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對稱性自發破缺

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物理體系從高溫到低溫的過程中,或者從高能級到基態的過程中,從一個對稱的體系變得不對稱的過程,稱為對稱性自發破缺

1最簡單的對稱性自發破缺

將一根火柴棍直立在桌上,這時火柴棍與重力,桌面構成的體系具有以火柴棍為軸的旋轉對稱性。火柴棍如果圓頭朝下,那肯定是立不穩的,總會倒下,指向某個特定的方向,破壞先前的旋轉對稱性。這一過程中,對稱性從有到無,自發地消失,因此叫做對稱性自發破缺。

2順磁鐵磁相變中的對稱性自發破缺

大家常見的永磁鐵通常都是鐵磁體。鐵磁體隨著溫度的升高,磁性會逐漸下降。直到超過某個特定的溫度后,磁性會完全消失。在這個溫度以上,只要沒有外界磁場,磁體不能自己產生磁場,這時鐵磁體已經變成順磁體。這個轉變溫度稱為居里溫度。將居里溫度以上的材料逐漸降溫,材料會由不能自己保留磁場的順磁體變回能夠自己產生磁場的鐵磁體。只要溫度降得足夠緩慢,恢復后的鐵磁體往往會帶有磁場。考慮材料在居里溫度以上到居里溫度下這個轉變。在居里溫度以上,磁體是往往是各向同性的(某些特殊材料除外)。物理體系具有很大的對稱性。從宏觀上看,這時材料沒有磁性,因此也不存在特定的方向。當溫度降低時,磁體恢復磁性。如果沒有外界磁場誘導,恢復的磁場方向將是隨機的,這跟之前處在一個沒有特殊方向的狀態相關。材料恢復磁場,說明它內部選擇了某一個特定的方向作為體系的特定方向。對稱性不再保持。這一相變,由具有對稱性的狀態,自動變到了不具有對稱性的狀態,就是對稱性自發破缺

3粒子物理中的對稱性自發破缺我們所處的世界

粒子物理學家認為,我們所處的世界相對於理論物理中的某些能標,是一個能量很低的狀態。因此,只要構成我們世界的基本規律允許,我們完全有可能處在一個對稱性自發破缺了的世界。理論物理學家用對稱性自發破缺解釋弱相互作用和電磁相互作用的分離,其中最重要的機制是希格斯機制。涉及到的一系列理論被稱為粒子物理的標準模型。在該理論下,電磁相互作用和弱相互作用原本是同一個相互作用,稱為電弱相互作用。電弱相互作用與希格斯場耦合,由於希格斯場具有特殊的勢函數,而世界又要選擇能量低的狀態。那麼,希格斯場將會由原來具有su(2)對稱性的場破缺為沒有對稱性的場。破缺使得傳遞弱相互作用的粒子獲得很大的質量,從而弱相互作用比電磁作用弱得多。

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