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第1章 看看宇宙大爆炸（第5页）

在宇宙大爆炸后约10^{-44}秒这一极早期阶段，引力作用率先从最初的统一作用力里分化出来，彼时夸克和轻子能够相互转变，而电磁力、强相互作用、弱相互作用这三种作用力依旧处于统一状态。这是宇宙中首次出现的对称破缺现象，致使引力在表现形式以及作用效果方面，和其他作用力产生了差异。

二、强相互作用与电弱相互作用的对称破缺

大爆炸后约10^{-36}秒时，强相互作用同电弱相互作用分离开来，宇宙整体的对称性进一步降低，这一变化使得物质后续的演化开始沿着不同路径推进，也为后续物质和反物质出现不对称性创造了前提条件。

三、电弱对称破缺

宇宙大爆炸后约10^{-12}秒、温度约为100gev之时，电弱统一理论中的su（2）times

u（1）对称性发生自发破缺，希格斯场的真空期望值不为零，由此使得w及z玻色子获得质量，而光子依然保持无质量状态。这一过程对物质的形成以及宇宙结构的演化有着深远影响，例如它直接导致了基本粒子质量的产生。

在理论发展历程方面，1964年，弗朗索瓦·恩格勒、罗伯特·布绕特、彼得·希格斯、杰拉德·古拉尼等三组研究小组几乎同时独立研究出希格斯机制。1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆率先应用希格斯机制打破电弱对称性，并将其融入电弱理论之中。2013年，恩格勒、希格斯因希格斯机制相关研究荣获诺贝尔物理学奖。

四、物质与反物质的对称破缺

宇宙大爆炸初期，按照理论原本重子数与反重子数应是对称的，然而当下宇宙却主要由物质构成。在大爆炸后的极早期阶段，或许是由于某些尚不明晰的高能物理过程，比如大统一理论中x玻色子等介导的相互作用，致使重子数对称性被打破，使得反夸克相较于夸克消失得更快，最终宇宙中只剩下由夸克构成的正物质，反物质则逐渐消失不见。

尽管这一对称破缺发生的具体条件和内在机制目前仍不清楚，但科学家们通过对宇宙中物质与反物质不对称性的观测、研究，以及构建相关理论模型，普遍认为这种对称性破缺是宇宙中物质占据主导地位的关键原因，并且有部分研究指出此过程中产生的戈德斯通玻色子有可能是暗物质的来源。

五、宇称不守恒

1956年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒这一开创性理论，随后吴健雄通过钴

-

60的β衰变实验对其予以证实。她在极低温环境下，运用强磁场把两套装置中的钴

-

60原子核自旋方向分别调整为左旋和右旋，结果发现这两套互为镜像的装置中，钴

-

60放射出来的电子数存在很大差异，而且电子放射方向也呈现出不对称性。

从本质上来说，宇称不守恒意味着在弱相互作用里，互为镜像的物质其运动是不对称的。在微观世界中，弱相互作用下的宇称不守恒始终存在，并且佛罗里达大学的天文学家发现，宇称不守恒可能会对宇宙星系三维聚类产生影响，而这种影响所需的宇称不守恒情况需发生在大爆炸的暴胀时期。

六、电荷共轭对称性破缺

电荷共轭对称性要求物理规律在粒子与反粒子相互转换时保持不变，不过在弱相互作用中，这一对称性遭到破坏，进而导致粒子和反粒子的行为出现差异，它也是造成宇宙中物质与反物质不对称的原因之一，其发生时间与物质和反物质对称破缺密切相关，大致出现在宇宙大爆炸初期。

七、时间反演对称性破缺

时间反演对称性意味着物理规律在时间倒流的情况下理应保持相同，但是在诸如中性k介子的衰变这类微观过程中，时间反演对称性并不成立。这一现象对宇宙的演化以及物质结构的形成产生了一定影响，比如它可能影响了宇宙早期物质和反物质的产生与湮灭过程，不过其在宇宙演化进程中的具体发生时间目前并没有明确的界定。

八、空间平移对称性破缺

宇宙大爆炸初期，整个宇宙处于高度对称状态，物质均匀分布。但随着宇宙不断地膨胀和演化，在大爆炸之后的一段时间内，物质在空间中的分布逐渐变得不再均匀，空间平移对称性由此遭到破坏。这是一个渐进的过程，并没有确切的起始时间点，不过该对称破缺对星系、恒星等天体结构的形成起到了推动作用。

九、规范对称性破缺

在粒子物理学领域，规范对称性是基本相互作用的重要特性。以电弱相互作用为例，在宇宙大爆炸后约10^{-12}秒时，通过希格斯机制等方式，规范对称性发生破缺，使得粒子获得质量，进而对物质的基本性质以及相互作用产生影响，像电弱相互作用中的规范对称性破缺就让w及z玻色子获得质量，而光子保持无质量状态。

十、真空对称性破缺

在量子场论中，真空态并非真正的一无所有，而是存在多种可能的状态，不同状态具备不一样的物理性质，这就导致了真空对称性破缺。例如在量子电动力学里，电子与电磁场相互作用时会出现真空极化现象，使得真空的电磁性质发生改变，这便是真空对称性破缺的一种体现，它会影响粒子的电磁相互作用以及物理过程发生的概率等情况。

十一、手征对称性破缺

手征对称性破缺与夸克质量的产生息息相关，在宇宙早期，当夸克胶子等离子体冷却形成强子物质的过程中（温度约在10^{12}开尔文以下时），手征对称性破缺发生，这使得夸克获得质量，进而对强子的结构和性质产生了重要影响。

十二、超对称破缺

超对称理论认为，每一种基本粒子都存在对应的超对称粒子。超对称破缺具体的发生时间并不确定，倘若确实存在，那应该是在早期宇宙处于极高能状态下，可能在大统一时期或者之后不久发生。超对称破缺会使超对称粒子获得质量，这不仅影响宇宙物质的组成和演化，还对暗物质的候选者以及相关理论产生一定影响。

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