相變與臨界現象

對稱性破缺

把一支鉛筆筆尖朝下、筆直地豎在桌上。它周圍的每一個方向看起來都一樣——整個情形完全不偏不倚。可鉛筆沒法一直保持平衡;它必定要倒,而就在倒下的那一刻,它挑了一個方向倒去,儘管沒有哪個方向更特殊。這種從平局中驟然做出的選擇,就是對稱性破缺。

對稱性破缺發生在這樣的時候:支配一個系統的規律對所有方向或選項一視同仁,然而系統在它安定下來的低能狀態裡,卻終究投向了其中之一。在一塊磁鐵中,底層的物理並不在乎哪邊是「上」,可當它冷卻下來,原子小指南針全都擺向同一個共有的方向,於是那個方向變得真實而可測。被打破的是規律的對稱,破缺它的是材料所選定的實際狀態,而不是規律本身。

對稱性破缺之所以重要,是因為它是有序相之所以能存在的深層緣由:晶體、磁鐵,甚至賦予粒子質量的希格斯機制,全都是對稱破缺的故事。一個常見的混淆,是以為對稱被「摧毀」了。其實沒有——全部可能性依舊被平等地允許著;系統只是落到了其中一個上,而落在哪一個,則取決於偶然,或最細微的初始一推。

當水凍成一片雪花時,原本的液體沒有偏好的方向——你怎麼轉動它,它看起來都一樣。可凝結出的冰晶突然就有了特殊的方向,鎖進它六重對稱的圖案裡。液體的那種「轉哪兒都一樣」,被換成了晶體被挑選出來的軸向:對稱破缺了。

結冰打破了液體「各方向皆等同」的對稱,選定了晶體那固定的軸向。

這裡還有一個更安靜的要點:儘管每一塊材料都挑定了一個結果,可一大批材料平均下來,會平等地挑遍所有結果。對稱在統計意義上存活了下來;它只是在每一個被實現出來的具體狀態裡被打破。

又稱
spontaneous symmetry breaking自发对称性破缺