近期,著名科普杂志QuantaMagzine发表文章探讨量子场论中一种神奇物质现象,它处于永远不会被热量破坏的有序状态,文章配图是火中的雪花。此现象与理论物理多个关键概念紧密相关。
1937年,朗道提出的自发对称破缺理论指出,水结冰是该过程的体现,水相对冰对称性更高。以旋转对称性为例,水旋转任意角度无明显变化,而冰因晶格结构,只有特定角度旋转才保持不变,水到冰的转变破坏了原有对称性。依据热力学第二定律,相变时高温相需有更高熵,通常对称性高的系统更无序、熵更高,这解释了冰加热变成水的现象。不过,1950年苏联物理学家IsaakPomeranchuk预言了液态He – 3的奇特行为,加热时它会变成固体,1969年Pomeranchukeffect被实验证实,并应用于低温制冷,还促使He – 3超流的发现。
1976年,斯蒂芬·温伯格关注到这一现象,构建了由标量场组成的量子场论,实现反常对称破缺。该模型可理解为两个耦合自旋,一个自旋态固定,另一个在高维球面取值,升温时红色自旋有序态不被破坏,额外熵被蓝色自旋吸收,类似Pomeranchukeffect,实现反常相变。调节参数还能提高对称破缺相变温度,甚至在无穷大温度下保持有序态,即实现不可融化的序,然而该模型在4维度时空下,标量场存在紫外不完备问题。
众多物理学家的努力与宇宙学关联紧密。宇宙诞生初期温度极高,随着膨胀温度下降,在宇宙诞生后0.01ns,温度降至1015开尔文,粒子特征能量到100GeV左右时,发生电弱对称性破缺相变,也就是希格斯机制,众多基本粒子借此获得质量。但电弱对称破缺的能量尺度与宇宙刚诞生时差距巨大,这就是等级问题,为此产生了大统一理论等多种流行模型。温伯格的研究为宇宙学提供新可能,引发关于宇宙是否处于不可融化的序等诸多思考,这一假说也被称为对称性不恢复。
在温伯格之后近50年,不可融化的序这一问题未得到很好解答,原因包括现象反直觉及强关联量子场论求解困难。直到2020年,ZoharKomargodski及其合作者引入共形场论构造紫外完备体系。共形场论类似分形系统,具有自相似性,即高低能量尺度下行为一致,据此他们发现任意温度下都处于有序状态的理论。不过,Komargodski采用的方案有瑕疵,因其使用的维度重整化微扰计算方案使结论仅在时空维度为3.99时成立。
2024年9月,Michael Scherer、Junchen Rong(荣俊臣)和BilalHawashin在3维下,用泛函重整化方法证明Zohar等人的模型能实现不可融化的序,虽证明不完美,但启发Komargodski与新合作者FedorPopov在三个月后给出严格证明,完成了不可融化的序的关键拼图。
尽管这些工作证明量子场论可实现永不融化的序,但模型存在缺点。Scherer – Rong -Hawashin文章表明,需辅助自旋体系在14维球面上取值且共形场论为多重临界点,要进行额外精细调节才能实现该体系。这些理论研究虽解决了不可融序存在与否的基本问题,但距离在宇宙学中的应用仍有很长路要走,不过这为未来研究指明了方向。