宇宙是一根搖擺的呆毛｜正經玩_風聞

看過動漫的朋友一定知道"呆毛"

這根翹在頭頂的倔強頭髮

時而筆直挺立，時而左右搖擺

但你知道嗎？

這根看似隨意的呆毛

竟然暗藏着宇宙運行的終極奧秘！  

今天我們用一個夾子和一張紙

就能輕鬆復刻宇宙的"呆毛行為學"！

實驗器材

長方形的紙（硬一點的材質）、夾子、所標杯

實驗步驟

第一步：

拿起夾子，將其夾在長方形紙的短邊頂部。

第二步：

用手提起紙張長邊的上半部分，發現紙保持豎直狀態，沒有左右彎曲。這是一個對稱的狀態，無論向左還是向右，看起來都一樣，就像一根筆直豎立的呆毛。

第三步：

當手離夾子的位置逐漸變遠時，到達某個臨界點後，神奇的事情發生了。紙張無法再保持筆直，它會隨機地向左或向右彎曲，耷拉下來，“對稱性”被打破了。

原理解説

不對稱的呆毛與對稱的呆毛理論

當呆毛比較短時（手提起紙張的上半部分），其重力勢能關於呆毛彎曲角的變化曲線可以近似地畫成這樣：

這是一條碗狀的曲線，呆毛的搖擺，正如一顆小球在碗底滾動，呆毛重力勢能最低的穩定狀態就是豎直堅挺狀態。

而當呆毛比較長時（手提起紙張的下半部分），其重力勢能關於呆毛彎曲角的變化曲線可以近似地畫成這樣：

這時碗底隆起了一座小山，小球難以穩定地呆在山頂，任何微小地擾動都會使它落到左邊或者右邊的重力勢能最低點。呆毛也是如此，它的最穩定狀態不再是豎直狀態，而是“自發地”向左彎曲或者向右彎曲。呆毛的狀態“自發地”變得不對稱了！

請注意，我們的“呆毛理論”（重力勢能曲線）仍然是左右對稱的！但是這個理論給出的呆毛形態穩定解卻可以是不對稱的。呆毛的彎曲，是未經先驗的干預的，從普適的呆毛理論中自發湧現出來的結構！物理學家們把這種結構稱之為“序”。

還可以用三次元的比喻來解釋這個自發性：物理理論是一個對稱的火鍋，而對於“造物主”來説，物理世界是一塊要放入鍋裏的肉片，“造物主”在火鍋裏下肉時，總要下在一個不對稱的地方。（總不能把肉下在鍋中間的煙囱裏吧！）| 來源：李自翔《朗道與凝聚態物理：極致簡單化與偏執狂的有趣混合體》講座（有改編）

自發對稱性破缺：宇宙是一根搖擺的呆毛

宇宙的演化，從某種意義上説，就像那根搖擺的呆毛。

宇宙剛誕生時（宇宙年齡<10-36秒），温度高達千萬億度，具有極高的對稱性，就像一根豎直挺拔的呆毛，在我們剛剛的實驗中，對應於手提起紙張的上半部分。此時四大基本相互作用尚未分化，連時間和空間的概念都處於模糊狀態，宇宙就是一鍋混沌的粒子湯，沒有任何秩序。

然後宇宙進入暴漲時期（宇宙年齡≈10-36秒），温度快速降低，原初的高對稱狀態變得不再穩定，相當於我們在實驗中把手的位置向下移，呆毛變長了！於是，宇宙“自發地”選擇了一個方向，“彎曲”了下來，破缺了原初的對稱性。這時強核力被分化出來，時空也被拉平了。

宇宙演化示意圖 | 來源：2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051（有改編）

接着，宇宙繼續降温（宇宙年齡≈10-12秒），電弱對稱性也自發破缺了，粒子獲得了質量，物質與反物質也得以區分！當宇宙年齡來到約10-6秒時，手徵對稱性自發破缺，夸克被囚禁成質子和中子。此後，宇宙繼續漸漸從混沌走向有序，形成了我們今天所見的豐富由複雜的生機勃勃的宇宙。

在今天的宇宙，搖擺的呆毛也無處不在。從微觀到宏觀，對稱性一層一層地破缺，新的秩序一層一層地湧現：

現代物理學疆域圖 | 來源：餘蔭鎧

我們所在的這個宇宙，正是無數次自發對稱性破缺之後，從無限可能性中脱穎而出的那一個。

所以，下次當你再看到動漫角色頭頂那根搖擺的呆毛時，或許可以會心一笑。因為它不僅很萌，更是在用最簡單的方式，向你展示着宇宙最深刻的奧秘。

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