對(duì)稱性構(gòu)成了宇宙的基礎(chǔ)，而宇宙又喜歡打破對(duì)稱性

照鏡子會(huì)發(fā)現(xiàn)身體左側(cè)和右側(cè)幾乎一樣，這叫對(duì)稱不僅可以在自然界中看到，更根本的是，對(duì)稱性似乎被寫在了宇宙的藍(lán)圖中比如量子力學(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)力雖然對(duì)稱很重要，但打破對(duì)稱也很重要如果沒有這些破碎的對(duì)稱，我們就不會(huì)有一個(gè)熟悉的宇宙，也就不會(huì)有我們所知道的生命

在物理學(xué)中，對(duì)稱性意味著粒子的性質(zhì)在變換后不會(huì)改變最簡(jiǎn)單的例子就是，無論你是在地球表面，還是在中國(guó)的空間站，物理定律都是一樣的，這就是空間平移的對(duì)稱性或者說今天的物理定律和一百年前是一樣的，這就是時(shí)間平移的對(duì)稱性這種對(duì)稱性向我們展示了構(gòu)建宇宙有一些簡(jiǎn)單的規(guī)則，但它有時(shí)會(huì)打破其中的一些規(guī)則

對(duì)稱性破缺:基本粒子的質(zhì)量

如下圖所示，它描繪了物理學(xué)中的能量勢(shì)能左右兩側(cè)有兩個(gè)最小值，中間有一個(gè)局部最大值如果我們沿著中心垂直放置一面鏡子，兩面是對(duì)稱的現(xiàn)在，如果我讓你在不破壞球的對(duì)稱性的情況下放一個(gè)球，你會(huì)把它放在哪里只有一個(gè)選擇，就是盡量放在中間如果球稍微受到擾動(dòng)，滑向一邊，對(duì)稱性就會(huì)被打破事實(shí)上，這是希格斯機(jī)制賦予基本粒子質(zhì)量的直觀表示有些基本粒子不在中心，而是在希格斯場(chǎng)的非零勢(shì)中，破壞了對(duì)稱性

為什么質(zhì)量只能用對(duì)稱破缺來解釋質(zhì)量問題是標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其核心有U，SU ，SU 三種對(duì)稱，每一種對(duì)稱都與自然界的基本力有關(guān)，分別是電磁力，弱力和強(qiáng)力換句話說，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)沒有它們，就沒有原子核，原子，化學(xué)，任何結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也就沒有我們所知的生命

這些力是由攜帶力的粒子介導(dǎo)的，即電磁力中的光子，弱力中的W和Z玻色子，強(qiáng)力中的膠子現(xiàn)在問題來了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的方程式，這些粒子一定都沒有質(zhì)量這是方程對(duì)稱性的要求它給了我們無質(zhì)量玻色子，而不是大質(zhì)量玻色子這也包括希格斯玻色子，根據(jù)方程，它也必須是無質(zhì)量的

這顯然不符合實(shí)際，因?yàn)槊枋鋈趿Φ睦碚撝挥性赪和Z玻色子有質(zhì)量的情況下才成立這與弱力的作用范圍非常有限有關(guān)如果這兩個(gè)粒子沒有質(zhì)量，那么它的作用范圍就會(huì)變得無限大那么這些基本粒子的質(zhì)量是如何產(chǎn)生的呢質(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，與希格斯場(chǎng)相互作用的基本粒子在這個(gè)非零勢(shì)下會(huì)得到一個(gè)靜止質(zhì)量所有與標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子相關(guān)的質(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質(zhì)量的，就像無質(zhì)量光子一樣

對(duì)稱性破缺:原子質(zhì)量

其實(shí)所有的質(zhì)量都是對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的，不僅僅是基本粒子的質(zhì)量希格斯場(chǎng)無法解釋宇宙中的大部分質(zhì)量中子和質(zhì)子幾乎占整個(gè)原子的質(zhì)量，它們的質(zhì)量來自夸克和核子的結(jié)合能換句話說，它來自與強(qiáng)力相關(guān)的膠子相互作用

如果把組成一個(gè)原子的所有基本粒子的質(zhì)量加起來，也只占原子質(zhì)量的1%左右由于強(qiáng)力，99%的質(zhì)量來自結(jié)合能現(xiàn)在的問題是，什么樣的對(duì)稱破缺解釋了這種對(duì)稱破缺已經(jīng)證明，標(biāo)準(zhǔn)模型中除了給我們?nèi)齻€(gè)基本力的規(guī)范對(duì)稱之外，還有其他對(duì)稱，比如手征對(duì)稱手征對(duì)稱理論也處理左手粒子和右手粒子例如，如果我們?cè)谌魏畏磻?yīng)中用右手粒子交換左手粒子，結(jié)果什么也不會(huì)改變

考慮一個(gè)質(zhì)量為2.3MeV的左手夸克，以及這個(gè)夸克的反粒子，它是右手的當(dāng)這兩種夸克結(jié)合時(shí)，這種結(jié)合稱為介子如果對(duì)旋向性一視同仁，這種介子將以大約為零的凈能量湮滅換句話說，夸克反夸克對(duì)的結(jié)合將導(dǎo)致零質(zhì)量但如果手征對(duì)稱性被破壞，它們就不會(huì)被同等對(duì)待，凈能量也不為零

事實(shí)上，當(dāng)這兩個(gè)粒子被膠子束縛在一起時(shí)，質(zhì)量會(huì)發(fā)生一些顯著的變化如果把夸克的質(zhì)量加在一起，就不是4.6兆電子伏，而是高達(dá)135到140兆電子伏這種質(zhì)量上的提升從何而來這是由于手征對(duì)稱性的破壞

當(dāng)夸克被膠子交換強(qiáng)烈限制時(shí)，手征對(duì)稱性就會(huì)被打破膠子在夸克周圍形成一團(tuán)云來限制夸克，并產(chǎn)生一種結(jié)合能，這種結(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