Спонтанное нарушение симметрии

Спонта́нное наруше́ние симме́три́и, частичная или полная потеря физической системой имеющейся в ней симметрии, состоящая в нарушении начальных или граничных условий системы; при этом уравнения, описывающие систему, остаются симметричными. Происходит в тех случаях, когда симметричное состояние не обладает минимальной энергией и потому энергетически невыгодно, а наинизшее состояние (с минимальной энергией) неоднозначно, т. е. вырождено.

Наглядным примером нарушения симметрии в механической системе может служить бутылка с выпуклым донышком и горошина. Бутылка симметрична относительно вращений вокруг оси, проходящей через центр. Низшее энергетическое состояние соответствует положению на ободе донышка, и оно также симметрично. Брошенная в бутылку горошина займёт любое положение на ободе. Если наклонить бутылку, то симметрия нарушится и низшее состояние будет соответствовать наинизшей точке на ободе, куда скатится горошина. Если после этого вернуть бутылку в вертикальное положение, то симметрия восстановится, но горошина останется в той точке, где был минимум. Т. о., система будет симметричной, но исходное положение горошины несимметрично.

Другим примером может служить ферромагнетик с локализованными спинами, симметрия которого нарушается (уменьшается) при выстраивании спинов в приложенном магнитном поле. При выключении поля симметрия восстанавливается, но исходное состояние остаётся несимметричным. В теории конденсированного состояния подобными примерами служат явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости. В квантовой теории поля примером служит вырождение вакуума – основного состояния системы.

В физике элементарных частиц это явление используется для определения массы элементарных частиц. Требование симметрии системы препятствует появлению массы. Спонтанное нарушение симметрии может происходить при наличии скалярного поля с потенциалом взаимодействия, имеющим вид, похожий на упомянутую выше бутылку. Если скалярное поле имеет среднее значение, соответствующее определённому положению на «донышке» потенциала, происходит спонтанное нарушение симметрии и частицы приобретают массу, пропорциональную среднему значению поля. Все фундаментальные частицы Стандартной модели (кварки, лептоны и промежуточные векторные бозоны) приобретают массу за счёт механизма Хиггса. Уравнения, которыми описывается динамика частиц, при этом остаются симметричными.