Как нарушаются симметрии в космологии?

То, как я понимаю спонтанное нарушение симметрии в термодинамических системах, состоит в том, что симметрия на самом деле явно нарушается бесконечно малым полем. Система выбирает одно из несимметричных состояний фактически случайным образом, потому что она бесконечно чувствительна к малейшим возмущениям. Например, в случае модели Изинга намагниченность скачкообразно зависит от внешнего поля,

м ( час 0 + ) "=" м 0 м ( час 0 ) "=" м 0 .

В симметричном случае возможны два значения намагниченности: час "=" 0 а физически реализуемая зависит от знака бесконечно малого (и неизмеримого) внешнего поля. Это кажется случайным.

А космология? Например, все говорят о нарушении электрослабой симметрии на ранних стадиях Большого взрыва. Что это значит? Большой взрыв (и вся Вселенная) — неравновесная система. Я не знаю, как связать это с термодинамикой. Более того, в космологии не может быть никакого внешнего поля, бесконечно мало нарушающего симметрию. Как может симметрия действительно случайно нарушиться? Разве Вселенная не детерминирована?

Связанные: спонтанное нарушение симметрии в классической механике, квантовой механике и квантовой теории поля и существуют ли безмассовые бозоны в масштабах выше электрослабого масштаба? . Ответ на последний вопрос указывает на то, что «момент» разрыва отсутствует. Когда шкала энергии выше шкалы нарушения, нарушением просто можно пренебречь, но симметрия не становится «ненарушенной».

Ответы (1)

Ранняя Вселенная в значительной степени находится в состоянии теплового равновесия, после инфляции Вселенная имеет большую температуру, позволяющую всем степеням свободы достичь равновесия. Это видно из уравнения Больцмана, описывающего, как изменяется числовая плотность в расширяющейся Вселенной. Равновесие достигается видом частиц, если Г ЧАС , так как тогда шкала времени взаимодействия ( 1 / Г 1 / Т ) меньше, чем временной масштаб расширения ( 1 / ЧАС м п / Т 2 где м п >> Т масса Планка). Это хорошая оценка термализации.

Нарушение симметрии в ранней Вселенной происходит из-за конечных температурных эффектов. Чтобы изучить это, нужно взглянуть на эффективное действие конечной температуры для скалярного поля, включая расчет теории теплового поля. Скалярное поле получает вклад в свой эффективный потенциал от релятивистских степеней свободы, с которыми оно связано. Так как поле Хиггса соединяется с фермионами и калибровочными бозонами, которые были легкими и релятивистскими в ранней Вселенной, это изменяет потенциал.

Обычно потенциал имеет два члена:

В "=" В ( Т "=" 0 ) + В ( Т )

В ведущем порядке В ( Т ) М 2 Т 2 где Т температура термальной ванны и М - массовый член полей, с которыми соединяется поле Хиггса.

Ключевым моментом является то, что в целом Т преобладают тепловые поправки, и потенциал имеет единственный минимум в начале координат. По мере снижения температуры тепловые поправки падают и появляются новые минимумы. В конце концов поле Хиггса может свободно эволюционировать от начала координат к новым минимумам, во время которых оно нарушает симметрию.

Этот процесс более или менее одинаков для любого фазового перехода в ранней Вселенной. В зависимости от содержания частиц в теории фазовый переход может быть первого или второго рода. В зависимости от связи диссипативные эффекты могут быть важны и могут привести к интересным эффектам.

Я надеюсь, что это ответит на ваш вопрос или, по крайней мере, поможет.

Спасибо за ответ. Однако вы не ответили на последнюю часть моего вопроса. Меня беспокоит то, что если симметрия не нарушена (по крайней мере, бесконечно мало) в микроскопическом лагранжиане, она не будет нарушена эволюцией во времени. Я вижу только два варианта нарушения симметрии: симметрия явно нарушается либо лагранжианом, либо начальными условиями. В термодинамике это не проблема, потому что что-то внешнее по отношению к системе может нарушить нашу симметрию. Это явно не вариант в космологии. Как может нарушиться симметрия в космологии?
Ах, извините. Однако существуют квантовые и тепловые флуктуации скалярного поля, которые возмущают систему из симметричной точки.