qft01 物理規律仍然是對稱的，它由系統的拉氏函數決定﹔自然界中之所以有某些量子數在某些作用中不守恆，是因為真空參與了作用。當物質所處基態的物理真空不對稱時，整個系統的對稱性就會發生破缺。這種使物理規律不變而使真空態發生改變的對稱性稱為「對稱性的自發破缺」。現代量子場論認為，真空不是空無一物，而是量子場的基態。量子場之間的交互作用，包括自作用，決定量子場的最低狀態

物理規律仍然是對稱的，它由系統的拉氏函數決定﹔自然界中之所以有某些量子數在某些作用中不守恆，是因為真空參與了作用。當物質所處基態的物理真空不對稱時，整個系統的對稱性就會發生破缺。這種使物理規律不變而使真空態發生改變的對稱性稱為「對稱性的自發破缺」。現代量子場論認為，真空不是空無一物，而是量子場的基態。量子場之間的交互作用，包括自作用，決定量子場的最低狀態

1995年 2月302期｜上一篇｜下一篇 ＃發行日期：1995、02 ＃期號：0302 ＃專欄： ＃標題：實驗室裡的「宇宙大霹靂」（上） ＃作者：葉雲秀 ．對稱性的自發破缺 ．夸克囚禁 ．夸克－膠子等離子體 ．圖一：基本粒子間的基本作用力 表：組成物質的基本粒子 ．圖二：（a）我們的最小宇宙；（b）夸克─膠子等離子體的形成；（c）激發的真空。 ．表		實驗室裡的「宇宙大霹靂」（上） 【摘要】本文介紹了有限無界的宇宙，與目前所認識的微觀最小單元本屬「一家人」。今又我們有可能在實驗室裡重顯這「一家人」──只要通過相對論重離子碰撞，創造出夸克－膠子與離子體。 天體物理學家、宇宙物理學家孜孜不倦地研究宇宙的起源和演化，他們研究的結果，確信了宇宙的起源來自一團熾熱火球的爆炸──宇宙大爆炸（編註一）。在大爆炸早期，即大爆炸後的10-6秒以前，宇宙間充滿著夸克和輕子（lepton，有弱作用而無強作用的粒子）。大爆炸後10-4秒伊始，夸克開始構成強子（hadron有強作用的粒子）；約三分鐘後，強子、輕子開始合成原子核，輕元素開始出現並開始核合成（nucleosynthesis）。此後約三百萬年為複合期（recombination era，電子與原子核結合成原子的時期，雖然這是第一次的結合，但卻以目前回溯，稱之為「複合」），原子形成，星系形成；到一百五十億年（1.5×1010年）後，宇宙就變成現在這個樣子。 如果能產生出大爆炸後的10-6秒之內的物質態，並研究它的性質、狀態方程、演化過程……，那麼就可能為宇宙的起源和演化，提供佐證或提供新的依據。 在研究物質的最小構成單元中，粒子物理發展至今已相當豐富，但還遠沒有達到完美的程度。我們知道，當今描述自然界四類相互作用的理論是：描述強交互作用的量子色動力學（QCD）、描述電-弱交互作用的SU（2）U（1）理論以及描述重力交互作用的廣義相對論。這些在描述現實世界的自然規律中，已獲得了豐碩的成就。但是在這些應用中，還需要17個獨立參數，如質量，況且不知道它們的出處。這些問題從理論框架本身，是無法得到解決的。於是有人猜測，這些獨立參數可能就隱藏在目前我們還不理解，理論上還未能解決的兩個謎之內──對稱性的自發破缺（spontaneous symmetry breaking，或譯為自發失稱）和夸克的囚禁（quark confinement）中。 對稱性的自發破缺 目前理論基本上，都是建立在對稱性的基礎上，例如空間對稱性、時間對稱性、空間旋轉對稱性……。在理論表示上，其特點是在定域規範（例如空間、時間等）變換（local gauge transformation）下，表示交互作用的拉氏函數（Lagrangian）具有不變性，因此就可以與守恆定律一一對應，例如動量守恆、能量守恆、角動量守恆……。可是也有不少對稱量子數在某些交互作用中，如弱作用中不守恆，如空間反射下的宇稱（parity）P等。它們應該對應於一個新類型的基本力，即對稱性破缺的力。 對於這個力，理論界認為它確實存在，但知之甚少。理論上認為交互作用都是通過場作用的，如光子傳遞電磁作用是通過電磁場作用的；粒子傳遞弱作用也是通過一種規範場作用的……。為了理論上的需要，引入的規範場的場量子，都是無靜止質量的。這與實際的粒子不符。但若有人為地引入質量，則又破壞了定域規範不變性，也就破壞了物理規律的對稱性和相應的守恆定律，這是理論界所不希望的。通常我們認為，物理規律仍然是對稱的，它由系統的拉氏函數決定﹔自然界中之所以有某些量子數在某些作用中不守恆，是因為真空參與了作用。當物質所處基態的物理真空不對稱時，整個系統的對稱性就會發生破缺。這種使物理規律不變而使真空態發生改變的對稱性稱為「對稱性的自發破缺」。現代量子場論認為，真空不是空無一物，而是量子場的基態。量子場之間的交互作用，包括自作用，決定量子場的最低狀態。 由此可知，這個謎與物理真空的結構有關。通過研究真空的對稱性，可以進一步研究物理世界的對稱性。物理真空的激發，也許導致希格斯（Higgs）一類粒子的發現；同時，由於理論框架中粒子的質量破壞了手徵對稱性（chiral symmetry），所以對對稱性破缺的了解，將導致對粒子質量起源的了解。 夸克囚禁 我們知道所有強子都是由夸克組成的，但還從未見過單個夸克的存在。我們相信夸克確實作為真實物體存在，而且除頂夸克外都有相對低的質量。並且當它們處在很小的範圍內（小於強子的尺度）時，它們之間的交互作用很小，成為「漸近自由（asymptotically free）」的夸克。 既然這樣，為什麼我們還沒有看到在大於強子尺度上出現自由夸克呢？這是真正的謎。再者，從實驗上知道，所有輕子都可以作為自由粒子存在。而作為物質的基本組合成分與輕子處於同等地位的夸克，不僅不是作為自由粒子存在，而且想把夸克從強子物質中分離出來的任何嘗試，迄今為止都沒有成功。 我們最感興趣的物理問題是：對稱性破缺的作用力，真空的結構和夸克的解禁。傳統的想法是：自然世界是粒子的世界，較大的單元由較小的單元構成。為了尋找最小的結構單元，導致我們得在越來越小的尺度上（<1fm=10-13公分，約為原子核的大小）探討物理的基本現象。但是對稱性破缺和夸克囚禁這兩個謎，在越來越高能量上的長期研究上，卻得不到解決。這迫使我們面對更深刻的問題，即真空可能是一個物理介質，可能這兩個謎都與物理真空有關。一方面，對稱性的破缺可能是由物理真空的不對稱引起的；另一方面，認為色場交互作用的長程部分，是靠真空極化而作用於夸克之上，以約束夸克在整體上為色中性的系統（強子）內，或認為QCD真空是膠子和夸克-反夸克對的冷凝物。因此這兩個問題的研究，都將與物理真空及真空激發有關。 對於上述這兩個謎的研究及解決，正如中央研院院李政道院土所指出的，具有世紀性的地位。我們知道，上個世紀末留給本世紀物理上的兩個謎：一是無絕對慣性系，一是波動粒子二重性。前者成為愛因斯坦相對論的基礎；對後者的研究、發展和解決，則構成了量子力學。這兩個謎在本世紀早期的解決，對科學和技術的發展起了巨大的作用。現代科學技術的發展，無不與此物理上的進展有關。例如核與粒子物理、原子、分子物理、凝聚態物理、量子光學、量子化學、核能、雷射、Ｘ射線技術、半導體、超導體和計算機等。 以目前的實驗室程度來看，本世紀末很可能會把物理上的兩個謎，留到下個世紀去解決。這兩個謎的解決，會給下世紀的科學和技術的發展帶來什麼樣的飛躍？那將是非常鼓舞人心的。 夸克－膠子等離子體 何謂夸克－膠子等離子體？ 物質有固態、液態、氣態和等離子體（編註二）態。通常所說的等離子體，是電－等離子體。我們這裡所說的夸克-膠子等離子體（quark-gluonplasma，簡稱QGP），是物質的本源態。如果在大於強子的尺度上，夸克和膠子是自由存在，而在整體上它們又是色中性的，那麼這樣一團「黏乎乎」的東西，就稱為夸克－膠子等離子體。 最大和最小的粒子 從粒子物理的觀點來看，夸克和輕子（u,d）、（c,s）、（t,b）和及其反粒子是組成物質的基本單元（見表及圖一）。這些粒子再加上傳遞交互作用的光子γ、媒介向量合群粒子W±和Z。以及膠子g，可以說是當今已知最微觀的基元了。這些微觀客體卻與最宏觀的、有限無界的宇宙同屬「一家人」，因為宇宙最初的10-6秒內充滿著夸克和輕子一類物質。自然界真奇妙，最大的與最小的，竟有如此親密的「親緣」關係！（編註三） 實驗室裡的「宇宙大爆炸」 到目前為止，我們已提出了兩個方面的三個問題：宇宙的起源、夸克囚禁和對稱性的破缺。用什麼方法來研究它們呢？我們不可能重睹宇宙大爆炸的壯觀現象，當然也就不可能看到宇宙初期的自由夸克，更不可能跟蹤宇宙的演化過程去研究它的演化。除非到離我們一億光年之遠的宇宙中去研究，因為那裡可能存在著大爆炸後膨脹出去的原始物質。也可以到中子星芯部去研究，因為據估計，中子星芯部的核物質密度超過正常核物質密度的五倍左右。因此那裡可能存在著較為自由的夸克、膠子。但遺憾的是，「遙不可及！」 現在我們已經知道，在實驗室裡模擬宇宙霹靂，創造出較為自由的夸克、膠子來的唯一可能途徑，是利用相對性（即能量很高的，粒子速率接近光速，狹義相對論效應顯著的）重離子碰撞。因為能量高，碰撞時可形成高溫。重離子是由許多核子組成的，相撞時許多高能核子同時參與交互作用，因此能在較大的區域上造成高溫、高密度。當溫度或核物質密度達到某個臨界值時，強子物質內的夸克得以解禁，連同攜帶強交互作用的膠子，一起在大於強子尺度的空間範圍內自由活動，從而形成了夸克－膠子等離子體。同時，在某個臨界溫度條件下，物質的有效質量消失，手徵對稱性得以恢復。 我們稱以上的過程，為強子到夸克-膠子等離子體的相變。圖二即說明這一小的「大霹靂」的效果。圖二之（a）是兩高能重離子相撞，造成我們的最小「宇宙」，它可以把我們帶回到一百五十億年以前的狀態，然後再跟蹤它順時的演化。圖二之（b）從以核到核子到夸克－膠子等離子體的圖像。 此外，相對性重離子相撞，還為我們研究真空結構提供方便條件。在兩重離子碰撞之前，離子之間的真空是一般性的物理真空。當重離子的能量足夠高時，碰撞後兩個核內的核子損失掉一部分能量後穿出碰撞區，幾乎所有的重子（baryon，如中子、質子等粒子）都在朝前和朝後的區域（在質心系中看），中心區在短時間內是無重子的，但是它卻是比普通的物理真空的能量密度高得多的區域。因此該中心區是研究真空激發的理想區域。圖二之（c）表示相對性重離子碰撞時，所造成的真空激發區。（未完，下期續完） 葉雲秀任教於中國科學技術大學 編註一：big bang，指的是宇宙自起始時由一密度極高的熾熱物質擴散開來的形成過程，此間譯為「霹靂」，大陸一般譯為「大爆炸」。「大爆炸」一辭易引起不正確的連想，故此處棄而不用。所謂「爆炸」指的是一緊密的物質置於一廣大的空間中，而此緊密物質在極短時間內迅速散布到整個空間的過程，而宇宙創生的過程卻不然，因為我們所考慮的對象是宇宙，即是全部的空間，此外別無空間，宇宙創生是空間中任兩點的距離尺度都擴張的，沒有中心點，不同於一般爆炸。所以特立一辭，稱之為「霹靂」。 編註二：plasma，指的是電離的粒子組成，局部電荷不為零，但平均起來是電中性的。此間譯為「電漿」，仿「血漿」譯名而來，不如大陸譯名傳神。 編註三：關於基本粒子與作用力，請參看本刊14卷12期〈基本粒子與力的統一理論〉及19卷1期、19卷2期〈場論五十年〉。
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