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凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美( 三 )


第二类“自发对称破缺”是物理学家更感兴趣的 。 这种情况下 ， 物理系统仍然遵循某种对称性 ， 但物理系统更低的能量态（包括真空态）却不具有此种对称性 。 这种对称破缺的著名例子包括超导物理中的BCS理论 ， 以及基本粒子标准模型中的希格斯机制（Higgs Mechanism） 。
自发对称破缺
将“自发对称破缺”再表达得更清楚一些 ， 就是说物理规律具有某种对称性 ， 但是它的方程的某一个解 ， 也就是物理系统实际上所处的某个状态 ， 却不具有这种对称性 。 这样 ， 我们看到的世界中一切现实情况 ， 都是“自发对称破缺”后的某种特别情形 。 因此 ， 它只能反映物理规律的一小部分侧面 。 图5中举了几个日常生活中的例子来说明对称性的“破缺” 。
凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美
图5：自然界的明显对称破缺和自发对称破缺
图5a中所示是一个在山坡上的石头 ， 山坡造成重力势能的不对称性 ， 使得石头往右边滚动 ， 这是一种明显对称性破缺 。 在图5b的情况 ， 一支铅笔竖立在桌子上 ， 它所受的力是四面八方都对称的 ， 它朝任何一个方向倒下的几率都相等 。 但是 ， 铅笔最终只会倒向一个方向 ， 这就破坏了它原有的旋转对称性 。 这种破坏不是由于物理规律或周围环境的不对称造成的 ， 而是铅笔自身不稳定因素诱发的 ， 所以叫自发对称破缺 。 图5c的水滴结晶成某个雪花图案的过程也属于自发对称性破缺 。
日裔美国物理学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu ， 1921-2015）首先将“对称破缺”这一概念从凝聚态物理引进到粒子物理学中[7] 。 南部为此和另外两位发现正反物质对称破缺起源的日本物理学家小林诚（Kobayashi Makoto ， 1944-）和益川敏英（Toshihide Maskawa ， 1940-）分享了2008年的诺贝尔物理学奖 。
凝聚态物理和粒子物理 ， 初看似乎是风马牛不相干的两个领域 ， 在研究时所涉及的能量级别上也相差几百亿倍 ， 但它们在本质上却有一个共同之处：研究的都是维数巨大的系统 ， 粒子物理基于量子场论 ， 凝聚态物理研究的是连续多粒子体系 。 量子系统的维数需要趋于无穷大 ， 是自发对称破缺发生的必要条件 。 与相变相关的“对称破缺”思想 ， 应用于粒子物理 ， 解决了标准模型中的质量问题 。
参考文献：
[1].张天蓉科学网博文：《硅火燎原》-21-个性奇特的朗道
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&id=724191
[2].于禄 ， 郝柏林 。 《相变和临界现象》 ， 科学出版社 ， 1992
[3].L.D. Landau ， On the theory of phase transitions ， 1937
Published in: Zh.Eksp.Teor.Fiz. 7 (1937) 19-32, Phys.Z.Sowjetunion 11 (1937) 26, Ukr.J.Phys. 53 (2008) 25
[4].Anderson, More is different, Science Vol. 177, pp. 393-396（1972）
[5].Kosmann-Schwarzbach, Yvette (2010). The Noether theorems:Invariance and conservation laws in the twentieth century. Sources and Studiesin the History of Mathematics and Physical Sciences. Springer-Verlag.
[6].张天蓉科学网博文：统一路-8-对称和守恒
http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=677221&do=blog&id=882465
[7].Nambu, Y.; Jona-Lasinio, G. (April 1961). "DynamicalModel of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity.I". Physical Review 122: 345–358.
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来源：赛先生
凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美
编辑：CHANchan


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