[科普中国]-Nambu-Goldstone定理

南部-戈德斯通定理（Nambu-Goldstone Theorem）指连续对称性被自发破缺后必存在零质量玻色粒子这一定论，此粒子被称为戈德斯通玻色子（或称南部-戈德斯通玻色子）。这个定理在粒子物理中有着重要应用，如π介子就是对应着近似手征对称性破缺的戈德斯通玻色子。

粒子物理学粒子物理学是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。

亚原子粒子现代粒子物理学的研究集中在亚原子粒子上。这些粒子的结构比原子要小，其中包括原子的组成部分如电子、质子和中子（质子和中子本身又是由夸克所组成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和μ子，以及许多其它奇特的粒子。

严格地说“粒子”这个称呼不精确，粒子物理学中研究的所有的物体都遵守量子力学的规则，它们都显示波粒二象性，根据不同的实验条件它们显示粒子的特性或波的特性。在物理理论中，它们既非粒子也非波，理论学家用希尔伯特空间中的状态矢量来描写它们，详细的理论基础为量子场论。但按照粒子物理学的常规在这篇文章中这些物体依然被称为“粒子”，虽然这些粒子也具有波的特性。

今天所知的所有基本粒子都可以用一个叫做粒子物理标准模型的量子场论来描写。标准模型是目前粒子物理学中最好的理论，它包含37种基本粒子，这些基本粒子相互结合可以形成更加复杂的粒子。从1960年代以来实验物理学家已经发现和观察到了上百种复合粒子了。标准模型理论几乎与至今为止观察到的所有的实验数据相符合。虽然如此大多数粒子物理学家相信它依然是一个不完善的理论，一个更加基本的理论还有待发现。最近发现的中微子静质量不为零是第一个与标准模型出现偏差的实验观测。

历史前6世纪古希腊的哲学家就提出物质是由基本粒子组成的猜测。流西普斯、德谟克里特斯和伊比鸠鲁是“原子论”的代表人物。17世纪时艾萨克·牛顿也有过物质是由粒子组成的想法。1802年约翰·道尔顿正式提出所有物质是由原子组成的理论。

1869年季米特里·门捷列夫发表的元素周期表加深了原子论的设想。约瑟夫·汤姆孙发现了原子中存在带有负电荷、质量非常小的电子，认为原子是由质子和被束缚的电子组成的。欧内斯特·卢瑟福证明质子集中在非常紧密的原子核中。1932年英国物理学家查德威克发现了中子，至此，人们认识到原子核是由质子和中子组成的，电子在原子核外运动。

20世纪原子物理学和量子物理学的研究导致了裂变和聚变的发现和实验成功。人类能够将一个元素的原子转换成另一个元素的原子。

1950年代和60年代中许多新的粒子被发现，它们被统称为“粒子动物园”。直到1970年代粒子物理的标准模型建立，将大多数这些粒子看作是少数基本粒子的复合粒子后这个混乱才减轻。

标准模型理论目前描写基本粒子的最成功的理论是标准模型理论，它使用规范玻色子来描写强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。光子、W及Z玻色子和胶子都属于规范玻色子。此外按标准模型理论物质是由24种基本粒子组成的，最后这个理论还预言了希格斯玻色子。

展望世界各地的粒子物理学家对粒子物理学近期和中期最重要的目标的见解是一致的。近期的目标是于2007年完成大型强子对撞机并用它来寻找希格斯玻色子和超对称粒子。中期的目标是建造国际直线对撞机（International_Linear_Collider, ILC）。这个对撞机的技术实现方法已于2004年8月决定，但其地址还没有决定。国际直线对撞机与大型强子对撞机是互相补充的实验设备，大型强子对撞机更适合用来寻找新的粒子，而国际直线对撞机则更适合用来精确地测量这些粒子的特性。

粒子物理学的其它重要目标包括测量中微子的静质量和澄清质子的双重β衰变是否存在。这些实验不一定需要使用对撞机。1

连续对称在数学里，连续对称是观察如运动等之某些对称性概念而自然产生出的观念，和由一个状态翻转至另一状态而不变的镜射对称相对。它大量地且成功地被公式化于数学的许多如拓扑群、李群及群作用等概念上。连续对称在这些公式化的概念中，最实用的是在拓扑群之群作用中的被应用。

最简单的运动可以视为如三维空间中的欧几里德群等李群的单参数子群。例如，平行x轴、u单位量之平移为单参数群。绕为z轴的旋转也是单参数群。

连续对称在理论物理中的诺特定理有着很基本的重要性，此定理由系统的对称(尤其是连续对称)中导出守恒定律来。2

自发对称破缺自发对称破缺（spontaneous symmetry breaking）是某些物理系统实现对称性破缺的模式。当物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身并不具有这种对称性，则称此现象为自发对称破缺。这是一种自发性过程（spontaneous process），由于这过程，本来具有这种对称性的物理系统，最终变得不再具有这种对称性，或不再表现出这种对称性，因此这种对称性被隐藏。因为自发对称破缺，有些物理系统的运动方程或拉格朗日量遵守这种对称性，但是最低能量解答不具有这种对称性。从描述物理现象的拉格朗日量或运动方程，可以对于这现象做分析研究。

对称性破缺主要分为自发对称破缺与明显对称性破缺两种。假若在物理系统的拉格朗日量里存在着一个或多个违反某种对称性的项目，因此导致系统的物理行为不具备这种对称性，则称此为明显对称性破缺。

如右图所示，假设在墨西哥帽（sombrero）的帽顶有一个圆球。这个圆球是处于旋转对称性状态，对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置不变。这圆球也处于局部最大引力势的状态，极不稳定，稍加摄动，就可以促使圆球滚落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力势位置，使得旋转对称性被打破。尽管这圆球在帽子谷底的所有可能位置因旋转对称性而相互关联，圆球实际实现的帽子谷底位置不具有旋转对称性──对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置会改变。

大多数物质的简单相态或相变，例如晶体、磁铁、一般超导体等等，可以从自发对称破缺的观点来了解。像分数量子霍尔效应（fractional quantum Hall effect）一类的拓扑相（topological phase）物质是值得注意的例外。3

玻色子在量子力学里，粒子可以分为玻色子（英语：boson）与费米子。保罗·狄拉克为了纪念印度物理学者萨特延德拉·玻色的贡献，因此给出玻色子的命名。玻色与阿尔伯特·爱因斯坦合作发展出的玻色-爱因斯坦统计可以描述玻色子的性质。在所有基本粒子中，标准模型的几个传递作用力的规范子，光子、胶子、W玻色子、Z玻色子都是玻色子，赋予基本粒子质量的希格斯子是玻色子，已被证实。在量子引力理论里传递引力的引力子也是玻色子，尚未被证实存在。在复合粒子里，介子是玻色子，质量数为偶数的稳定原子核，像重氢H（原子核由一颗质子和一颗中子组成，质量数为2）、氦-4、铅-208等也是玻色子，准粒子像库柏对、等离体子、声子等都是玻色子。

多个玻色子可以同时占有同样量子态。这是一个很重要的性质。当氦-4因冷却变为超流体时，会显示出这种性质。与之相比，两个费米子不能同时占有同样的量子态。组成物质的基本粒子是费米子，例如，轻子、夸克。玻色子传递作用力使得费米子能够连结在一起。由于玻色子的作用，物质能够黏结在一起。

定义与性质玻色子定义为遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子；根据玻色-爱因斯坦统计，对于N个全同玻色子，假设将其中任意两个玻色子交换，则由于描述这量子系统的波函数具有对称性，波函数不会改变。 费米子遵守费米狄拉克统计；根据费米狄拉克统计，对于N个全同费米子，假设将其中任意两个费米子交换，则由于描述这量子系统的波函数具有反对称性，波函数的正负号会改变。由于这特性，费米子遵守包利不相容原理：两个全同费米子不能占有同样的量子态。因此，物质具有有限体积与硬度。费米子被称为物质的组成成分。

所有已知基本或复合粒子，依照自旋而定，自旋为整数的粒子是玻色子，自旋为半整数的粒子是费米子。在非相对论性量子力学里，这纯为经验观察；但在相对论性量子场论里，自旋统计定理表明，半整数的粒子不能成为玻色子，整数的粒子不能成为费米子。

激光、激微波、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚的基础物理机制为玻色子所遵守的玻色-爱因斯坦统计。另外一个结果是处于热力学平衡的光子气体，其光谱是普朗克谱，例如，黑体辐射、现今称为微波背景辐射的不透明早期宇宙的热辐射。虚玻色子与真实粒子之间的相互作用造成了所有已知的作用力，除了引力已外。

在大型系统里，只当在粒子密度很大时，也就是说，当它们的波函数重叠时，玻色子统计与费米子统计才会显示出来；在密度很小时，两种统计都可以用经典力学的麦克斯韦-玻尔兹曼统计作良好近似。

基本玻色子所有观测到的基本粒子，不是费米子，就是玻色子。所有观测到的基本玻色子都是规范玻色子：光子、W玻色子、Z玻色子、胶子、希格斯玻色子。

胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种。

光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种。

W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种。

希格斯玻色子- 通过希格斯机制将质量给予其它粒子，自旋为0，目前只发现1种。

引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有1种，尚未被发现。

复合玻色子复合粒子是由几个粒子组成，例如，强子、原子核、原子等等。依照组成粒子的自旋，复合粒子可以是玻色子或费米子。更精确地说，由于自旋与统计之间的关系，由偶数个费米子组成的粒子是玻色子，因为它的自旋为整数。

介子是玻色子，它是由一个夸克与一个对应的反夸克组成的强子。

由偶数个核子组成的原子核是玻色子。质子和中子都是费米子，含偶数个核子的原子核具有整数自旋，例如，碳-12有六个质子、六个中子。

氦-4有两个质子、两个中子、两个电子，是复合玻色子。4

参见CP破坏

动力学对称性破缺

明显对称性破缺

南部-戈德斯通定理

大统一理论

量子涨落

对称性破缺

快子

本词条内容贡献者为:

尚华娟 - 副教授 - 上海财经大学