对称性在艺术、建筑甚至解剖学中很容易识别。但物理学中对称性的概念很难理解。然而，对称性在这里发挥了最重要的作用之一，揭示了自然界中的力和构成我们宇宙的基本粒子的秘密。“在过去的 100 年里，物理学家思考世界方式的最大概念变化是对称性，”亚利桑那州立大学的理论物理学家劳伦斯·克劳斯说。
克劳斯将数学对称性描述为自然界的一种规则手册，它引导科学家发现了构成原子中质子和中子的夸克、结合它们的胶子，并最终发现了粒子物理学当前的最高成就：解释粒子如何获得质量的希格斯玻色子。它使研究人员能够统一自然界中的某些力——例如将电和磁统一为电磁力，后来又将弱力加入其中，形成了电弱相互作用。
在他的新书《有史以来最伟大的故事——到目前为止：我们为什么在这里？》 (2017 年 3 月，Simon & Schuster) 中，克劳斯详细介绍了对称性如何引领现代粒子物理学的重大突破。《大众科学》采访了克劳斯，谈论了对称性在科学中的意义，对称性在宇宙历史中如何在重要方面“被打破”，以及它在未来的研究和我们整个宇宙的命运中可能扮演的角色。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
【以下是采访的编辑稿。】
图片来源：Jena Sprau
当物理学家谈论对称性时，他们指的是特定的事物。什么是科学对称性？它为什么如此重要？
对称性对于物理学家来说，与公众的意义不同。它意味着一个物体或一个理论在您进行某种变换时不会改变——无论是旋转或移动它，还是对方程式进行某些操作。对于物理学家或数学家来说，您可以想到的最对称的物体是球体，因为它无论您对它做什么，无论您朝哪个方向旋转它，看起来都完全相同。
对称性是物理世界运作的场所，并决定了游戏的规则。自然的对称性为我们确定了保持不变的事物，即无法改变的事物。这些是物理学中的指导原则，例如能量和动量等量。例如，我们现在理解，能量守恒是因为自然界存在一种对称性告诉我们物理定律不会随时间而改变。
您将某种类型的对称性，即规范对称性，称为自然界最重要的对称性。什么是规范对称性？
你必须问这个问题这一事实很重要。由于规范对称性，我们思考基本物理世界的方式发生了彻底的转变，但没有人知道它。它发生在 1960 年到 1975 年之间，从理论的角度来看，这是 20 世纪理解宇宙最具革命性的时期。所有的物理定律都具有这种对称性，它引导我们寻找新的定律。
规范对称性首先从大多数人熟悉的对称性开始。这就是电荷守恒，事实上，每当我产生正电荷时，我必须有一个负电荷来平衡它，如果系统是中性的。电子具有所谓的负电荷，但负电荷只是一个人类术语——它在物理上没有任何意义。我们可能称电子为正电荷。所以电荷的符号是任意的。我们可以改变自然界中每个电荷的符号，世界看起来仍然相同。这就是对称性。
但这不是规范对称性。
没错。“规范”对称性这个术语本身有点用词不当，因为它在应用于自然力时没有任何意义。“规范”部分来自 1918 年数学家赫尔曼·韦尔的研究，他正在研究广义相对论中的几何对称性。韦尔将尺度的变化讨论为“规范”的变化——指的是测量火车轨道之间距离的规范。
回到你的问题：“什么是规范对称性？” 再次强调，对称性意味着定律不会改变——就像如果每个正电荷都变成负电荷，反之亦然，一切都保持不变一样。好吧，规范对称性表达了一种更深层次、真正奇怪的对称性，在这种对称性中，您可以通过局部定义“正”和“负”，通过设置某些将两者映射在一起的条件，来显示两个事物（例如“正”和“负”）之间的等效性。这是一个非常微妙的想法，它要求我们最大限度地拓展我们的思维，但了解它是很重要的，因为它实际上有助于约束理论家，并确保我们的数学是自洽的且有意义的。
我不确定我是否理解了…
所以，把宇宙想象成一个大棋盘。我可以把棋盘上的每个白色方格变成黑色方格，把每个黑色方格变成白色方格，游戏仍然完全一样。这是一种简单的对称性。现在我可以把它变成规范对称性，让它变得更加棘手。我可以这样说，“让我在我想要的任何时候，在局部改变一个白色方格为黑色方格或一个黑色方格为白色方格。不是到处，而是逐个地方。” 现在棋盘看起来完全不一样了，所以游戏不可能一样，除非我也有一个规则手册——一个关于每个点发生什么的坐标系——其中包含棋盘上棋子遵循的规则，以保持游戏相同，这些规则解释了我改变方格颜色的任何地方。这变成了一个非常奇怪的对称性。
正如我在书中解释的那样，这种对称性告诉你如何从电荷守恒过渡到电磁理论。它说，“我可以在局部改变自然界中每个电荷的符号。但我必须有一个规则手册。” 规则手册是什么？在这种情况下，它是电磁场。即使规范对称性是大多数人觉得晦涩难懂的东西，它也是世界上最可见的东西——如果你没有它，事情就会以令人惊讶的方式瓦解。每当您看灯泡时，您之所以能够看到光，是因为自然界具有这种奇怪的对称性。
物理学家是什么时候意识到规范对称性有多重要的？
所有这些都是事后才发现的。麦克斯韦在 1800 年代发展了他的电磁方程式。但是当它再次涉及到爱因斯坦的广义相对论时，人们才开始认识到这种对称性，而广义相对论是由另一种规范对称性所引导的。现在这变得非常有趣，因为我们当时所知道的自然界中最基本的两个理论——电磁学和引力——突然由这种奇怪的数学对称性所决定。这引出了一个问题：如果自然界中存在其他力，它们是否由同样的对称性所决定？
但是，如果你在 1930 年代到 50 年代初提出这些问题，你仍然不会听到物理学家将规范对称性作为指导原则来谈论。只是在事后，他们才开始意识到它是多么有用。我想写这本书的原因之一，也是它被称为《有史以来最伟大的故事》的原因是，如果它很容易，它就不会是有史以来最伟大的故事。我想展示人们走向启蒙的漫长而曲折的道路。这是一个了不起的故事，因为它涉及伟大的想象力飞跃、巨大的失败、巨大的死胡同和转移视线的假线索。无论如何，这个想法的真正核心是理解我们生活的世界和自然界中的其他力是对最终将规范对称性的概念应用于其他力的一种探索。
“破缺对称性”的概念如何融入这种探索？
有些对称性存在于基本世界中，但当我们环顾四周时，我们并没有看到它们。发生的事情是，由于我们环境的偶然性，对称性没有体现出来。我们说它被打破了。一个例子是坐在一个圆形的宴会桌旁，不知道哪个水杯是我的。假设桌子上有八把椅子，看起来完全相同。存在一种对称性，因为左边和右边的杯子看起来完全相同。但是第一个坐在桌子旁并拿起一杯水的人会为其他所有人决定他们必须拿起哪个杯子。这意味着他们打破了对称性。
事实证明，破缺对称性的概念是解决自然界中其他力（弱力和强力）问题的根本关键，这些力的行为不像电磁力。弱力和强力都只在亚原子尺度上运作，而且非常非常不同。物理学家最终意识到，在底层上，这些理论可能实际上看起来与电磁学相同，并具有决定其性质的规范对称性，但由于我们环境的某种偶然性，我们隐藏了这个事实。
一个例子是寒冷的一天窗户上的冰。冰晶在窗户上指向每个不同的方向。但是，如果你是一个生活在那个冰晶上的文明，那么冰晶所指向的方向将是一个非常特殊的方向。这将是你宇宙的一个基本方面。对你隐藏的是，冰晶的方向是无关紧要的，物理定律与这个方向无关，是相同的。
这种认识是否解释了为什么这些其他力的行为与电磁力不同？
假设我们生活在非常像冰晶的东西中，并且由于我们环境的偶然性，一些奇怪的场冻结存在，充满了空虚的空间。如果情况是这样，那么与该场相互作用的粒子就像它们非常重，即使它们实际上是无重量的。那么你就可以理解弱力，因为你可以说，在基本层面上，传递弱力的粒子实际上是无质量的，就像传递电磁力的光子一样。在我们生活的世界中，这些粒子的行为就像它们有质量一样，所以我们看到的力与我们没有生活在这个偶然的宇宙中时看到的力量非常不同。我们的经验世界是一种幻觉，其中力的作用非常不同，但这仅仅是因为存在一个无形的场，它存在于任何地方，影响某些粒子的特性，而不影响其他粒子的特性。
你谈论的这个无形场就是希格斯场，它与著名的希格斯玻色子有关，我们认为它解释了质量？
物理学家史蒂文·温伯格正是这样做的，他说：“也许不仅仅是那些传递弱力的奇异粒子的质量，而是我们看到的所有粒子的质量。”某些粒子与那个背景场的相互作用更强，因此表现得更重。其他粒子与那个背景场的相互作用较弱，因此表现得更轻。有些粒子，比如光子，根本不相互作用。如果真是这样，那么我们存在的宇宙实际上是一个彻底的幻象，因为质量本身不是根本的。如果不是我们生活在这个宇宙中，这个背景场被冻结成现在这种状态的奇怪偶然事件，就不会有有质量的物体。就不会有恒星、星系、行星、人类，也不会有《大众科学》，不会有《大众科学》的记者。那将是一个无趣得多的世界。
什么样的偶然事件可能创造了这个场？
我们认为，在过去，随着宇宙在大爆炸后冷却下来，对称性被打破，导致希格斯场冻结成现在的状态。这就像窗户上的冰晶——当太阳出来时，那些冰晶会融化。突然，那些人认为他们生活的宇宙消失了。那么问题就变成了，为什么它会在早期宇宙中稳定到现在的配置？为什么它会具有现在的属性？这些都无法在理论中解释。
而未来这个场会发生什么？它不是根本的。它只是该场现在所处的首选状态。但也许随着宇宙的演化，那个场要么会融化，要么另一个场会冻结。那将会改变宇宙中力的基本性质。如果希格斯场融化，那么所有的粒子都会变得没有质量，我们看到的一切都会消失。或者，希格斯场可能会冻结成另一种配置，其中粒子的质量会完全改变，而中性的稳定物质也会再次消失。从某种意义上说，我们正处于一个可能不稳定的宇宙的边缘。希格斯场可能不会明天就融化——但在遥远的未来，它可能会。我们很幸运能够在这里提出这些问题。我们应该享受我们在阳光下的时光。