相变与临界现象

对称性破缺

把一支铅笔笔尖朝下、笔直地竖在桌上。它周围的每一个方向看起来都一样——整个情形完全不偏不倚。可铅笔没法一直保持平衡;它必定要倒,而就在倒下的那一刻,它挑了一个方向倒去,尽管没有哪个方向更特殊。这种从平局中骤然做出的选择,就是对称性破缺。

对称性破缺发生在这样的时候:支配一个系统的规律对所有方向或选项一视同仁,然而系统在它安定下来的低能状态里,却终究投向了其中之一。在一块磁铁中,底层的物理并不在乎哪边是「上」,可当它冷却下来,原子小指南针全都摆向同一个共有的方向,于是那个方向变得真实而可测。被打破的是规律的对称,破缺它的是材料所选定的实际状态,而不是规律本身。

对称性破缺之所以重要,是因为它是有序相之所以能存在的深层缘由:晶体、磁铁,甚至赋予粒子质量的希格斯机制,全都是对称破缺的故事。一个常见的混淆,是以为对称被「摧毁」了。其实没有——全部可能性依旧被平等地允许着;系统只是落到了其中一个上,而落在哪一个,则取决于偶然,或最细微的初始一推。

当水冻成一片雪花时,原本的液体没有偏好的方向——你怎么转动它,它看起来都一样。可凝结出的冰晶突然就有了特殊的方向,锁进它六重对称的图案里。液体的那种「转哪儿都一样」,被换成了晶体被挑选出来的轴向:对称破缺了。

结冰打破了液体「各方向皆等同」的对称,选定了晶体那固定的轴向。

这里还有一个更安静的要点:尽管每一块材料都挑定了一个结果,可一大批材料平均下来,会平等地挑遍所有结果。对称在统计意义上存活了下来;它只是在每一个被实现出来的具体状态里被打破。

又称
spontaneous symmetry breaking自发对称性破缺