对称性破缺

[[图一：一个小球位于中央山丘的山峰处（C）。这是一种不稳定平衡：一个很小的扰动会使它落到左边(L)或右边(R)稳定点。尽管山丘是对称的，没有理由让球落在哪一侧，但观察到的最终状态仍然是不对称的，它总会落到某一侧]]。

在物理学中，一个作用于系统的（无限）小扰动使系统跨过临界点，通过决定去向分叉的哪个分支来决定系统的命运，这种现象叫做对称性破缺。对于一个观测不到扰动(或“噪声”)的外部观察者来说，这个选择看起来是任意的。这个过程被称为对称性破缺，因为这种转变通常使系统从一个对称但无序的状态进入一个或多个确定的状态。在斑图生成中对称性破缺起着重要作用。

1972年，诺贝尔奖得主P·W·安德森(P.W.Anderson)在《科学》(Science)杂志上发表了一篇名为《多即不同》的论文^[1]，文中使用对称性破缺的思想表明，即使还原论是正确的，但它的逆命题建构主义是错误的。建构主义认为，在给出描述各组成部分的理论的情况下科学家可以轻易地预测复杂现象。

对称性破缺可以分为显性对称性破缺和自发对称性破缺两种类型，二者的区别是，在破缺对称性下系统的运动方程是否不变或者基态是否保持不变。

显性对称性破缺

在显性对称性破缺中，描述系统的运动方程在破缺对称下是不同的。在哈密顿力学或拉格朗日力学中，假若系统的哈密顿量(或拉格朗日量)中至少一项显性地打破了给定的对称性，就发生了显性对称性破缺。

自发对称性破缺

在自发对称性破缺中，系统的运动方程是不变的，但系统发生了变化。这是因为系统的背景(时空)——真空态——是非恒定的。这种对称性破缺可以用一个序参量进行参数化。这类对称破缺的一个特殊情况是动力学对称性破缺。

实例

对称性破缺可以涵盖以下任何一种情况:^[2]

某些结构的随机形成破坏了物理学基本定律的精确对称性；
物理学中最小能量状态的对称性比系统本身少的情形；
系统的实际状态由于明显对称的状态不稳定而不能反映动力学的基本对称性的情况(稳定性是以局部不对称为代价的)；
理论方程具有某种对称性，但其解可能没有(对称性是“隐藏的”)的情况。

在物理学文献中讨论的首批对称性破缺案例之一，与不可压缩流体在重力和流体静力平衡中均匀旋转的形式有关。在1834年，Jacobi ^[3]和后来的 Liouville ^[4]讨论了这样一个事实: 当旋转物体的动能相对于引力势能超过一定的临界值时，这个问题的平衡解是三轴椭球。在这个分叉点上，麦克劳林椭球体的轴对称性被破坏。此外，在这个分叉点之上，对于常数角动量，使动能最小化的解是非轴对称的 Jacobi 椭球，而不是 Maclaurin 椭球。