弱电磁作用对称破缺：对称破缺之谜的解决也许能确定未来粒子物理的发展方向——

破坏旋转：当球滑下斜坡时，帽子的对称性随即遭到破坏

我们的祖先不需要任何先进的装备去探测现在被我们称之为电磁相互作用的影响。日常生活中，光显而易见，无处不在。同时还有其他电磁场的作用，比如静电场、闪电以及诸如天然磁石那样的岩石的特性。所有这些，在远古时代就已经被充分地认识到了。

然而，即使目前只是想去发现弱相互作用是否存在，就已经占用了我们很多现代高科技手段，更不用说还要去了解它们了。我们认识到弱相互作用是始于1896年放射现象的发现。一些具有放射作用的原子核通过发射粒子来进行衰变，我们现在知道，这些粒子实际上是高能电子。这样的核衰变是通向认识弱相互作用的捷径，而且也是至上世纪中期为止，宇宙线探测器、核反应堆、离子加速器进入科学界之后唯一可行的道路。

电磁性看起来要远比弱相互作用更为直观。但是，基于标准粒子物理模型的理论，我们知道，它们二者之间有完美的相似性。例如，电磁性可以由麦克斯韦方程来描述，而弱相互作用也可以由一组十分相似的非线性方程（称为Yang-Mills方程）来描述。另外一个例子，作为基本粒子的光子是电磁现象中基本的量子单位，与之相似的是，W粒子和乙玻色子是弱相互作用中的基本量子单位。由于电磁相互作用和弱相互作用之间有着很近的联系，近代粒子物理学家把它们统称为“电弱相互作用”。

如果弱相互作用和电磁相互作用是如此的相似，那为什么在日常生活中的表现却大相径庭？依照标准模型，关键就是“对称破缺”。即使自然规律有一个对称性（在这种情况下，是电磁作用与弱相互作用之间的对称，或者是光子与W粒子和Z玻色子之间的对称），方程的解可能也缺少那种对称性。

例如，在一种液体当中，原子向空间各个方向运动的几率是一样的一没有占特殊地位的坐标轴。但是如果我们把这种液体冷却至冻结，就形成了一种结晶体，这种结晶体就有了特定的轴。空间所有的方向可能等同于结晶体的轴，但是当液体冻结时，总会形成一些特定的轴。空间不同方向的对称性已经失去了，或者说“自然破缺”。

类似地，根据标准模型，大爆炸刚开始后，在光子与W粒子和Z玻色子之间存在着完美的对称。在存在这种对称的高温情形下，弱相互作用和电磁作用是同样的明显。但随着宇宙冷却，产生了一个相变，有些类似于液体冻结时的对称就“自然破缺”了。但W粒子和Z玻色子获得了质量，把弱相互作用限制在原子核的尺度上，把它们的作用置于我们眼睛的探测能力之外。光子一直保持无质量状态，其结果是电磁作用可以传播或超越到人类探测的尺度上，这在日常生活中显而易见。

标准模型的很多方面已经被实验充分的证实了。例如，和理论吻合得很好的电子磁矩被测量到了第12位有效数字。许多关于W和Z玻色子的预言性质都被精确到了3~4位有效数字。最近，用于根据标准模型打破物质和反物质对称性的装置在美国加利福尼亚州和日本的实验室进行了测试。

在标准模型的某些方面，我们一直没有能力通过实验去检验，这也许是最基本的方面：对称性是怎样被打破的？然而，我们有一个非常清晰的思路，知道从什么地方能找到线索。就像可以通过原子质量和结合能去估计晶体的熔点一样，也可以通过W和Z玻色子的质量以及其他可观测的基本粒子的性质，去估计加速粒子使之达到可探测电磁弱对称性时所需要的高温高能。根据这些估计，电磁弱对称性的破缺可以被世界上最强大的加速器——芝加哥费米实验室的万亿电子伏加速器探测到，当然也能被日内瓦欧洲粒子物理实验室将要在2007年竣工的加速器——大规模强子对撞机（LHC）所探测到。

我们希望发现什么呢？在标准模型的原始版本里面，电磁弱对称性破缺的关键所在，是一个称之为希格斯介子（Higgs particle）的实体。在高温下，希格斯介子向其他的粒子一样任意运动。但随着宇宙的冷却，希格斯介子逐渐呈“玻色凝聚态”。这种态下，许多粒子具有相同的波函数，于是导致了超流动性，比如氦。电磁弱对称是被玻色凝聚态的“方向”（在一个抽象的空间里，它描述不同的粒子力）打破的，这个方向就是晶体的总体方向。转动对称是由晶体轴的不同方向打破的。尽管这种方案很简单，而且与事实相符合，但是它不能给出完整的解释。看起来需要人工调节参数，来使希格斯介子的质量小到足以使这个模型起作用。

过去的许多提案正在被用来解决这个特别的问题（尽管这也会带来很多困惑）。一种观点认为，引起超导现象的机制是希格斯介子作为一个束缚态的产生。这恰好可以解释它获得质量的问题，但同时也需要引入新的粒子和力，这些新的粒子和力还没有被观测到，它们应该可以被大规模强子对撞机探测到。迄今为止，这种类型的模型正在步入困境，也许只有自然界才知道那些模型的建立者所不能通晓的诀窍吧。

一种更加激进的观点就是“超对称”。超对称观点认为，处于不同量子态的基本粒子的一种新对称性结构组成了时空的结构。这种新对称性结构避免了使希格斯介子质量太大的粒子的相互作用机制，但又预言了新的粒子，这些新粒子可能将会被大规模强子对撞机或者万亿电子伏加速器探测到。

基于超对称性理论的不同粒子相互作用率之间的关系已被实验证实。电弱对称性破缺已经很有说服力了，超对称性就是关于它的一种观点。而且，如果超对称性一旦被假定，我们为更完善的统一自然界中的力而所做的那些最有兴趣的尝试（完全统一理论和弦理论），可能真的会成功。另一方面，超对称模型也产生了大量复杂的问题。到目前为止，还没有模型建立者能给出令人信服的解释。如果超对称性被证实了，我们会进一步探索自然界和这些问题之间的关系，这会为我们进一步了解自然界提供至关重要的线索。

其他关于电弱对称性破缺的思想走得更远。一种想法是把这个问题和时空的额外维联系起来，这些额外维是亚原子尺度，但是通过加速可以被观测到。这也许是一个长远的计划，但是花费将会非常巨大——如果发现了额外维，我们就有机会直接检测引力的量子性和黑洞。

最后，另外一个想法是把电弱对称性破缺和宇宙的暗能量联系到了一起，天文学家在过去的几年中通过观测宇宙的加速已经发现了暗能量。根据这个观点，把希格斯介子的质量单元和暗能量联系到一起。一种途径是“人择原理”，即认为暗能量和希格斯介子质量在宇宙的不同时期取不同的值，我们不可避免地生活在一个可以产生生命的时期，在这个时期，暗能量和希格斯介子质量足够小。如果真是这样，我们通常考虑的宇宙的许多其他性质（比如电子的质量和电荷）或许也是这个时期的特殊事件。尽管我不希望这种观点正确，但是如果试验上能证实标准模型可以支配电弱对称性破缺，这种观点必然将会广为流传。

迄今为止，没有一个关于电弱对称性破缺的理论是令人满意的。我们展望未来，希望在10年之后，万亿电子伏加速器和大规模强子对撞机的实验发现能使我们的研究步入正轨。关于电弱对称性破缺这一谜题的解决，将会决定未来粒子物理发展的方向。

本文作者爱德华·威滕现任职于普林斯顿大学自然科学学院