对称性构成了宇宙的基础，而宇宙又喜欢打破对称性

文章来源：万象经验原文作者：Eugene Wang

照照镜子，我们会发现身体左侧与右侧几乎相同，这称为对称性。我们不仅可以在自然界看到它，而且更根本的是，对称性似乎写在宇宙的蓝图中。例如，量子力学中的对称性导致了三种基本的自然力：电磁力、弱力和强力。尽管对称性很重要，但打破对称性也很重要。如果没有这些被打破的对称性，我们就不会拥有熟悉的宇宙，就不会有我们所知道的生命。

在物理学中，对称性是指粒子的性质在经过变换后不会改变。最简单的例子是，无论你在地球表面还是在中国空间站上，物理定律都是一样的，这就是空间平移对称性。又或者今天的物理定律与一百年前相同，这是时间平移对称性。这样的对称性向我们表明，有一些用于构建宇宙的简单规则，但它有时也会打破其中的某些规则。

对称性破缺一：基本粒子质量

如下图所示，它描绘了物理学中的能量势。左侧和右侧有两个最小值，中间有一个局部最大值。如果我们沿中心垂直放置一面镜子，则两边是对称的。现在，如果我要求你放置一个球，并且不会破坏其对称性，那么你会把它放在哪里？只有一个选择，就是尽可能把它放在中间。如果球受到轻微扰动而向一侧滑落，那么对称性就会被打破。事实上，这是希格斯机制将质量赋予基本粒子的直观表示。某些基本粒子不在中心，在希格斯场的非零势中而破坏了对称性。

为什么质量只能通过对称破缺来解释？质量问题是标准模型结构的基础，它的核心具有三个对称性：U(1)、SU(2)和SU(3)，每个对称性都与自然的基本力相关联，即分别为电磁力、弱力和强力。换句话说，这些对称性导致了四种基本力中的三种。这些构成了我们宇宙的基础，没有它们就没有原子核、没有原子、没有化学、没有任何类型的结构，当然也没有我们所知道的生命。

这些力是由载力粒子所介导的，即电磁力中的光子、弱力中的W和Z玻色子和强力中的胶子。现在问题来了，根据标准模型的方程，这些粒子必须都是无质量的。这是方程对称性的要求，它给我们的是无质量的玻色子，不是大质量的玻色子。这也包括希格斯玻色子，根据方程，它也必须是无质量的。

这显然不符合现实，因为描述弱力的理论只有在W和Z玻色子有质量的情况下才有效。这与弱力作用范围非常有限的事实有关，如果这两个粒子无质量，那么它的作用范围就会变得无限。那么这些基本粒子的质量是如何产生的？质量的出现是由于希格斯机制，这是对称性破缺的结果。

希格斯场的期望值不为零，在这个非零势下与希格斯场相互作用的基本粒子都会获得一个静止质量。与标准模型的粒子相关的所有质量都是由于它们与希格斯场相互作用的事实。不与希格斯场相互作用的粒子仍然是无质量的，就像无质量的光子一样。

对称性破缺二：原子质量

事实上，所有质量都是由于对称性破缺造成的，而不仅仅是基本粒子的质量。希格斯场不能解释宇宙中的大部分质量，中子和质子几乎占了整个原子的质量，它们的质量来自于内部夸克的结合能以及核子之间的结合能。换句话说，它来自与强力相关的胶子相互作用。

如果把构成原子的所有基本粒子的质量加起来，它只占原子质量的1%左右。由于强力的作用，99%的质量来自结合能。现在的问题是，什么样的对称性破缺解释了这种对称性破缺。事实证明，除了给我们三个基本力的规范对称性之外，标准模型中还有其他对称性，例如存在手征对称性。手征对称理论同样对待左手性粒子和右手粒子，例如，如果我们在任何反应中将左手粒子与右手粒子交换，结果是什么都不会改变。

考虑一个左手夸克，它的质量是2.3MeV，还有这个夸克的反粒子，它是右手性的。当这两个夸克结合在一起时，这种组合称为介子。如果左右手性被同等对待，这种介子将以大约为零的净能量湮灭。换句话说，夸克反夸克对的组合将导致质量为零。但是如果手征对称性被破坏，它们就不会被平等对待，净能量不为零。

事实上，当这两个粒子被胶子结合在一起时，质量会发生一些显着变化。如果将夸克的各个质量加在一起，它也不是 4.6MeV，而是高达135到140MeV。这种质量的增加是从哪里来的？这是由于手征对称性被破坏。

当夸克通过胶子的交换而被强力限制时，手性对称性就会破缺。胶子在夸克周围形成了一种云限制了夸克，并产生一种结合能，该结合能被测量为介子的质量。同样的事情也发生在质子和中子内部。

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编辑：六块钱的鱼