Спонтано нарушавање симетрије

Спонтано нарушавање симетрије је спонтан процес нарушавања симетрије, по коме физички систем у симетричном стању завршава у асиметричном стању.^[1][2][3] Посебно, то може да описује системе где једначине кретања^[4][5] или Лагранжијани поштују симетрије,^[6][7][8] али вакуумска решења^[9] са најмањом енергијом не показују исту симетрију. Када систем пређе на једно од ових вакуумских решења, симетрија се нарушава због пертурбација око тог вакуума, иако целокупан Лагранжијан задржава ту симетрију.

У експлицитном кршењу симетрије,^[10][11] ако се узму у обзир два исхода, вероватноћа пара исхода може бити различита. По дефиницији, спонтано нарушавање симетрије захтева постојање симетричне расподеле вероватноће - било који пар исхода има исту вероватноћу. Другим речима, основни закони су инваријантни у оквиру трансформације симетрије.

Систем у целини се мења под таквим трансформацијама.

Фазе материје, попут кристала, магнета и конвенционалних суперпроводника, као и једноставни фазни прелази могу се описати спонтаним разбијањем симетрије. Уочљиви изузеци укључују тополошке фазе материје попут фракцијског квантног Холовог ефекта.^[12][13]

Размотрите симетричну куполу са коритом које је окружује при дну. Ако се кугла постави на сам врх куполе, систем је симетричан у односу на ротацију око средишње осе. Међутим кугла може да спонтано наруши ову симетрију ако се откотрља низ куполу у корито, тачку најниже енергије. Након тога, кугла се зауставља у некој фиксној тачки на ободу. Купола и кугла задржавају своју индивидуалну симетрију, али систем то не чини.^[14]

У најједноставнијем идеализованом релативистичком моделу, спонтано нарушена симетрија се сумира помоћу илустративне теорије скаларног поља. Релевантан Лагранжијан скаларног поља ${\displaystyle \phi }$, који у суштини диктира како се систем понаша, може се поделити на кинетичке и потенцијалне чланове,

${\displaystyle {\mathcal {L}}=\partial ^{\mu }\phi \partial _{\mu }\phi -V(\phi ).}$

(1)

Управо у овом потенцијалном члану ${\displaystyle V(\phi )}$ долази до прекида симетрије. Један пример потенцијала, који је дао Џефри Голдстон^[15] приказан је на графукону.

${\displaystyle V(\phi )=-10|\phi |^{2}+|\phi |^{4}\,}$.

(2)

Овај потенцијал има неограничен број могућих минимума (стања у вакууму) датих изразом:

${\displaystyle \phi ={\sqrt {5}}e^{i\theta }}$.

(3)

за свако реално θ између 0 и 2π. Систем такође има нестабилно вакуумско стање, што одговара Φ = 0. Ово стање има У(1) симетрију. Међутим, кад систем једном падне у специфично стабилно вакуумско стање (зависно од избора θ), долази до нестанка ове симетрија или „спонтаног нарушавања”.

Заправо, сваки други избор θ би имао потпуно исту енергију, што имплицира постојање безмасеног Намбу-Голдстоновог бозона, мода кретања у круг на минимуму овог потенцијала, и указује да постоји вид меморије на изворну симетрију Лагранжијана.

Дана 7. октобра 2008, Шведска краљевска академија наука доделила је Нобелову награду за физику 2008. године тројици научника за њихов рад на нарушавању симетрије у субатомској физици. Јоичиро Намбу, са Универзитета у Чикагу, добио је половину награде за откриће механизма спонтаног нарушавања симетрије у контексту јаких интеракција, специфично хиралног нарушавања симетрије. Физичари Макото Кобајаши и Тошихиде Масукава, са Кјото универзитета, поделили су другу половину награде за откриће порекла експлицитног нарушавања ЦП симетрије услед слабих интеракција.^[16] Ово порекло ултиматно почива на Хигсовом механизму, али, до тада је било схваћено као „управо тако” својство Хигсових спега, а не као спонтано нарушен феномен симетрије.

• „Тхе Хисторy оф тхе Гуралник, Хаген анд Киббле девелопмент оф тхе Тхеорy оф Спонтанеоус Сyмметрy Бреакинг анд Гауге Партицлес”. арXив:абс/0907.3466  Проверите вредност параметра |арxив= (помоћ). 

Спонтано нарушавање симетрије на Викимедијиној остави.