導(dǎo)讀：思考，什么是自發(fā)對(duì)稱破缺，這個(gè)機(jī)制為什么如此重要？本文摘自靈遁者量子力學(xué)科普書籍《見微知著》中的篇章。原篇章標(biāo)題為《楊米爾斯場(chǎng)和希格斯場(chǎng)的特點(diǎn)以及關(guān)系說(shuō)明》。
正文：
了解了希格斯粒子和其發(fā)現(xiàn)過(guò)程，我們還需要了解什么是自發(fā)對(duì)稱破缺。自發(fā)對(duì)稱破缺是指在某些自然系統(tǒng)中，其系統(tǒng)具有一定的對(duì)稱性，但在一些特殊的條件下，這種對(duì)稱性會(huì)自發(fā)地被打破。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)處于某個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)下，微觀的隨機(jī)擾動(dòng)就足以引起變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的對(duì)稱性被破壞。
我們可以舉一個(gè)通俗經(jīng)典的例子：水在冷卻到一定溫度以下，會(huì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶓B(tài)。但是，在液態(tài)狀態(tài)下，水分子是沒有固定方向的，因此它的狀態(tài)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。而在冰態(tài)下，由于水分子排列成了一個(gè)有序的晶格結(jié)構(gòu)，因此它的狀態(tài)喪失了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。這種情況就是自發(fā)對(duì)稱破缺，因?yàn)樗怯捎谀承┪⒂^的隨機(jī)擾動(dòng)導(dǎo)致的。這一機(jī)制是南部陽(yáng)一郎發(fā)現(xiàn)的，2008年10月7日南部陽(yáng)一郎因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)次原子物理的對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制而獲得2008年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 。
在物理學(xué)的研究中，自發(fā)對(duì)稱破缺是一個(gè)非常重要的概念，因?yàn)樗婕暗胶芏嘀匾奈锢憩F(xiàn)象，如超導(dǎo)現(xiàn)象、磁疇的形成等等。
可能大家會(huì)問(wèn)，為什么會(huì)發(fā)生自發(fā)對(duì)稱破缺？再通俗一點(diǎn)講，這種自發(fā)對(duì)稱破缺是不可避免的。為什么不可避免？以真空來(lái)說(shuō)，真空不空。從真空可以誕生很多虛粒子，物理學(xué)上有一個(gè)詞叫真空基態(tài)。也就是說(shuō)，真空其實(shí)也是有能量的，最低能級(jí)的能量叫真空基態(tài)。
而大自然似乎異常討厭真空的存在，總會(huì)用一切辦法阻止真空環(huán)境的出現(xiàn)。所以，真空環(huán)境非常不穩(wěn)定，任何的“風(fēng)吹草動(dòng)”都會(huì)讓真空發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生量子場(chǎng)波動(dòng)，從基態(tài)變成激發(fā)態(tài)。也就是說(shuō)，真空不可能完全“空空蕩蕩”。
狄拉克把真空能態(tài)的這種分布情形稱為“負(fù)能電子?！?。狄拉克建立的相對(duì)論量子力學(xué)解決了電子自旋問(wèn)題，證明了電子自旋是一種相對(duì)論效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上提出了真空負(fù)能海的概念，預(yù)言了正電子等反物質(zhì)，真空負(fù)能海被卡西米爾效應(yīng)等真空邊界效應(yīng)證明，反物質(zhì)更不用說(shuō)。
而正是這種普遍的真空擾動(dòng)，造成了系統(tǒng)的自發(fā)性破缺?？茖W(xué)家舉了這樣一個(gè)例子，帽子頂上有個(gè)球，此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)【帽子和球的整體】處于對(duì)稱的，球此時(shí)是引力勢(shì)能最大的時(shí)候，顯然是不穩(wěn)的。就好像我們?nèi)苏驹谄降厣鲜欠€(wěn)的，站在針尖上是不穩(wěn)的。就在這個(gè)時(shí)候，出現(xiàn)了擾動(dòng)，可以想象成是能量的波動(dòng)或激發(fā)，或者虛粒子的撞擊，使得帽子頂部的球滑落下來(lái)了，這樣就打破了原來(lái)系統(tǒng)的對(duì)稱性，所以叫自發(fā)對(duì)稱破缺。
其實(shí)你看到這里，就應(yīng)該明白了，物理學(xué)的混亂，還是由于我們不清楚物理世界的規(guī)則。自發(fā)對(duì)稱破缺，肯定有原因的，但我們對(duì)于這個(gè)原因還是不很明白。所以會(huì)有各種理論猜想，什么負(fù)量子海，反物質(zhì)，虛粒子，虛粒子轉(zhuǎn)變實(shí)粒子的躍遷條件等等假說(shuō)。靈遁者書籍在某寶有
摘自獨(dú)立學(xué)者，作家，藝術(shù)家靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》
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