照照鏡子,，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)身體左側(cè)與右側(cè)幾乎相同，這稱為對(duì)稱性,。我們不僅可以在自然界看到它,，而且更根本的是，對(duì)稱性似乎寫在宇宙的藍(lán)圖中,。例如,，量子力學(xué)中的對(duì)稱性導(dǎo)致了三種基本的自然力：電磁力、弱力和強(qiáng)力,。盡管對(duì)稱性很重要，但打破對(duì)稱性也很重要,。如果沒(méi)有這些被打破的對(duì)稱性,，我們就不會(huì)擁有熟悉的宇宙，就不會(huì)有我們所知道的生命,。

在物理學(xué)中,，對(duì)稱性是指粒子的性質(zhì)在經(jīng)過(guò)變換后不會(huì)改變,。最簡(jiǎn)單的例子是，無(wú)論你在地球表面還是在中國(guó)空間站上,，物理定律都是一樣的,，這就是空間平移對(duì)稱性。又或者今天的物理定律與一百年前相同,，這是時(shí)間平移對(duì)稱性,。這樣的對(duì)稱性向我們表明，有一些用于構(gòu)建宇宙的簡(jiǎn)單規(guī)則,，但它有時(shí)也會(huì)打破其中的某些規(guī)則,。

對(duì)稱性破缺一：基本粒子質(zhì)量

如下圖所示，它描繪了物理學(xué)中的能量勢(shì),。左側(cè)和右側(cè)有兩個(gè)最小值,，中間有一個(gè)局部最大值。如果我們沿中心垂直放置一面鏡子,，則兩邊是對(duì)稱的?，F(xiàn)在，如果我要求你放置一個(gè)球,，并且不會(huì)破壞其對(duì)稱性,，那么你會(huì)把它放在哪里？只有一個(gè)選擇,，就是盡可能把它放在中間,。如果球受到輕微擾動(dòng)而向一側(cè)滑落，那么對(duì)稱性就會(huì)被打破,。事實(shí)上,，這是希格斯機(jī)制將質(zhì)量賦予基本粒子的直觀表示。某些基本粒子不在中心,，在希格斯場(chǎng)的非零勢(shì)中而破壞了對(duì)稱性,。

為什么質(zhì)量只能通過(guò)對(duì)稱破缺來(lái)解釋？質(zhì)量問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它的核心具有三個(gè)對(duì)稱性：U(1),、SU(2)和SU(3),，每個(gè)對(duì)稱性都與自然的基本力相關(guān)聯(lián)，即分別為電磁力,、弱力和強(qiáng)力。換句話說(shuō),，這些對(duì)稱性導(dǎo)致了四種基本力中的三種,。這些構(gòu)成了我們宇宙的基礎(chǔ)，沒(méi)有它們就沒(méi)有原子核、沒(méi)有原子,、沒(méi)有化學(xué),、沒(méi)有任何類型的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也沒(méi)有我們所知道的生命,。

這些力是由載力粒子所介導(dǎo)的,，即電磁力中的光子、弱力中的W和Z玻色子和強(qiáng)力中的膠子?，F(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了,，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的方程，這些粒子必須都是無(wú)質(zhì)量的,。這是方程對(duì)稱性的要求,，它給我們的是無(wú)質(zhì)量的玻色子，不是大質(zhì)量的玻色子,。這也包括希格斯玻色子,，根據(jù)方程，它也必須是無(wú)質(zhì)量的,。

這顯然不符合現(xiàn)實(shí),，因?yàn)槊枋鋈趿Φ睦碚撝挥性赪和Z玻色子有質(zhì)量的情況下才有效。這與弱力作用范圍非常有限的事實(shí)有關(guān),，如果這兩個(gè)粒子無(wú)質(zhì)量,，那么它的作用范圍就會(huì)變得無(wú)限。那么這些基本粒子的質(zhì)量是如何產(chǎn)生的,？質(zhì)量的出現(xiàn)是由于希格斯機(jī)制,，這是對(duì)稱性破缺的結(jié)果。

希格斯場(chǎng)的期望值不為零,，在這個(gè)非零勢(shì)下與希格斯場(chǎng)相互作用的基本粒子都會(huì)獲得一個(gè)靜止質(zhì)量,。與標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子相關(guān)的所有質(zhì)量都是由于它們與希格斯場(chǎng)相互作用的事實(shí)。不與希格斯場(chǎng)相互作用的粒子仍然是無(wú)質(zhì)量的,，就像無(wú)質(zhì)量的光子一樣,。

對(duì)稱性破缺二：原子質(zhì)量

事實(shí)上，所有質(zhì)量都是由于對(duì)稱性破缺造成的,，而不僅僅是基本粒子的質(zhì)量,。希格斯場(chǎng)不能解釋宇宙中的大部分質(zhì)量，中子和質(zhì)子幾乎占了整個(gè)原子的質(zhì)量,，它們的質(zhì)量來(lái)自于內(nèi)部夸克的結(jié)合能以及核子之間的結(jié)合能,。換句話說(shuō)，它來(lái)自與強(qiáng)力相關(guān)的膠子相互作用,。

如果把構(gòu)成原子的所有基本粒子的質(zhì)量加起來(lái),，它只占原子質(zhì)量的1%左右,。由于強(qiáng)力的作用，99%的質(zhì)量來(lái)自結(jié)合能?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，什么樣的對(duì)稱性破缺解釋了這種對(duì)稱性破缺,。事實(shí)證明,，除了給我們?nèi)齻€(gè)基本力的規(guī)范對(duì)稱性之外，標(biāo)準(zhǔn)模型中還有其他對(duì)稱性,，例如存在手征對(duì)稱性,。手征對(duì)稱理論同樣對(duì)待左手性粒子和右手粒子，例如,，如果我們?cè)谌魏畏磻?yīng)中將左手粒子與右手粒子交換,，結(jié)果是什么都不會(huì)改變。

考慮一個(gè)左手夸克,，它的質(zhì)量是2.3MeV,，還有這個(gè)夸克的反粒子，它是右手性的,。當(dāng)這兩個(gè)夸克結(jié)合在一起時(shí),，這種組合稱為介子。如果左右手性被同等對(duì)待,，這種介子將以大約為零的凈能量湮滅,。換句話說(shuō)，夸克反夸克對(duì)的組合將導(dǎo)致質(zhì)量為零,。但是如果手征對(duì)稱性被破壞,，它們就不會(huì)被平等對(duì)待，凈能量不為零,。

事實(shí)上,，當(dāng)這兩個(gè)粒子被膠子結(jié)合在一起時(shí)，質(zhì)量會(huì)發(fā)生一些顯著變化,。如果將夸克的各個(gè)質(zhì)量加在一起,，它也不是 4.6MeV，而是高達(dá)135到140MeV,。這種質(zhì)量的增加是從哪里來(lái)的,？這是由于手征對(duì)稱性被破壞。

當(dāng)夸克通過(guò)膠子的交換而被強(qiáng)力限制時(shí),，手性對(duì)稱性就會(huì)破缺,。膠子在夸克周圍形成了一種云限制了夸克，并產(chǎn)生一種結(jié)合能,，該結(jié)合能被測(cè)量為介子的質(zhì)量,。同樣的事情也發(fā)生在質(zhì)子和中子內(nèi)部,。

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