Yu Lu丨Die Schönheit der Symmetriebrechung verwirklicht die Einheit der physischen Welt

Wo ist die Schönheit in gebrochener Symmetrie?

Es hat tatsächlich eine sehr tiefgreifende physikalische Bedeutung.

Aber das Wichtigste ist,

Es erreicht die Vereinigung der physischen Welt.

Yu Lu, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Wissenschaftsexperten sprechen über Wissenschaft | Peking 2021

Hallo zusammen, ich bin Yu Lu. Das Thema, das ich heute diskutieren möchte, ist Symmetrie und ihre Zerstörung.

Wir alle wissen, was Symmetrie ist, und wir alle streben nach der Schönheit der Symmetrie. Symmetriebrechung bedeutet, dass die Elemente der Symmetrie reduziert werden: von sehr symmetrisch über nicht sehr symmetrisch bis hin zu völlig asymmetrisch. Wie kam es zu diesem Fehler? Was ist daran so schön? Darüber möchte ich heute sprechen.

Dies ist chinesisches Papierschneiden. Die Bilder sind sehr schön. Einer der wichtigsten Gründe für ihre Beliebtheit bei den Menschen ist die Symmetrie ihrer Muster.

Symmetrie ist auch ein sehr wichtiges Element in der chinesischen und westlichen Architektur. Dies ist die zentrale Achse der Verbotenen Stadt in Peking.

Dies ist ein Bild des Kirchenschiffs einer westgotischen Kirche. Dies zeigt, dass die Menschen kulturell Symmetrie mögen.

Es gibt in der Natur noch mehr symmetrische Elemente. Schöne Schmetterlinge sind beispielsweise bilateral symmetrisch.

Oben abgebildet sind einige der von uns ausgewählten Eiskristallmuster, die sehr schöne, hochsymmetrische Waffeln und Körner bilden. Das Eis, das wir normalerweise sehen, sind nur Eiswürfel, so schöne Eiskristalle können wir nicht sehen. Wenn Sie diese wunderschönen Eiskristalle sehen möchten, müssen Sie im frühen Frühling in die Vororte fahren. Sie liegen direkt neben dem kleinen Bach in den Bergen.

Ist absolute Symmetrie das Schönste?

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Da Symmetrie so gut ist, ist perfekte Symmetrie die beste? Um dieses Thema zu diskutieren, möchte ich eine Analogie zwischen Wissenschaft und Kunst anführen.

Viele berühmte Wissenschaftler, wie beispielsweise Herr Tsung-Dao Lee, haben insbesondere die Analogien und Verbindungen zwischen Wissenschaft und Kunst hervorgehoben. Er gründete ein Zentrum für fortgeschrittene Studien in China. Dieses Zentrum wurde natürlich als wissenschaftliche Einrichtung gegründet, legte aber auch großen Wert auf die Verbindung von Wissenschaft und Kunst.

Kunstwerke wie Poesie, Malerei, Skulptur und Musik sind allesamt Schöpfungen von Künstlern. Der Künstler bringt seine Inspiration und Beobachtungen mit künstlerischen Mitteln zum Ausdruck und kann so potenzielle Emotionen beim Publikum mobilisieren. Je besser und tiefgreifender die Fähigkeit des Künstlers ist, Emotionen zu mobilisieren, desto größer ist das Publikum des Kunstwerks und desto größer und nachhaltiger wird seine zeitliche und räumliche Reichweite sein.

Naturwissenschaften sind die Lehre von Naturphänomenen und umfassen unter anderem Physik, Chemie, Astronomie, Geologie, Biologie und andere Disziplinen. Doch die Wissenschaft selbst ist eine Schöpfung der Wissenschaftler und der von ihnen zusammengefassten Gesetze. Je einfacher, klarer und tiefgreifender dieses Gesetz ist, desto größer wird seine Wirkung sein und desto umfassender und nachhaltiger wird seine Anwendung sein.

Wissenschaft und Kunst haben also viel gemeinsam. Sie sind beide die Kristallisation menschlicher Weisheit und streben beide nach Schönheit und Universalität.

▲ Auch Kunstwerke legen Wert auf Symmetrie, aber nicht auf „vollständige“ oder „absolute“ Symmetrie

Schauen Sie alle, dies ist ein Gemälde von Herrn Wu Guanzhong, einem berühmten chinesischen Maler. Auf den ersten Blick zeigt das Gemälde einen Baum am Wasser und seinen Schatten. Aber schauen Sie genau hin: Sind dieser Baum und sein Schatten völlig symmetrisch? Nein. Auch die Hänge auf beiden Seiten des dahinterliegenden Bergkamms sind nicht völlig symmetrisch.

Tatsächlich ist vollständige und absolute Symmetrie nicht das Schönste.

Dieses Gemälde wurde von Herrn Wu Guanzhong nach zahlreicher Kommunikation mit Herrn Tsung-Dao Lee geschaffen. Es kann zeigen, was Physiker unter Symmetriebrechung verstehen.

Schauen wir uns ein eindrucksvolleres Beispiel an. Das Buch von Herrn Tsung-Dao Lee enthält Gemälde von Hongren, einem berühmten chinesischen Maler aus der Ming- und Qing-Dynastie. Herr Hongren ist der Gründer der chinesischen Schule für geometrische Landschaftsmalerei. Das Bild links ist sein Originalgemälde. Das Bild rechts ist entlang der Mittellinie des Gemäldes links entstanden, indem die rechte Seite auf die linke Seite gedreht wurde, um die linke und rechte Seite vollkommen symmetrisch zu machen. Die Schönheit des Gemäldes wird durch die künstliche Umkehrung erheblich gemindert.

Für uns ist das eine Offenbarung: In der Kunst geht es um Symmetrie, aber diese Symmetrie ist nicht absolut oder vollständig.

Symmetriebrechung bei Paritätsverletzung

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Das bekannteste und einflussreichste Beispiel für Symmetrie und deren Bruch in der Physik ist die von Yang Zhenning und Li Zhengdao im Jahr 1956 vorgeschlagene Verletzung der Paritätserhaltung.

▲ Chen Ning Yang (1922-) und Tsung-Dao Lee (1926-)

Was ist Parität? Parität ist eine Inversionsoperation. Wenn es nach einer Umkehrung immer noch es selbst ist, bedeutet dies, dass es eine gerade Parität hat. Wenn es nach der Umkehrung negativ wird, bedeutet dies, dass es eine ungerade Parität hat.

Papierschneiden ist das beste Beispiel für eine Umkehrung. Das Papierschneiden erfolgt durch Falten des Papiers und anschließendes Schneiden entlang der Falte. Lassen Sie das Papier nach dem Schneiden los. Es wird natürlich und vollkommen symmetrisch sein. Wenn Sie ihn erneut falten, weist dieser Papierschnitt natürlich vier Symmetriesätze auf: oben und unten sowie links und rechts.

Herr Tsung-Dao Lee hat einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei Symmetrie nicht nur um Statik handelt, sondern dass es sich, was noch wichtiger ist, um einen Bewegungsprozess handelt. Bei der Paritätssymmetrie-Brechung, über die wir heute sprechen, handelt es sich also nicht einfach um die Zerstörung eines Bildes, sondern um einen Prozess. Ist dieser Prozess im Laufe der Zeit immer derselbe?

Lassen Sie mich zunächst über einige einfache Grundkenntnisse sprechen. In der makroskopischen Welt gibt es viele Kräfte. Die bekannteste ist die Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrischen Ladungen oder magnetischen Momenten, die als elektromagnetische Wechselwirkung bezeichnet wird. Elektromagnetische Kraft und Gravitationskraft sind in der makroskopischen Welt sichtbar, es gibt jedoch zwei weitere Kräfte, die nur in der mikroskopischen Welt sichtbar sind, und zwar auf der Quarkebene. Diese beiden Kräfte sind die starke Kraft und die schwache Kraft. Die starke Kraft ist die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen oder Quarks; Die schwache Kraft ist die Kraft zwischen Elektronen und Leptonen. Zur Strahlentherapie wird eine Kobalt-60-Strahlenquelle verwendet. Diese Strahlungsquelle emittiert Elektronen und dieser Prozess ist ein schwacher Prozess.

Als Chen Ning Yang und Tsung-Dao Lee im Jahr 1956 Probleme mit Elementarteilchen untersuchten, entdeckten sie ein Phänomen: Es gab zwei Arten von Teilchen, die ähnlich aussahen, doch am Ende zerfielen die instabilen Teilchen, und die Zerfallsprozesse waren unterschiedlich. Viele Menschen haben hierzu unterschiedliche Meinungen geäußert.

Diese beiden Herren sind Innovatoren in der Wissenschaft. Sie stellten eine innovative Frage: Ist es möglich, dass die Parität bei schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten bleibt?

Sie überprüften sorgfältig die gesamte Literatur und stellten fest, dass es keine experimentellen Beweise dafür gibt, dass die Parität bei schwachen Wechselwirkungen erhalten bleibt. Sie schlugen außerdem theoretisch fünf verschiedene Methoden vor, um zu überprüfen, ob die Parität nicht erhalten bleibt.

▲ Wu Jianxiong (1912-1997)

Im selben Jahr konnte der berühmte chinesische Physiker Chien-Shiung Wu die Verletzung der Paritätserhaltung mithilfe von Kobalt-60 bei sehr niedrigen Temperaturen direkt nachweisen. Dieses Experiment ist sehr schwierig, da es die Kombination von Experimenten der Kernphysik mit Experimenten bei niedrigen Temperaturen erfordert.

Die Veröffentlichung der Versuchsergebnisse von Herrn Wu Jianxiong bewies, dass die Vorhersagen von Herrn Yang und Herrn Li richtig waren. Aus diesem Grund erhielten sie 1957, im zweiten Jahr nach der Veröffentlichung ihres Artikels, den Nobelpreis für Physik. Es kommt in der Geschichte des Nobelpreises nur sehr selten vor, dass eine im ersten Jahr gemachte Entdeckung im zweiten Jahr mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Diese Arbeit war bahnbrechend und leitete eine neue Ära ein.

Phasenübergang und Symmetriebrechung

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Wir wissen, dass Wasser unter Normaldruck bei 100 Grad kocht und bei 0 Grad gefriert. Kochen und Gefrieren ist ein Phasenwechselprozess.

Was haben Phasenübergänge mit Symmetrie zu tun?

Dampf oder Wasser haben eine Eigenschaft namens Translationsinvarianz, was bedeutet, dass es gleich bleibt, wenn es sich entlang einer Ebene bewegt, bei Eis ist das jedoch anders.

Eis sieht aus wie ein glattes Stück Eis, aber wenn Sie ein Mikroskop verwenden oder es mit Röntgenstrahlen bestrahlen, werden Sie feststellen, dass Eis aus Kristallgittern besteht. Das Bild rechts zeigt die tatsächliche Struktur von Eiskristallen. Wenn Sie das Eis verschieben möchten, müssen Sie sich um ein Raster verschieben, wodurch die ursprüngliche Translationsinvarianz aufgehoben wird.

Die Verdunstung und das Gefrieren von Wasser sind nur ein Beispiel, und tatsächlich gibt es in unserem Umfeld viele Beispiele dafür.

Als nächstes stellen wir den ferromagnetischen Phasenübergang und den Curiepunkt vor. Tatsächlich waren es unsere Vorfahren, die als erste den Ferromagnetismus entdeckten, den Kompass, eine der vier großen Erfindungen Chinas. Das Bild links zeigt den damaligen Kompass, und das Bild rechts zeigt den hufeisenförmigen Magneten, den wir aus unserem täglichen Leben kennen.

Was ist Magnetismus? Beispielsweise haben Eisenatome einen kleinen Spin oder ein kleines magnetisches Moment, was Ferromagnetismus ist. Die magnetischen Momente oder kleinen Spins sind alle in die gleiche Richtung angeordnet, was als Ferromagnet oder magnetische Ordnung bezeichnet wird.

▲ Ferromagnetischer Phasenübergang - Curiepunkt

Bei steigender Temperatur nimmt der Ferromagnetismus immer mehr ab und die Richtungen der kleinen magnetischen Momente sind nicht mehr völlig parallel. Wenn die Temperatur bis zum Curiepunkt ansteigt, werden die kleinen magnetischen Momente völlig zerstört, der Magnetismus des Ferromagneten geht verloren und er wird zu einem Paramagneten. Dies ist ein klassisches Beispiel.

Tatsächlich kommt das Phänomen des Phasenwechsels in der mikroskopischen Welt häufiger vor. Die Gesetze, denen mikroskopische Teilchen gehorchen, unterscheiden sich von der uns bekannten Newtonschen Mechanik. Diese Teilchen selbst haben eine duale Natur: Sie sind sowohl Teilchen als auch Wellen.

▲ Der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts

Da Licht eine Welle ist, bedeutet dies, dass es aufgrund der Wellennatur des Lichts zu Interferenzen kommt, wenn Licht durch einen schmalen Schlitz und dann durch zwei schmale Schlitze hindurchtritt und sich dahinter ein Objekt befindet, das Licht erkennen kann.

Der offensichtlichste Beweis für die Teilchennatur des Lichts ist der photoelektrische Effekt. Dies bedeutet, dass Elektronen entweichen, wenn Licht auf die Oberfläche einiger Metalle fällt.

▲ Der Welle-Teilchen-Dualismus der Elektronen

Elektronen haben die gleiche Eigenschaft. Nachdem der Elektronenstrahl zwei schmale Schlitze passiert hat, ist dieses Interferenzmuster auch hinter den schmalen Schlitzen zu sehen. Dies wird als Elektronenbeugung bezeichnet.

Der offensichtlichste Beweis für die Teilchennatur von Elektronen ist der umgekehrte Effekt des photoelektrischen Effekts. Das Bild rechts zeigt die Röntgenstrahlen, die der deutsche Wissenschaftler Röntgen im späten 19. Jahrhundert erfunden hat. Röntgenstrahlen haben eine extrem starke Durchdringungskraft und extrem kurze Wellenlängen und werden in der Medizin häufig eingesetzt.

Bose-Einstein-Kondensation und Symmetriebrechung

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Wie können wir also anhand eines einfachen Bildes die Dualität der Teilchen in der mikroskopischen Welt veranschaulichen?

In der mikroskopischen Quantentheorie gibt es für Teilchen kein Konzept einer Flugbahn, sie können also nicht verfolgt werden. Dadurch ist es unmöglich zu unterscheiden, welches Teilchen A und welches Teilchen B ist.

Daraus lässt sich folgern, dass mikroskopische Partikel auch als identische Partikel bezeichnet werden und nicht unterscheidbar sind. In den 1920er Jahren wurde entdeckt, dass die Eigenschaften eines Teilchens mit seinem Spin zusammenhängen, dem Spin, der dem Ferromagnetismus zugrunde liegt.

▲ Quantenstatistik – Teilchen sind nicht unterscheidbar

Es gibt zwei Arten von Spin, einer wird Boson genannt. Wenn der Spin eine ganze Zahl wie 0, 1 oder 2 ist, spricht man von einem Boson, das viele Teilchen im gleichen Zustand aufnehmen kann. Photonen sind eine Art Bosonen. Der andere Typ heißt Fermionen und hat einen halbzahligen Spin, der Spin eines Elektrons beträgt beispielsweise 1/2. Jeder Fermionenzustand kann nur ein Teilchen aufnehmen.

▲ Bose-Einstein-Kondensation (BEC)

Bosonen können eine Bose-Einstein-Kondensation durchlaufen, wie beispielsweise die Suprafluidität von flüssigem Helium. Helium ist das letzte Gas, das verflüssigt wird, und wird erst flüssig, wenn die Temperatur weniger als 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt.

▲ Pyotr L.Kapitza und 4He-Suprafluidität

Der Entdecker dieses erstaunlichen Phänomens war Peter Kapitsa, ein berühmter Physiker aus der ehemaligen Sowjetunion. Er entdeckte, dass Helium, wenn man es in einen Behälter gab und an der Öffnung des Behälters ein sehr kleines, sehr dünnes Kapillarloch öffnete, wie ein Springbrunnen hinter unter Druck stehendem Wasser nach oben spritzte. Dies ist der Springbrunneneffekt in flüssigem Helium.

▲ Suprafluidität von flüssigem Helium

Auch dieses Bild ist sehr interessant: Wenn man supraflüssiges flüssiges Helium in ein hängendes Becken gibt, fließt das flüssige Helium an der Beckenwand entlang heraus. Schauen Sie genau hin, es tropft ständig flüssiges Helium herunter.

Ist Supraleitung ein Bose-Kondensationsphänomen?

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Ein ähnliches Phänomen tritt in der Elektronik auf. In Metallen und Legierungen beobachten wir Supraleitung. Was ist Supraleitung?

▲ Null Widerstand

Einer davon ist das völlige Fehlen von Widerstand. Nachdem Kammerlingh Onnes Helium verflüssigt hatte, entdeckte er, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber plötzlich verschwindet, wenn es auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt wird.

Wenn wir einen Magneten in die Nähe einer Leiterspule bringen, induziert der Magnet darin einen elektrischen Strom. Normalerweise nimmt der Strom im Leiter schnell ab, wenn der Magnet entfernt wird. Handelt es sich jedoch um einen Supraleiter, wird er im Prinzip oder im Idealfall nie abfallen. Diese Eigenschaft wird als Dauerstrom bezeichnet.

▲ Völlig antimagnetischer Meissner-Effekt

Supraleiter haben noch eine weitere erstaunliche Eigenschaft: Sie sind vollständig antimagnetisch. Ferromagnete konzentrieren alle magnetischen Kraftlinien auf sich selbst, während Supraleiter das Gegenteil bewirken und alle magnetischen Kraftlinien verdrängen. Das Bild rechts zeigt den Prototyp einer supraleitenden Magnetschwebebahn. Wenn Sie einen Magneten auf einen Supraleiter legen, schwebt dieser immer in der Luft. Dies wird als vollständiger Diamagnetismus bezeichnet.

▲ Bestellparameter

Wenn wir den Phasenübergang beschreiben wollen, müssen wir einen Ordnungsparameter einführen. Phasenübergänge können in zwei Kategorien unterteilt werden: Phasenübergänge erster Ordnung mit einem Sprung in der Mitte und kontinuierliche Phasenübergänge mit einer kontinuierlichen Änderung.

▲ Symmetriebrechung

Ein wichtiger Aspekt bei der Beschreibung des Phasenübergangs ist die Symmetriebrechung. Ein Quadrat hat beispielsweise acht symmetrische Elemente. Wird es in ein Rechteck umgewandelt, bleiben nur noch vier symmetrische Elemente übrig. Der Spin ändert sich von der Möglichkeit, entweder nach oben oder nach unten zu drehen, zu der Möglichkeit, nur nach oben oder nach unten drehen zu können. Das bedeutet, dass aus zwei symmetrischen Elementen ein Element wird und keine Symmetrie mehr besteht. Dies sind diskrete Symmetrien.

▲ Ferromagnet - Rotationssymmetriebruch

Eine andere Art von Symmetrie ist die kontinuierliche Symmetrie. Was ist kontinuierliche Symmetrie?

Der Umfang des Bodens einer runden Schüssel ist symmetrisch, aber wenn seine Temperatur gesenkt wird, ist er nicht mehr der Boden einer Schüssel, sondern wird zum Boden einer Weinflasche oder eines mexikanischen Strohhuts. Warum? Dies liegt daran, dass sein Ordnungsparameter selbst nicht durch reelle Zahlen, sondern durch komplexe Zahlen ausgedrückt wird.

Die reellen Zahlen, die wir zuerst gelernt haben, können durch Punkte auf der Zahlenachse dargestellt werden, während komplexe Zahlen durch Punkte auf der komplexen Ebene beschrieben werden müssen. Auf der komplexen Ebene gibt es zwei Achsen, die ebenfalls Richtungen haben und kontinuierliche Symmetrien beschreiben können.

Tatsächlich wusste man bereits im 19. Jahrhundert, wie man Phasenübergänge beschreibt, und verfügte auch über eine sehr einfache Theorie zur Beschreibung von Phasenübergängen. Diese Theorie wurde später auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlichen Bereichen viele Male wiederentdeckt.

▲ Landau-Mittelfeldtheorie

Der sowjetische Gelehrte Landau reduzierte diese Theorie auf ein sehr einfaches Bild, das einer Potentialfunktion mit einem Potentialtopf und einem Ordnungsparameter entspricht. Wenn die Temperatur über der Übergangstemperatur liegt, wie bei der sehr glatten Schüssel, die ich zuvor erwähnt habe, und wenn sie unter dem Phasenübergangspunkt liegt, werden Sie feststellen, dass sie zwei Böden statt einem hat. Auf diese Weise wird die ursprüngliche Links-Rechts-Symmetrie gebrochen und nur eine bleibt übrig.

Diese Theorie wurde lange Zeit bis in die 1960er Jahre verwendet, bis durch präzise experimentelle Messungen festgestellt wurde, dass einige der präzisen Vorhersagen dieser Theorie falsch waren. Daraufhin entwickelte man eine neue Theorie: die Renormierungsgruppe.

Beim Phänomen der Supraleitung gibt es zwei grundlegende Phänomene, eines davon ist der Nullwiderstand.

▲ Gewöhnlicher Dirigent

Diese Animation zeigt, wie Elektronen in normalen Metallen während ihrer Bewegung durch verschiedene Faktoren gestört und gestreut werden.

▲ Supraleiter

Diese Animation demonstriert die geordnete Bewegung von Elektronen in einem Supraleiter.

Das Phänomen der Supraleitung muss also zwei Dinge erklären. Erstens hat es keinen Widerstand und zweitens ist es völlig antimagnetisch.

▲ Bardeen erkannte, dass die Energielücke im elementaren Anregungsspektrum zur „Starrheit“ der Wellenfunktion führen würde

Ein normaler elektrischer Strom hat zwei Terme, einen paramagnetischen Term und einen diamagnetischen Term. Unter der Annahme, dass der Quantenzustand der Wellenfunktion starr ist, wird es nicht einfach sein, Anregungen mit sehr niedriger Energie zu haben, der paramagnetische Term wird verschwinden und nur der diamagnetische Term wird übrig bleiben. Dies ist die Londoner Gleichung.

In jedem Fermionenzustand kann es nur ein Elektron geben, und diese füllen sich langsam auf. Was schließlich entsteht, wird als Fermi-Fläche bezeichnet. Die Elektronen in der Fermi-Fläche bilden die Fermi-Kugel. Wenn sich auf der Fermi-Kugel zwei weitere Elektronen befinden, die eine Anziehungskraft ausüben, egal wie schwach die Anziehungskraft ist, können sie einen gebundenen Zustand bilden und sich zu einem Teilchen verbinden.

▲ Cooper-Paarungsphänomen

Veranschaulichen Sie dieses Paarungsphänomen anhand einer Animation: Im Gitter können sich aufgrund der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Gitter zwei Elektronen zu Cooper-Paaren zusammenschließen. Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis.

▲ „Doppelknoten bekommen Flügel und werden zu Supraleitern“

In Bezug auf das Phänomen der Supraleitung hat der Maler Hua Junwu nach einer Diskussion mit Herrn Tsung-Dao Lee ein anschauliches Bild entworfen: Für eine einzelne Biene ist es sehr schwierig, sich zu bewegen, aber wenn sie sich paarweise zusammenschließen, können sie frei fliegen.

Da Cooper-Paare selbst Fermionen sind, die Bosonen bilden, können Bosonen kondensieren. Da die Cooper-Paare jedoch sehr dick und sehr groß sind, sind sie nicht alle getrennt, sondern überlappen sich gegenseitig, sodass diese Angelegenheit etwas komplizierter wird.

Diese Wellenfunktion wurde von John Robert Schrieffer vorgeschlagen und besteht aus dem Produkt und der Summe vieler Terme. Wenn jedes Element gepaart werden soll, um Elektronenpaare zu erzeugen, kann dies nur erreicht werden, wenn die Spinrichtung des einen Impulses K nach unten und die Spinrichtung des anderen Impulses -K nach oben zeigt.

Obwohl diese Funktion das Problem der Supraleitung löst, enthält sie viele Komponenten, von denen jede N, N+2 oder N-2 sein kann, da die Anzahl der Teilchen in der Wellenfunktion nicht erhalten bleibt. Dies steht im Widerspruch zum ursprünglichen Rahmen der Physik. Erst 15 Jahre später, im Jahr 1972, als die Vorhersagen der BCS-Theorie durch Experimente bestätigt wurden, wurden sie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Dies ist ein Paradebeispiel für eine kontinuierliche Symmetriebrechung.

Entwicklung der Supraleitungstheorie

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Da der Ordnungsparameter der Supraleitung eine komplexe Zahl ist, gibt es zwei Schwingungsmodi. Einer davon ist der radiale Schwingungsmodus. Dieser Modus selbst hat eine Energielücke, die seiner Amplitude entspricht. Ein weiterer Schwingungsmodus ist der Phasendrehwinkelmodus, der masselos ist.

▲ Symmetriebrechung und Goldstone-Boson

Wer hat die Symmetriebrechung der Supraleitung, also die Existenz einer realen Phase, formal vorgeschlagen?

Es wurde von Brian Josephson vorgeschlagen, einem damals 22-jährigen Doktoranden an der Universität Cambridge, nachdem er von Andersons Kurs über Symmetriebrechung inspiriert worden war.

▲ Josephson-Effekt

In Halbleitern gibt es einen Tunneleffekt. Befinden sich auf beiden Seiten Leiter und in der Mitte eine Isolierschicht, können Elektronen nach Anlegen einer Vorspannung hindurchtreten.

Der Tunneleffekt ist normalerweise ein Tunneleffekt einzelner Elektronen, Josephson sagte jedoch den Tunneleffekt von Cooper-Paaren voraus. Dies bedeutet, dass Cooper-Paare den „Tunnel“ paarweise ohne jeglichen Widerstand passieren können. Wenn keine Vorspannung angelegt wird, kann supraleitender Strom fließen.

▲ PW Anderson

Anderson leistete einen noch wichtigeren Beitrag. Am Beispiel der Supraleitung schlug er eine neue Idee vor, den sogenannten Anderson-Higgs-Mechanismus. Dabei wird zur Symmetriebrechung der Supraleitung ein Eichfeld hinzugefügt, wodurch die ursprünglich masselosen Teilchen in massereiche Teilchen umgewandelt werden. Diese Angelegenheit ist sehr tiefgreifend.

Anderson-Higgs-Mechanismus

In Supraleitern ist das Eichfeld das Coulomb-Feld. Nach der Kopplung von Supraleitung und Coulomb-Feld sind keine masselosen Bosonen mehr zu beobachten, sichtbar sind sogenannte Plasmonen. In der Teilchenphysik wurde diese Angelegenheit von Herrn Higgs angesprochen und sie ist sehr wichtig.

▲ Weinberg-Salam-Theorie der elektroschwachen Vereinigung

Der Symmetriebrechung im Supraleitungsmechanismus und im Anderson-Higgs-Mechanismus haben einen neuen Weg für die gesamte Theorie der Teilchenphysik eröffnet und neue Durchbrüche ausgelöst. Ein entscheidender Schritt in diesem Prozess war das Weinberg-Salam-Modell, das Steven Weinberg und Abdus Salam Mitte der 1960er Jahre vorgeschlagen und in den 1980er Jahren durch Experimente der Europäischen Organisation für Kernforschung bewiesen haben. Diese Theorie schlägt vor, schwache Wechselwirkung und elektromagnetische Wechselwirkung in einem einheitlichen Rahmen zu vereinen.

Das Standardmodell und das „Gottes“-Teilchen

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Wer hat dieses Framework ursprünglich vorgeschlagen?

Der theoretische Rahmen des Weinberg-Salam-Modells wird als Yang-Mills-Feldtheorie bezeichnet und wurde 1954 von Herrn Yang Zhenning und seinem Postdoktoranden Mills vorgeschlagen. Als diese Theorie vorgeschlagen wurde, stieß sie auf viel Widerstand. Auch Pauli, eine Autorität auf dem Gebiet der theoretischen Physik, erhob Einwände und meinte, dass es in dieser Theorie ein masseloses Boson geben müsse, dieses masselose Boson aber auf der Welt schlicht nicht existiere.

Aber Herr Yang bestand weiterhin auf der Veröffentlichung. Spätere Entwicklungen bewiesen, dass die gesamte Theorie der Teilchenphysik tatsächlich innerhalb der Rahmenplattform von Herrn Yang etabliert werden kann.

▲ Standardmodell

Aus der vereinheitlichten Theorie der schwachen und elektromagnetischen Kraft wurde, nachdem später die starke Kraft hinzugefügt wurde, ein vollständiges Modell der Elementarteilchen, nämlich das Standardmodell.

▲ Standardmodell

Sie haben vielleicht schon von Quarks und Leptonen gehört und wissen, dass es zwischen ihnen zahlreiche Wechselwirkungen gibt. Das Wichtigste im gesamten mikroskopischen Universum ist die Suche nach einem Higgs-Teilchen, das gleichzeitig ein Boson ist.

▲ Die Entdeckung des „Gottes“-Teilchens

Alle anderen Teilchen des Standardmodells wurden entdeckt, aber das Higgs-Boson wurde nie gefunden. Erst 2013 wurde dieses „Gott“ genannte Teilchen bei einem Experiment der Europäischen Organisation für Kernforschung entdeckt. Dies ist der Schlüssel zur Richtigkeit des gesamten Standardmodells. Damit ist das Modell der Elementarteilchen begründet.

Die Schönheit gebrochener Symmetrie

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▲ Symmetriebrechung: vom Mikroskopischen zum Kosmischen

Darüber hinaus ist der Bau einer Brücke zwischen der mikroskopischen und der makroskopischen Welt untrennbar mit der Brechung der Symmetriebrechung verbunden.

Nach bestehenden Vorstellungen begann das Universum mit einem Urknall, und nach dem Urknall kam es innerhalb kürzester Zeit zu einer Phase beschleunigter Expansion. Diese Inflation wird durch eine Art Symmetriebrechung verursacht.

▲ Alter des Universums

Tatsächlich macht die uns heute bekannte Masse nur einen sehr kleinen Teil der Masse des gesamten Universums aus, und der überwiegende Teil des Rests besteht aus dunkler Masse und dunkler Energie. Was diese dunkle Masse und dunkle Energie sind, ist noch nicht vollständig geklärt.

Nachdem ich so viel gesagt habe, möchte ich kurz darauf eingehen. Wo ist die Schönheit in gebrochener Symmetrie?

Es hat tatsächlich sehr tiefgreifende physikalische Auswirkungen, aber das Wichtigste ist, dass es die Vereinigung der physikalischen Welt erreicht. Zuerst kommt es zur Vereinigung der mikroskopischen Welt, und dann kommt es zur Vereinigung der mikroskopischen und der makroskopischen Welt.

Die Schönheit gebrochener Symmetrie existiert also tatsächlich, man kann sie jedoch erst dann wirklich wertschätzen und auskosten, wenn man einige Dinge versteht.

Vielen Dank an alle!

- ENDE -

Die Artikel und Reden geben lediglich die Ansichten des Autors wieder und stellen nicht die Position des Gezhi Lundao Forums dar.