希格斯机制

自发对称性破缺(spontaneous symmetry breaking)

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想象一支铅笔完美地用削尖的笔尖立着。在它立着的时候,它周围的每个方向看起来都一样——这个局面是完美对称的。但这种平衡是不稳定的,铅笔注定要倒。它倒下的那一刻,便指向某个特定方向,比如东北,于是完美的旋转对称性就消失了。没有任何东西强迫它选东北而不选正北或正西;重力定律对所有方向一视同仁。对称性被打破,不是因为定律,而是因为系统落进了众多同样优秀的最低能量状态中的某一个。这就是自发对称性破缺:规则依旧对称,但世界的实际状态却不对称。

更确切地说:当支配一个系统的方程在某种变换下保持不变,但其最低能量的配置(基态,或称「真空」)却不再保持不变时,对称性就被自发破缺了。存在许多个由对称性彼此关联的可能基态,而系统只是挑了其中一个。磁铁是教科书般的例子:在某一温度以上,它的原子自旋指向四面八方,没有偏好的方向。把它冷却下来,所有自旋就排成同一个方向,打破了旋转对称性——尽管底层的物理本身对那个方向并无内建偏好。对称性藏在定律之中,却在结果里看不见。

这个思想正是粒子获得质量的核心。在粒子物理里,扮演「倒下的铅笔」角色的是希格斯场,它的最低能量状态不是零,而是空间中处处取某个非零值。底层方程的电弱对称性依然严格成立,但我们所处的真空已经选定了一个状态,正是这种隐藏的、被破缺的对称性,让W、Z玻色子和物质粒子得以获得质量。需要避免的常见误解:自发破缺并不意味着对称性被摧毁或不成立——它仍然存在于定律之中,只是没有被基态展现出来。

把一块磁铁加热到超过它的居里温度,它就失去磁性:自旋随机指向,旋转对称性恢复。再把它冷却,自旋又会自发地选定一个共同方向。早期宇宙也做了类似的事——在它冷却的过程中,希格斯场「冻结」到一个非零值上,电弱对称性随之破缺。

磁铁在冷却中排列对齐,就是对称性自行破缺的日常写照。

定律仍然对称——只是基态不对称。说「对称性被破缺」是「对称性被系统落入的那个状态所隐藏」的简称,并不是说底层定律变了。

又称
SSBhidden symmetry对称性自发破缺