“暴胀”（inflation），被广泛认为发生于辐射支配宇宙之前 。但这有个问题，在暴胀结束和宇宙微波背景辐射发出之间，存在许多没 有完全理解的事件：暴胀后宇宙温度提高，重子的产生，冷暗物
