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第198章 自发对称性破缺与戈德斯通玻色子

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一口气说了那么多,白牧辰刻意停顿片刻,给索隆思考时间。

随后才继续自己没说完的话。

“那么问题来了,既然底层的规律是对称的,为什么我们所处的宏观现实却是如此鲜明的不对称?为什么宇宙选择了熵增这个方向,而不是熵减?”

“想象一下宇宙的初始状态,那个奇点,一个能量极高但熵极低的状态,它就像被精准地放在墨西哥草帽顶端的那个小球,那个帽顶是完美的对称点,向任何方向滚落都是平等的。但小球是不稳定的,它必然朝一个方向滚下来,而我们的宇宙就滚向熵增加的这个方向。”

“这不是因为物理定律本身偏爱这个方向,定律是公平的、对称的,而是因为落入帽檐的谷底的状态,也就是高熵状态,其可能的微观组合数量,比待在帽顶的低熵状态,要多出天文数字的倍数。”

“宇宙自发坠入了概率最大的那个状态,一旦这个事件发生,对称性就被破坏了。,尽管底层规律依旧允许时间倒流,但由无数粒子组成的宏观系统想要自发地、概率性地回到那个低熵的有序初始状态,可能性无限趋近于零。”

“简而言之,一个系统的底层规律可以拥有完美的对称性,但它的稳定状态却可以不具备这种对称性。系统必须‘自发地’选择一个特定的状态,进而导致了原有的对称性破坏, 这就是自发对称性破缺。”

白牧辰尽量使用通俗易懂的语言给索隆解释,效果还算不错。

至少索隆貌似看起来应该或许是懂了吧......

“我可以简单理解为,我们的宇宙存在很多个平等的真实状态,就好像在空间上,虽然理论上我可以存在于任何位置,我可以那个地方,也可以去其它地方,但现实中我只能选择一个位置存在,我选择在这里,就没办法在那里,现实破坏了我那理论上可以存在于任何位置的属性,这就是自发对称性破缺?”

对于索隆自己的理解,白牧辰只是略微思索,然后选择点点头。

“可以这么理解,对称性是物理方程中的对称性,但物理现实不是对称的,自发对称性破缺是用于解释理论与现实差异的工具。物理规律只是科学家的发明,用于描述物理现象,物理规律不是宇宙的本体论存在,也不能支配万事万物的运转。”

似乎想到了什么,喝两口牛奶加咖啡~后白牧辰两手一摊:“反正我不是科学实在论者。”

“所以,对称性、守恒量,这些东西和人工物相材料到底有什么关系。”索隆想不通。

“理解人工物相材料原理需要的一点点前置小知识。”再喝上一口拿铁。

白牧辰也不管索隆到底能不能听懂,总之先把答案告诉对方,完成自己的科普任务。

“接下来要说的前置知识是——对称性生成元。”

自发对称性破缺的标志是存在简并的真空态。

这意味着系统有多个能量完全相同但物理上可区分的基态。

在墨西哥草帽模型中,帽檐谷底的整个圆环都是简并的真空态,所有这些简并真空态构成的几何空间被称为真空流形。

想象一个小球处在墨西哥草帽的谷底,也就是真空态。

如果你想把小球沿着垂直于圆周的帽檐坡面向上推,你需要消耗能量来克服势能的增加,这种激发是有能量的。

但如果你想把小球沿着谷底的圆周推动,由于谷底是平坦的,能量处处相同,推动它在理想情况下不需要消耗能量。

这种沿着真空流形方向的、能量为零的激发,就是戈德斯通玻色子的物理图像,或者说用来理解戈德斯通玻色子的原型。

什么意思呢?

当发生自发对称性破缺时,如果被破缺的是一个连续的全局对称性,其产生的后果由戈德斯通定理精确描述,即——

对于每一个被自发破缺的连续全局对称性的生成元,理论中必然会出现一个无质量、无自旋的标量粒子。

这个粒子被称为戈德斯通玻色子,或南部-戈德斯通玻色子。

从数学上讲,能量函数 V(φ) 对称性意味着 (?V/?φ) ? T(φ) = 0,其中T是生成元。

对上述条件再次求导并在真空态 φ? 处取值,利用真空态 (?V/?φ)|(φ=φ?) = 0 的性质,可以得到 (?2V/?φ??φ?)|(φ=φ?) ? T?(φ?) = 0。

(?2V/?φ??φ?)|_(φ=φ?) 的物理诠释正是描述场激发质量的“质量矩阵” M??,其本征值对应粒子质量的平方。

而T(φ?) 是生成元作用在真空态上的结果,如果对称性被破缺,则 T(φ?) ≠ 0。

于是我们得到方程:M ? T(φ?) = 0。

这个方程的意义是——非零向量 T(φ?) 是质量矩阵 M 的一个本征向量,其对应的本征值为0,这意味着,沿着 T(φ?) 方向的激发,其质量平方为零。

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