整體對稱性與規範對稱性(global vs gauge symmetry)
設想一支龐大的軍隊,所有人必須同時轉向。一個整體的口令是「全體向右轉 90 度」——一條指令,對整支軍隊相同,齊步執行。局域的口令則不同:每名士兵可以各自獨立地、一個一個地選擇自己怎麼轉。這種區別——一個改變處處相同地施加,與一個可以在每一點上各不相同地施加——正是整體對稱性與規範(局域)對稱性之差的核心。
整體對稱性是一種在空間和時間各處一齊以相同方式施加的變換。諾特定理給出的守恆律——能量、電荷、重子數——都來自整體對稱性。規範對稱性(也叫局域對稱性)要苛刻得多:它堅持即便你在空間和時間裡每一個分立的點上以不同方式施加變換,規律也必須保持不變。這是一個強得多的要求,而自然要滿足它,唯一的辦法就是引入傳遞力的粒子,它們的全部職責就是補償那些逐點的差異。引人注目的是,對電荷要求這種局域對稱性,會迫使光子存在;對色荷要求它,會迫使膠子存在;對弱荷要求它,會迫使 W 和 Z 玻色子存在。
這是標準模型中最深刻的思想之一:基本力並非人為硬裝上去的,而是堅持規範對稱性後不可避免的結果。一個僅僅是整體的對稱性給你一條守恆律;一個規範對稱性則給你一整種力。這個區別還很重要,因為整體對稱性可以被破壞或只是近似(比如同位旋)而不致釀成災難,而一個嚴格的規範對稱性受到緊密約束——比方說,正是它讓光子保持無質量。規範對稱性如何搭建出力,其機制屬於規範理論和量子場論的詞條;這裡的要點只是整體與局域的對比。
電荷守恆來自電磁場的一種整體對稱性。把同一個對稱性提升為局域的——要求它在時空每一點上獨立成立——你就被迫引入一個新的場,它的粒子就是光子。整體版本守恆電荷;局域版本則創造出電磁力本身。
整體對稱性守恆電荷;把它變成局域的則創造出光子。
嚴格說來,規範對稱性根本不是把不同物理狀態聯繫起來的對稱性——它是我們描述同一個狀態時的一種冗餘。正是這個微妙之處使得規範「對稱性」不能在樸素意義上被自發破缺,這一點在規範理論的詞條裡有進一步展開。