Das spontane Symmetrie-Brechen ist ein spontaner Prozess, durch den ein System in einem symmetrischen Staat in einem asymmetrischen Staat endet.

Denken Sie den Boden einer leeren Wein-Flasche, eine symmetrische nach oben gerichtete Kuppel mit einer Dachrinne für Bodensatz. Wenn ein Ball an der Spitze der Kuppel gelegt wird, ist die Situation symmetrisch. Aber der Ball kann diese Symmetrie spontan brechen und in die Dachrinne, einen Punkt der niedrigsten Energie rollen. Die Flasche und der Ball behalten ihre Symmetrie, aber das System tut nicht.

Spontane Symmetrie, die Physik einschlägt

Partikel-Physik

In der Partikel-Physik werden die Kraft-Transportunternehmen-Partikeln durch Feldgleichungen mit der Maß-Symmetrie definiert. Diese Gleichungen sagen voraus, dass bestimmte Maße dasselbe an jedem Punkt im Feld sein werden. Zum Beispiel können sie voraussagen, dass die Masse von zwei Quarken unveränderlich ist. Das Lösen der Gleichungen, um die Masse jedes Quarks zu finden, könnte zwei Lösungen geben. In einer Lösung ist Quark A schwerer als Quark B. In der zweiten Lösung ist Quark B schwerer als Quark durch denselben Betrag. Die Symmetrie der Gleichungen wird durch die individuellen Lösungen nicht widerspiegelt, aber sie wird durch die Reihe von Lösungen widerspiegelt. Ein wirkliches Maß widerspiegelt nur eine Lösung, eine Depression in der Symmetrie der zu Grunde liegenden Theorie vertretend. "Verborgen" ist vielleicht ein besserer Begriff als "gebrochen", weil die Symmetrie immer dort in den Gleichungen ist. Dieses Phänomen wird das spontane Symmetrie-Brechen genannt, weil nichts (dass wir wissen) die Symmetrie in den Gleichungen bricht.

Mechanismus von Higgs

Der W und Z bosons sind die elementaren Partikeln, die die schwache Wechselwirkung vermitteln, während das Foton die Partikel ist, die die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt. An Energien, die viel größer sind als 100 GeV, benehmen sich alle diese Partikeln auf eine ähnliche Weise. Die Theorie von Weinberg-Salam sagt voraus, dass an niedrigeren Energien diese Symmetrie gebrochen wird und das Foton und der W und Z bosons erscheinen.

Ohne das spontane Symmetrie-Brechen sagt das Standardmodell von elementaren Partikel-Wechselwirkungen die Existenz mehrerer Partikeln voraus. Jedoch würden einige Partikeln (der W und Z bosons) dann vorausgesagt, um massless zu sein, wenn, in Wirklichkeit, wie man beobachtet, sie Masse haben. Um das zu überwinden, gibt spontane Symmetrie, die in Verbindung mit dem Mechanismus von Higgs bricht, diesen Partikeln Masse. Es deutet auch die Anwesenheit einer neuen, bis jetzt unentdeckten Partikel, Higgs boson an.

Wenn Higgs boson nicht gefunden wird, wird es bedeuten, dass die einfachste Durchführung des Mechanismus von Higgs und der spontanen Symmetrie, die bricht, weil sie zurzeit formuliert werden, ungültig ist.

Eine ausführliche Präsentation des Mechanismus von Higgs wird im Artikel über die Wechselwirkung von Yukawa gegeben, illustrierend, wie es weiter Masse fermions gibt.

Symmetrie von Chiral

Das Symmetrie-Brechen von Chiral ist ein Beispiel des spontanen Symmetrie-Brechens, das die chiral Symmetrie der starken Wechselwirkungen in der Partikel-Physik betrifft. Es ist ein Eigentum des Quants chromodynamics, die Quant-Feldtheorie, die diese Wechselwirkungen beschreibt, und ist für den Hauptteil der Masse (mehr als 99 %) der Nukleonen, und so der ganzen allgemeinen Sache verantwortlich, weil es sehr leichte bestimmte Quarke in schweren baryons umwandelt. Der ungefähre Nambu-Goldstone bosons in diesem spontanen Symmetrie-Brechen-Prozess ist der pions, dessen Masse eine Größenordnung leichter ist als die Masse der Nukleonen. Es hat als der Prototyp und die bedeutende Zutat des Mechanismus von Higgs gedient, der dem electroweak Symmetrie-Brechen unterliegt, das oben entworfen ist.

Kondensierte Sache-Physik

Das spontane Symmetrie-Brechen wird in allen interessanten langen Reihe-Ordnungssystemen in der kondensierten Sache-Physik wie Magnetisierung gefunden.

Verallgemeinerung und technischer Gebrauch

Für die spontane Symmetrie, die bricht, um vorzukommen, muss es ein System geben, in dem es mehrere ebenso wahrscheinliche Ergebnisse gibt. Das System ist deshalb als Ganzes in Bezug auf diese Ergebnisse symmetrisch (Wenn wir irgendwelche zwei Ergebnisse denken, ist die Wahrscheinlichkeit dasselbe. Das hebt sich scharf zum Ausführlichen Symmetrie-Brechen ab.). Jedoch, wenn das System probiert wird (d. h. wenn das System wirklich verwendet oder in jedem Fall aufeinander gewirkt wird), muss ein spezifisches Ergebnis vorkommen. Obwohl das System als Ganzes symmetrisch ist, wird darauf mit dieser Symmetrie, aber nur in einem spezifischem asymmetrischem Staat nie gestoßen. Folglich, wie man sagt, wird die Symmetrie diese Theorie spontan eingeschlagen. Dennoch ist die Tatsache, dass jedes Ergebnis ebenso wahrscheinlich ist, ein Nachdenken der zu Grunde liegenden Symmetrie, die so häufig "verborgene Symmetrie" synchronisiert wird, und entscheidende formelle Folgen hat. (Sieh den Artikel über Goldstone boson).

Wenn eine Theorie in Bezug auf eine Symmetrie-Gruppe symmetrisch ist, aber verlangt, dass ein Element der Gruppe dann verschieden ist, ist das spontane Symmetrie-Brechen vorgekommen. Die Theorie muss nicht diktieren, welches Mitglied nur verschieden ist, dass man ist. Von diesem Punkt auf kann die Theorie behandelt werden, als ob dieses Element wirklich mit der Bedingung verschieden ist, dass irgendwelche Ergebnisse gefunden auf diese Weise resymmetrized, durch die Einnahme des Durchschnitts von jedem der Elemente der Gruppe sein müssen, die die verschiedene ist.

Das entscheidende Konzept in Physik-Theorien ist der Ordnungsparameter. Wenn es ein Feld gibt (häufig ein Hintergrundfeld), der einen Erwartungswert erwirbt (nicht notwendigerweise ein Vakuumerwartungswert), der nicht invariant unter der fraglichen Symmetrie ist, sagen wir, dass das System in der bestellten Phase ist, und die Symmetrie spontan gebrochen wird. Das ist, weil andere Subsysteme mit dem Ordnungsparameter aufeinander wirken, der ein "Bezugssystem" bildet, das gegen zu messen ist, sozusagen. In diesem Fall folgt der Vakuumstaat der anfänglichen Symmetrie nicht (der es in der Weise von Wigner stellen würde), und, stattdessen hat die (verborgene) in der Weise von Nambu-Goldstone durchgeführte Symmetrie. Normalerweise, ohne den Mechanismus von Higgs, massless Goldstone bosons entstehen.

Die Symmetrie-Gruppe kann wie die Raumgruppe eines Kristalls getrennt, oder (z.B, eine Lüge-Gruppe) wie die Rotationssymmetrie des Raums dauernd sein. Jedoch, wenn das System nur eine einzelne Raumdimension enthält, dann kann nur getrennter symmetries in einem Vakuumstaat der vollen Quant-Theorie gebrochen werden, obwohl eine klassische Lösung eine dauernde Symmetrie brechen kann.

Ein pädagogisches Beispiel: das mexikanische Hut-Potenzial

Im einfachsten idealisierten relativistischen Modell wird das spontan gebrochene Feld durch eine Skalarfeldtheorie beschrieben. In der Physik ist eine Weise, spontane Symmetrie zu sehen, brechen durch den Gebrauch von Lagrangians. Lagrangians, die im Wesentlichen diktieren, wie sich ein System benimmt, können in kinetische und potenzielle Begriffe, aufgeteilt werden

Es ist in diesem potenziellen Begriff (V (Φ)), dass das Symmetrie-Brechen vorkommt. Ein Beispiel eines Potenzials wird im Graphen am Recht illustriert.

Dieses Potenzial hat eine unendliche Zahl von möglichen Minima (Vakuumstaaten) gegeben durch

für jeden echten θ zwischen 0 und 2π. Das System hat auch einen nicht stabilen Vakuumstaat entsprechend Φ = 0. Dieser Staat hat einen U (1) Symmetrie. Jedoch, sobald das System in einen spezifischen stabilen Vakuumstaat (das Belaufen auf eine Wahl von θ) fällt, wird diese Symmetrie scheinen, verloren oder "spontan gebrochen zu werden".

Tatsächlich würde jede andere Wahl von θ genau dieselbe Energie haben, die Existenz von massless Nambu-Goldstone boson, die Weise einbeziehend, die den Kreis am Minimum dieses Potenzials umläuft und anzeigt, dass es etwas Gedächtnis der ursprünglichen Symmetrie in Lagrangian gibt.

Andere Beispiele

• Für eisenmagnetische Materialien sind die zu Grunde liegenden Gesetze invariant unter Raumfolgen. Hier ist der Ordnungsparameter die Magnetisierung, die die magnetische Dipoldichte misst. Über der Curie-Temperatur ist der Ordnungsparameter Null, die räumlich invariant ist, und es kein Symmetrie-Brechen gibt. Unter der Curie-Temperatur, jedoch, erwirbt die Magnetisierung einen unveränderlichen nichtverschwindenden Wert, der in einer bestimmten Richtung hinweist (in der idealisierten Situation, wo wir volles Gleichgewicht haben; sonst wird Übersetzungssymmetrie ebenso gebrochen). Die restlichen Rotationssymmetries, die die Orientierung dieses Vektoren invariant verlassen, bleiben ungebrochen verschieden von den anderen Folgen, die nicht tun und so spontan gebrochen werden.
• Die Gesetze, die einen Festkörper beschreiben, sind invariant unter der vollen Euklidischen Gruppe, aber der Festkörper selbst bricht spontan diese Gruppe zu einer Raumgruppe. Die Versetzung und die Orientierung sind die Ordnungsrahmen.
• Allgemeine Relativität hat eine Symmetrie von Lorenz, aber in FRW kosmologischen Modellen, das definierte Mittel-4-Geschwindigkeiten-Feld durch die Mittelwertbildung über die Geschwindigkeiten der Milchstraßen (die Milchstraße-Tat wie Gaspartikeln an kosmologischen Skalen) von Taten als ein Ordnungsparameter, der diese Symmetrie bricht. Ähnliche Anmerkungen können über den kosmischen Mikrowellenhintergrund gemacht werden.
• Für das electroweak Modell, wie erklärt, früher, stellt ein Bestandteil des Feldes von Higgs den Ordnungsparameter zur Verfügung, der die Electroweak-Maß-Symmetrie zur elektromagnetischen Maß-Symmetrie bricht. Wie das eisenmagnetische Beispiel gibt es einen Phase-Übergang bei der electroweak Temperatur. Dieselbe Anmerkung über uns nicht dazu neigend, gebrochenen symmetries zu bemerken, deutet an, warum es genommen hat, so sehnen Sie sich nach uns, electroweak Vereinigung zu entdecken.
• In Supraleitern gibt es eine kondensierte Sache gesammeltes Feld ψ, der als der Ordnungsparameter handelt, der die elektromagnetische Maß-Symmetrie bricht.
• Nehmen Sie eine dünne zylindrische Plastikstange und stoßen Sie beide Enden zusammen. Vor der Knickung ist das System unter der Folge symmetrisch und so sichtbar zylindrisch symmetrisch. Aber nach der Knickung sieht es verschieden, und asymmetrisch aus. Dennoch sind Eigenschaften der zylindrischen Symmetrie noch dort: Reibung ignorierend, würde es keine Kraft nehmen, um die Stange ringsherum frei zu spinnen, den Boden-Staat rechtzeitig versetzend, und sich auf eine Schwingung der verschwindenden Frequenz verschieden von den radialen Schwingungen in der Richtung auf die Schnalle belaufend. Diese spinnende Weise ist effektiv das Erfordernis Nambu-Goldstone boson.
• Denken Sie eine gleichförmige Schicht von Flüssigkeit über eine unendliche Horizontalebene. Dieses System hat den ganzen symmetries des Euklidischen Flugzeugs. Aber heizen Sie jetzt die unterste Oberfläche gleichförmig, so dass es viel heißer wird als die obere Oberfläche. Wenn der Temperaturanstieg groß genug wird, werden sich Konvektionszellen formen, die Euklidische Symmetrie brechend.
• Denken Sie eine Perle auf einem kreisförmigen Reifen, der über ein vertikales Diameter rotieren gelassen wird. Da die Rotationsgeschwindigkeit allmählich vom Rest vergrößert wird, wird die Perle an seinem anfänglichen Gleichgewicht-Punkt an der Unterseite vom Reifen (intuitiv stabiles, niedrigstes Gravitationspotenzial) am Anfang bleiben. An einer bestimmten kritischen Rotationsgeschwindigkeit wird dieser Punkt nicht stabil werden, und die Perle wird zu einem von zwei anderem kürzlich geschaffenem Gleichgewicht springen, das vom Zentrum gleich weit entfernt ist. Am Anfang ist das System in Bezug auf das Diameter, noch nach dem Übergang der kritischen Geschwindigkeit symmetrisch, die Perle endet in einem der zwei neuen Gleichgewicht-Punkte, so die Symmetrie brechend.

Nobelpreis

Am 7. Oktober 2008 hat die Königliche schwedische Akademie von Wissenschaften den 2008-Nobelpreis in der Physik drei Wissenschaftlern für ihre Arbeit im subatomaren Physik-Symmetrie-Brechen zuerkannt. Yoichiro Nambu, 87 Jahre alt, der Universität Chicagos, hat Hälfte des Preises für die Entdeckung des Mechanismus der spontanen gebrochenen Symmetrie im Zusammenhang der starken Wechselwirkungen, spezifisch chiral das Symmetrie-Brechen gewonnen. Physiker Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa haben die andere Hälfte des Preises geteilt, für den Ursprung des ausführlichen Brechens der BEDIENUNGSFELD-Symmetrie in den schwachen Wechselwirkungen zu entdecken. Dieser Ursprung ist auf dem Mechanismus von Higgs, aber, bis jetzt verstanden als "gerade so" Eigenschaft von Kopplungen von Higgs, nicht ein spontan gebrochenes Symmetrie-Phänomen schließlich vertrauensvoll.

Siehe auch

Referenzen

Links

• Spontane Symmetrie, die bricht
• Physische Rezensionsbriefe - 50. Jahrestag-Meilenstein-Papiere
• Im CERN Boten denkt Steven Weinberg über die spontane Symmetrie nach, die bricht
• Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble Mechanismus auf Scholarpedia
• Geschichte Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble Mechanismus auf Scholarpedia
• Die Geschichte von Guralnik, Hagen und Entwicklung von Kibble der Theorie von Spontanen Symmetrie-Brechen- und Maß-Partikeln
• Internationale Zeitschrift der Modernen Physik A: Die Geschichte von Guralnik, Hagen und Entwicklung von Kibble der Theorie von Spontanen Symmetrie-Brechen- und Maß-Partikeln
• Guralnik, G S; Hagen, C R und Kibble, T W B (1967). Gebrochener Symmetries und der Goldstone Lehrsatz. Fortschritte in der Physik, vol. 2 Zwischenwissenschaftsherausgeber, New York. Seiten 567-708 internationale Standardbuchnummer 0-470-17057-3
• Spontane Symmetrie, die Maß-Theorien einschlägt: ein historischer Überblick