欢迎访问文稿网!

什么是对称性自发破缺

范文之家 分享 时间: 加入收藏 我要投稿 点赞

什么是对称性自发破缺

    

    什么叫对称性自发破缺?其奥妙何在?

    对称性自发破缺,是南部、基勃尔等人在研究铁磁性理论中发现的,又称隐藏对称性。南部2008年因为自发破缺的杰出工作而与另外两位科学家荣获2008年诺贝尔物理学奖。举一个例子,一个磁化的铁棒,其自由能无论对于N极还是S极都是相同的。当外加磁场不断增强时,铁棒本身磁化效应不断增强,其自由能的密度也不断增强。表示这一种随外场而不断增强的磁化现象称为磁化强度曲线,如下图所示,试看高温下能量与磁化能量的曲线。在三维空间中,曲线实际上是相对纵轴具有转动对称性的曲面。平衡态,即能量最低态处于磁化强度为零处,W形或U形曲线的凹部,此时系统具有明显的转动对称性。

    

南部阳-郎

    

(a)高温磁化强度曲线(b)低温磁化强度曲线
铁磁体磁化曲线

    在低温时,磁化曲线呈现W形(这是典型的自发破缺)。此时平衡态可能处于W形的两个凹部,或在右侧,或在左侧。但对实际系统两者必居其一。假定平衡态处于左侧,似乎系统曲线出现了不对称。深入考究,此时系统的自由能曲线在S极与N极之间依然保持对称。总之,就磁化规律、磁化曲线(面)而言,转动不变性并未破坏,但是对于实际平衡态(左侧)却不存在什么对称性。

    形象地说,设想有“居民”生活于此平衡态处,他们由于“身在庐山”,根本未觉察到任何转动对称性。但是,对于旁观者,能够窥见曲线(面)的“全貌”,自然会说“曲线(面)的真面貌依然风度如故,保持转动的对称性”。于是,就现实的平衡态的居民而言,“对称性”只是隐藏起来了。

    

萨拉姆

    1971年,著名的物理学家萨拉姆(1926~1997)在《欧洲核子中心公报》上撰文,生动地描述对称性自发破缺的例子:

    “设想有一个豪华的宴会,来宾圆桌而坐。从一只鸟的观点来看,这场面是完全对称的。宾客们传递餐巾,每个人从左边或右边邻座传来餐巾的机会应该是均等的(意即具有左、右对称性)。但是一旦有人决定,只接从左边邻座传来的餐巾,其他人也只得效尤,那么对称性就自发破缺了。”

    

对称性自发破缺——萨拉姆的宴会中传餐巾

    也许富宾尼在1974年国际高能物理学术会议上引用法国哲学家布里丹的寓言,说明自发破缺更为生动、更为风趣,也更为贴切了:

    “处于两食槽之间的驴子,看到食槽中的食物都是一样多,它拿不定主意到哪个食槽进食。驴子拿不定主意就是对称性。使驴子做出选择需要外界的影响。驴子的任何选择都使对称性自发破缺。这个外界影响就是希格斯场。”

    布里丹这里已经切入正题。此处希格斯场就是使规范对称性发生自发破缺的外界条件。它相当于在磁性理论中的磁化强度。希格斯场的自相互作用产生的“自能”,即场的势能,相应于磁性理论中的自由能。当然,希格斯场的具体选择,依具体规范对称(群)以及我们最终目的而定。希格斯机制在超导、磁性理论中早有成功应用。

221381
领取福利

微信扫码领取福利

微信扫码分享