希格斯機制

自發對稱性破缺(spontaneous symmetry breaking)

/ spon-TAY-nee-us /

想象一支鉛筆完美地用削尖的筆尖立著。在它立著的時候,它周圍的每個方向看起來都一樣——這個局面是完美對稱的。但這種平衡是不穩定的,鉛筆注定要倒。它倒下的那一刻,便指向某個特定方向,比如東北,於是完美的旋轉對稱性就消失了。沒有任何東西強迫它選東北而不選正北或正西;重力定律對所有方向一視同仁。對稱性被打破,不是因為定律,而是因為系統落進了眾多同樣優秀的最低能量狀態中的某一個。這就是自發對稱性破缺:規則依舊對稱,但世界的實際狀態卻不對稱。

更確切地說:當支配一個系統的方程在某種變換下保持不變,但其最低能量的配置(基態,或稱「真空」)卻不再保持不變時,對稱性就被自發破缺了。存在許多個由對稱性彼此關聯的可能基態,而系統只是挑了其中一個。磁鐵是教科書般的例子:在某一溫度以上,它的原子自旋指向四面八方,沒有偏好的方向。把它冷卻下來,所有自旋就排成同一個方向,打破了旋轉對稱性——儘管底層的物理本身對那個方向並無內建偏好。對稱性藏在定律之中,卻在結果裡看不見。

這個思想正是粒子獲得質量的核心。在粒子物理裡,扮演「倒下的鉛筆」角色的是希格斯場,它的最低能量狀態不是零,而是空間中處處取某個非零值。底層方程的電弱對稱性依然嚴格成立,但我們所處的真空已經選定了一個狀態,正是這種隱藏的、被破缺的對稱性,讓W、Z玻色子和物質粒子得以獲得質量。需要避免的常見誤解:自發破缺並不意味著對稱性被摧毀或不成立——它仍然存在於定律之中,只是沒有被基態展現出來。

把一塊磁鐵加熱到超過它的居里溫度,它就失去磁性:自旋隨機指向,旋轉對稱性恢復。再把它冷卻,自旋又會自發地選定一個共同方向。早期宇宙也做了類似的事——在它冷卻的過程中,希格斯場「凍結」到一個非零值上,電弱對稱性隨之破缺。

磁鐵在冷卻中排列對齊,就是對稱性自行破缺的日常寫照。

定律仍然對稱——只是基態不對稱。說「對稱性被破缺」是「對稱性被系統落入的那個狀態所隱藏」的簡稱,並不是說底層定律變了。

又稱
SSBhidden symmetry对称性自发破缺