对称性构成了宇宙的基础,⽽宇宙⼜喜欢打破对称性

作者: Eugene Wang

来源: 万象经验

发布日期: 2022-11-14 12:35:18

本文探讨了宇宙中的对称性及其破缺现象,特别是对称性破缺如何解释基本粒子和原子的质量。文章指出,对称性是宇宙基础的一部分,但打破对称性对于形成我们所知的宇宙和生命至关重要。

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。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。

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