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对称总是令人满意的。它是和谐与平衡的化身,所有的对称都让我们感觉良好。但是,尽管物理学家以对称性为指南来构建理论,自然界对偏倚倾侧的喜爱却更甚于四平八稳。非对称(Asymmetry)包含的信息通常远多于对称,对某种特定非对称性起因的理解,往往可以揭示通向实在深幽本质的蛛丝马迹。彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩勒特(François Englert)在50年前构想出基本粒子获取质量的图景时,也正是遵循此道。今天我们将这一图景称为“希格斯机制(Higgs mechanism)”。2013年10月,他们的工作终获回报,两人分享了诺贝尔物理学奖。

破碎的镜像

有时候对称本身能从非对称中涌现出来。我们都由原子构成,而原子又靠正负电荷之间的吸引力来维系。比如,最简单的原子是氢原子,由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成。而在物质中,这些电荷数目维持着精确的平衡,电荷相互抵消,只留下引力统治着物质间的长程相互作用。

上述情况是完美平衡起到至关重要作用的范例。但达到这种平衡的过程确是极端非平衡的。就目前所知,电子是基本粒子,质子却不是,而是由夸克构成。电子携带1个单位负电荷,夸克则携带着+2/3或-1/3的电荷,然后3个夸克一组构成+1电荷的质子,以及0电荷的中子。因此,即便是最简单的原子,也是不对称的:它的质子太复杂,而电子又太简单。两者之间完美的平衡暗示,存在更深层的对称性将电子和夸克联系起来,但目前我们对它仍一无所知。

不仅电荷如此,夸克的团簇让质量累积的方式也产生了偏向。当聚拢在一起构成质子时,夸克的能量非常高,这是量子不确定性对局域在质子内部的夸克施加的要求,因为此时夸克被限制在大约只有10-15米的范围内,能量的不确定性就非常高。而根据它们的总能量,用能量和质量间的等效关系E=mc2,可以算出一个质子的质量是电子质量的将近2000倍。因此原子内质量也是不平衡的,轻飘飘的电子所围绕的,是一个沉甸甸的、由质子和中子构成的带电原子核。

对粒子层次物质实在的其他审视则会揭示出更多的不对称性。为何没有带正电的电子和带负电的质子?对于这些“反物质”,稳定原子的量子规则和电磁学理论也完全适用。《星际迷航》爱好者和丹·布朗(Dan Brown)的书迷都知道,物质和反物质只要一接触,就会湮灭成能量,以光子形式向外辐射。因此如果宇宙从空无中由一场炽热大爆炸创生,那大爆炸辐射出的能量就应该肇生出等量的物质和反物质,然后它们又相互湮灭,复归于空无。但是我们所知的宇宙偏离了这种对称性,留下了物质,却没有留下反物质。

反物质缺失之谜是整个宇宙最根本的非对称性,至今仍悬而未决。也许,这是由自然定律底层的某种内禀非对称性导致的。果真如此的话,那这种内禀非对称性仍有待我们去发现。也可能,这是基本对称性被隐藏起来的例证之一,表明物理世界的表象与其深层结构之间存在着巨大差别。正是这种“隐藏对称性”的想法,将希格斯和恩勒特引向了诺贝尔奖。

初看起来,人体似乎是镜像对称的,但即使在外观上,也存在着不对称的因素。图片来源:wetcanvas.com

倾斜的生命
生命本身就建立在隐藏对称性之上。初看起来,人体似乎是镜像对称的,但即便在外观上也存在着不对称的因素,比如头发往往会披向一边。更重要的是,我们的内部脏器都不是镜像对称排布的,部分原因在于,心脏本质上就是个非对称器官。一个心室负责向全身输泵含氧量高的动脉血,这需要一个强有力心室,另一个心室则负责向肺部输送有待补充氧气的静脉血。由于心肺距离很近,所以后一个心室不需要那么强壮,因此两个心室强弱并不对称。这也是我们大多数人感觉心脏位于胸腔左侧的原因。其他内部器官围绕心脏以一种非对称的方式排布,所有人都如此,但是每20万人当中会有一个,他的脏器排布方式刚好与正常方式成镜像反转。

在更深的层次上,构成生命的分子本身就是不对称的。微生物学先驱路易·巴斯德(Louis Pasteur)甚至怀疑,是否“生命存在本身就是宇宙不对称所导致的结果”。

生命的要素是碳,而量子定律决定了每个碳原子与周围其他原子可以形成4条共价键。一个最简单的例子就是甲烷CH4,它呈现出一个完美对称的正四面体构型——1个碳原子居中,4个氢原子构成正四面体的4个尖角。但是,假设碳的4个化学键连接的都是不同元素或分子,比如一种存在于牛奶中的分子C[H][COOH][CH3][OH],这种分子就没有转动对称性,而且它的两种镜像分子化学性质完全不同。在刘易斯·卡罗尔(Lewis Carroll)的《镜中世界奇遇记》中,爱丽丝想知道由镜像分子构成的牛奶能不能喝。答案是,对大多数人而言都不能喝,因为牛奶中那种分子的镜像就是会引起肌肉酸痛的乳酸。

作为生命构架的氨基酸也具有四面体构型,也同样会有镜像分子,或者叫同分异构体。其中一种同分异构体可以构成生命,其他的就不行,至少目前我们还没发现。因此,在分子水平上,生命不是镜像对称的。尽管自然定律允许左手征和右手征分子以对称形式存在,但生命只能由其中一种构成(左手征)。就此而言,基本对称性在生命中被隐藏起来了。

扭曲的星系
稳定和对称亲如兄弟。即使你用双手握在购物推车把手的绝对中点去推它,它似乎也不会按你的想法笔直前进,而是要么偏左,要么偏右。这个例子说明,对完美对称哪怕最细微的偏离都会导致高度不稳定,因为你的右手可能比左手更有力,所以造成小车前进方向的巨大偏移。

要是一个系统只受引力作用,又会如何?牛顿告诉我们,物体间的引力不关心方向,因此引力具有球对称性,所以最自然的结果是,引力作用会形成球对称的结构。月球和太阳都是绝佳的例证,球状星系也是如此。但是,绝大多数星系都不是球对称的。就拿旋涡星系来说,它们基本上都只沿着一个平面扩展。如果我们的星系样本只有仙女座大星系这一个旋涡星系的话,搞不好会得出这样的结论:引力只在二维平面上才是对称的。

这其中的原因在于,球状星系是高度不稳定的。除非星系内所有的恒星都走位完美,在三维对称的共同引力的作用下落向中心,穿越过去,然后再落回来——如此来回振荡,直到形成一个稳定结构。只要有非常轻微的扰动,比如来自另一个星系的羁绊,就可以打破这个平衡。在这种情况下,自然会舍对称而取平衡。一个对称但不平衡的系统,会将对称隐藏起来,求得稳定。正所谓“恒而不稳,不若稳而不恒”。

不过,整体而言,整个宇宙中的旋涡星系群仍保持着3维对称性,因为它们星系盘的朝向是随机的,所有方向都有。在个别情况下,稳定性要求对称性隐匿起来,但是对称性在整体上仍得以保留。

我们还可以用一顶墨西哥草帽来说明稳定性如何隐藏对称性。将一顶墨西哥草帽倒扣在桌上,然后放一个球进去,这个球会很自然地呆在帽子底部,因为在那里不仅稳定而且具有转动对称性。现在将帽子正扣在桌上,然后把球放在尖顶处,此时对称性维持不变,仍然具有关于中轴线的转动对称性,但现在的对称是不稳定的——很明显,小球会随机从某个方向滚到帽檐沟里去,底层的对称性仍然存在,但现在已经被隐藏起来了。(这是所谓对称性自发破缺的一个典型例子,意思是说,整个系统从方程上来看仍然具有关于中轴线的转动对称性,但是这个系统的稳定解没有继承系统的对称性,被称为对称性自发破缺,在稳定解中系统的对称性被隐藏了起来。)

现在我们可以回到希格斯机制了。在对电磁场这类场的量子描述中,对称性意味着粒子具有0质量。对此,电磁场没有任何问题,因为传递电磁相互作用的是光子,本身就是无质量的。但是传递弱核力的W和Z玻色子是有质量的,而且两者质量还不相同,因此量子场的底层对称性一定被深深隐藏起来了,那它是如何被隐藏的呢?

沉重的光子
光子在某种情况下也会表现出非零质量,正是这种现象给了希格斯、恩勒特和其他人以灵感。这种情况就是,将一个光子射向等离子体,即一团由离子构成的气体。只有当光子的频率足够高时,它才能穿透这团等离子气。这个频率阈值被称为“等离子频率”,低于这个频率的光子会被反射回来。

无线电波在电离层上的反射,便是现实世界中一个类似的例子,电离层其实就是大气上部的一层等离子体。正是这种反射使得无线电波能从美洲传到欧洲,但同时我们仍可以看见穿透电离层的点点星光(注意,光也是电磁波),因为可见光的频率比无线电波更高,能量也更高,可以不受阻碍地穿过电离层。

这意味着,假如有生物生活在等离子体中,他们就只能看到高于某个能量的光子。再根据质能方程E=mc2,最低能量意味着最低质量,于是,等离子体中生活的生物肯定认为光子是有质量的。

一个具有怀疑精神的物理学家会看出点问题。光子的电场和磁场振荡方向都与光子的运动方向垂直,也就是说没有沿着光子运动方向的纵向振荡,然而量子力学要求任何具有质量的实体都具备这样的纵向振荡。不过当光子穿过等离子体时,等离子体本身会沿着光的传播方向振荡,就好比一束在空气中传播的纵向声波一样。因此整体上来看,等离子体中的有质量光子满足了所有要求——换句话说,要求光子无质量的基本对称性被隐藏起来了。

希格斯、恩勒特等人的发现,关键在于推广上述想法。想象整个空间中都充斥着某种形式的“等离子体”,它对光子而言是透明的,对W和Z玻色子却不是,于是W和Z玻色子就带上了质量。在这幅图景中,我们成为了那些经验只局限在这种奇怪而又无处不在的等离子体中的生物。这种“等离子体”,被称为希格斯场(这个名字其实有一点不太公平)。

希格斯场的数学描述,类似上述例子中的墨西哥草帽,只不过这里出现的对称性,是量子场论中的所谓规范对称(gauge symmetry)。当希格斯场为0时,规范对称性被保持,这意味着无论光子还是W和Z玻色子都是无质量的。然而,正如小球会滚进帽檐沟一样,真空总是会趋向能量最低状态。在这种类比中,小球代表了希格斯场的各种可能状态。当真空到达能量最低态后,规范对称性虽整体上仍然存在,但它的后果却被隐藏起来,于是粒子便获得了质量。

其实,一些研究者在1964年就认识到,小球可以在帽檐沟里无障碍地滚动,相当于W玻色子这样的有质量粒子存在着“额外振动维度”,等价于上面提到的等离子体的纵向振动。

但是只有希格斯注意到,小球还可以沿着帽檐沟的两侧上下振荡。这种振荡隐含在量子不确定性之中,同样也对应一种有质量粒子,就是现在我们所说的希格斯玻色子。1967年,汤姆·基伯(Tom Kibble)证明,W和Z玻色子如何通过与希格斯粒子的相互作用而获得质量,同时仍保持光子的质量为零,从而给希格斯的图景添上了完美的一笔。