Спонтанне порушення симетрії

Більшість симетрій виникає при деякій ідеалізації завдання (див. Симетрія законів природи). Облік впливу складніших взаємодій призводить до порушення симетрії. Наприклад, незалежність енергії атома водню від орбітального моменту робиться неточною, і симетрія злегка порушується, якщо врахувати релятивістські поправки до руху електрона (див. Релятивістська механіка). Навіть закони збереження, пов'язані з просторовою симетрією, дуже слабо, але все ж порушуються неоднорідністю Всесвіту в часі і просторі.

Існує набагато важливіше порушення симетрії - спонтанне (мимовільне). Воно полягає в тому, що в системі, описуваної симетричними законами і задовольняє симетричним початкових умов, виникають несиметричні кінцеві стану. Розглянемо, наприклад, наступний простий експеримент. Нехай металевий стрижень стискається в гідравлічному пресі, так що вся ця система і всі діючі в ній сили мають циліндричною симетрією. Якщо сила тиску на стрижень перевищує його межа міцності на вигин, то система стає нестійкою і стрижень вигинається (а потім і ламається) в якомусь довільному напрямку по азимуту. Отже, циліндрична симетрична система спонтанно перейшла в стан, що не володіє вихідної симетрією.

Наведемо ще один приклад. Нехай кулька падає по осі склянки на дно, володіє формою опуклою сферичної півсфери. Знову система цилиндрически симетрична, і всі діючі в ній сили задовольняють умові циліндричної симетрії. Проте нинішнє становище кульки на вершині сфери нестійкий, і він скочується вниз. Кінцеве стан знову виявляється вже не володіє вихідної циліндричної симетрією.

Розглянемо далі рідина, в якій атоми розташовані хаотично і взаємодії між ними задовольняють умові симетрії щодо поворотів і трансляційної симетрії - щодо зрушень. Якщо ця рідина кристалізується, то виникає кінцевий стан, в якому обидві ці симетрії виявляються порушеними.

Всі ці явища спонтанного порушення симетрії характеризуються рядом спільних рис. Вони відбуваються тоді, коли симетричні стану виявляються нестійкими і під дією малих збурень переходять в енергетично більш вигідні несиметричні стану. Однак початкова симетрія накладає все ж свій відбиток і на ці кінцеві стану. Будемо повторювати досліди з кулькою, падаючим на опукле дно склянки багато разів. Тоді кульку з однаковою ймовірністю потрапляє в усі можливі положення по азимуту. І ці стану переходять одне в інше при операціях повороту щодо вертикальної осі - осі симетрії вихідної системи. Те саме буде і в інших розглянутих вище прикладах. Таким чином, якщо виникає деякий кінцевий стан, в якому початкова симетрія порушена певним чином, то з однаковою ймовірністю можуть виникати і всі інші стани, що виходять з цього першого стану за допомогою перетворень вихідної симетрії.

Спонтанне порушення симетрії може сильно замаскувати симетрію фізичних законів. Уявімо собі маленького «чоловічка», що живе всередині великого кристала. У його «світі» простір має пористу структуру, і в ньому є виділені напрямки. Тому нашому «чоловічкові» нелегко буде докопатися до вихідної просторової изотропии і трансляційної симетрії, характерної для взаємодії між молекулами речовини.

Спонтанні порушення симетрії зустрічаються в природі на кожному кроці. Крапля води, що лежить на столі, - приклад порушення симетрії: адже взаємодія молекул між собою і з молекулами столу допускає більш симетричне рішення - вода розмазана тонким шаром по столу. Але це рішення для малих крапель енергетично невигідно.

Атомне ядро ​​являє собою краплю нуклонной рідини - це теж приклад порушення трансляційної симетрії. Існують не тільки сферичні, а й «деформовані» ядра, що мають форму еліпсоїда, - це порушення не тільки трансляційної, а й обертальної симетрії.

Спонтанне порушення симетрії - дуже поширене явище в макроскопічної фізики. Однак розуміння цих фактів спало на фізику високих енергій з великим запізненням. Не всі фізики, які займалися теорією елементарних частинок, відразу прийняли можливість асиметричних рішень в симетричних системах.

Як правило, у фізиці елементарних частинок більшість симетрій - наближені: вони справедливі для одних взаємодій і порушуються іншими взаємодіями, більш слабкими. Приклади таких порушених симетрій - симетрія явищ природи щодо дзеркальних відображень, симетрія щодо переходу від частинок до античастинок, симетрія щодо звернення часу, ізотопічна инвариантность (т. Е. Симетрія сильних взаємодій протонів і нейтронів) і т. Д. Всі вони виявляються наближеними і злегка порушуються. І добитися розуміння природи виникнення таких порушень виявилося досить складною справою. Тут на допомогу прийшло подання про спонтанне порушення симетрії. Плідна тенденція теорії елементарних частинок полягає в припущенні, що на надмалих відстанях або при надвеликих імпульсах «царює» максимальна симетрія. Але при переході до менших енергій виникає спонтанне порушення, яке може сильно замаскувати цю симетрію. Так, в теорії електрослабкої взаємодії, що об'єднує електродинаміку і слабкі взаємодії, при надвеликих енергіях (близько 10 15 ГеВ) існують чотири рівноцінних безмассових поля, які в силу спонтанного порушення при менших енергіях перетворюються в три масивних проміжних бозона і один безмассовий фотон: симетрична система так перебудувалася, що з'явилися три частинки з масою близько 100 ГеВ і одна частинка з масою, що дорівнює нулю. Виникнення масивних баріонів в системі безмассових глюонів і кварків (див. Сильні взаємодії) - це ще один приклад спонтанного порушення симетрії.

Можна думати, що і багато інших симетрії - дзеркальна симетрія, симетрія між частинками і античастинками і т. Д неточні в силу спонтанного порушення. Іншими словами, вихідні закони фізики максимально симетричні, а спостережувані асиметрії пов'язані з тим, що ми існуємо в світі зі спонтанно порушеними симетріями. Таким чином, ми в якійсь мірі нагадуємо «чоловічків», що живуть в кристалі і дивуються несиметричного характеру свого «світу».

Наведені приклади показують, які принципові властивості елементарних частинок визначаються явищем спонтанного порушення симетрії.

Схожі статті