相变和真空

时间:2024-06-28 17:59:05

在很多物理系统中,构成它们的力并不具有基本对称性。电磁力不分左右,但是生物分子不一样,也许原始分子是有益的,甚至可以作为食物,但是它的镜像分子就会变得没有益处,甚至可能是有害的(1) 。

假设现在有一支铅笔,它的制造工艺登峰造极以至于是一个完美的圆柱体。将它笔尖向下立在桌上,无论如何转动,看起来都一样。当旋转后仍然对称时,我们称之为旋转对称。但是这种竖立的状态是一种亚稳定状态,一旦轻微偏离竖直方向,重力就会将铅笔拉倒。重力也是旋转对称的,意味着当铅笔倒向地面时,各个方向的概率都是相同的。重复一千次这个实验,最后的统计结果会出现各方向相同,这就是因为旋转对称。然而,在单独的一次实验中,你无法预期铅笔会倒向哪个方向;倒下之后,也许指向北方,此时“基态”就已经打破了旋转对称。另一个例子是轮盘赌。如果玩的时间足够长,那么所有的号码都会按几乎相同的概率胜出;这保证庄家不会赔钱,而赌徒也不会输钱的。但是在每一次单独的赌局里,你没法预测球会掉落在哪个号码中,这就是赌博的乐趣所在。

在铅笔的例子中,笔尖立在桌上的对称状态很不稳定,而打破对称之后就稳定得多了。一般而言,支配一个系统的法则都有一些对称性,但是如果存在一个更加稳定的状态会破坏这种对称性,那么这种对称性会“自发崩溃”或者“隐藏”起来。之前的雪花和水的例子,以及铁磁性的例子,都是这个道理。

当然你也可能死不认账,争辩说这并不真的是对称性的失败,只是因为立铅笔的人没有精确地将铅笔立在平衡的位置:“铅笔倒下,是因为它没有完全的竖直”。这种说法没有问题,但是假设它已经在一个完美设计的点上处于平衡了。即使如此,笔尖上的原子也在随机运动,因为温度、热量都会体现成它们的动能。这种随机性意味着倒下的方向也是随机的。对此你必须表示同意,但是可能会建议我们在绝对零度(-273℃)时,做这个实验,此时动能趋于消失了。你的这种思维实验中,假设笔尖是由完美的球形分子加工而成,而最顶端的那个分子被冻结在固定位置上,处于绝对零度因而没有热运动。接下来量子定律就要发威了。如果运动消失,那么就无法确定位置而平衡点本身就变得随机了。如果在某个时刻准确知道了平衡点的位置,那么运动状态就不可知,这也会导致非平衡变得无法预测。由此可见,自然界的量子构造使得高能亚稳性能够选择一种低能的状态,其中对称性会自发崩溃。所以冰的融化,以及加热磁性金属,都会导致回到对称状态,但是当重新冷却变得可能时,平衡又会再次被打破,形成的新状态完全与之前的状态无关。

得到的规律是:当温度升高,会引起构造和复杂度融化,形成一个“更简单”的系统。水是那么平淡无奇,而冰晶却璀璨无比。

我们今天的宇宙已经很冷了;各种力以及物质的模式都已经被结构性地冻结,形成了真空的构造。我们已经无法感受宇宙大爆炸引起的极端高温,但是如果我们能对所有的物质加温,现有的模式和结构都会消失。门捷列夫的元素周期表中给出的原子及其模式,只符合10000℃以下的情况;到10000℃以上时,原子会电离形成电子和核粒子组成的等离子体,就像太阳内部一样。如果温度继续升高,《标准模型》中关于粒子以及力的神圣模式都会在这种高温下荡然无存(现有的标准模型认为,电子是由轻子构成的,而轻子由夸克和不同的力构成)。当能量到达100GeV以上时,通常温度会超过1015 ℃,此时电磁力以及控制β放射性的微小力会融化成一个对称统一体。较冷环境下物质和力的理论都隐喻着当温度升高时所有的结构都会融化消失。根据理论,当宇宙“冷却”到约1017 ℃时,对称性就会打破并形成一个偶然的结果,这个随机的结果被冻结住,最终形成了今天支配我们的粒子和力的模式。我们就像倒下的铅笔,也如轮盘赌中落在买定数字上的小球——我们赢钱了!但是如果球落在了别的数字上,比如电子的质量更大,或者微弱力更微弱,那么我们就不会得到上帝的眷顾,现有的生命也将消失。

到这里,其实我们转了一大圈又回到了最初的问题上。如果对称自发崩溃时,宇宙形成的是其他的一些性质和力,那么人类就不会产生,我们也不会在这里思考这些问题了。这导致了一种激进的观点,即认为可能存在很多真空以及多种多样的宇宙,只是我们恰恰生活在其中的一种里面而已。

其中的一个例子是磁性金属:加热之后会破坏磁性,冷却后磁性又会恢复。在金属的某些部位中,原子形成的微小磁体冻结在一起指向某个方向,而在另一些部位上原子磁体又指向另一个方向。这个现象称为“磁区域”。这会是宇宙的一个缩小的模型吗?理论学家已经建立起了若干宇宙大爆炸的数学模型,这些模型首先必须与我们已经了解的宇宙知识相吻合,其次也必须能展现宇宙产生之初高温时期中的“真实”对称。但似乎都存在一种一般特性,即这些模型中,当最初的对称状态的温度降低时,产生的可能结果会形成一种“风景”。当你纵观整个风景的时候,如果做一个平均,还是最初的对称状态:就像倒下的铅笔会指向各个方向,各种可能的质量和力最终平均下来也会和最初的对称相一致。我们周围甚至十亿光年半径的范围内都是正确的东西,在其他某个地方却有可能不同。