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(xiě)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?W 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。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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