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第1章 看看宇宙大爆炸（第4页）

激活量子场激发机制上，通过设计如量子场相互作用、外部微扰等一系列精巧机制，促使量子场从基态被激发。当某一量子场被成功激发时，会依照自身物理特性产生相应粒子。例如电子场激发产生电子，光子场激发产生光子，依此类推，不同类型量子场激发会为宇宙带来丰富的粒子资源。

搭建原子与分子结构框架方面，各类粒子经量子场激发产生后，会依据自身电磁、引力等物理特性展开复杂相互作用。在此过程中，电子与原子核（由质子和中子组成）通过电磁相互作用等机制，逐步搭建起原子结构，而后通过原子间的化学键合等方式，进一步构建起分子结构，如此便逐步构建起宇宙中物质的基本构成单元，为宇宙物质世界筑牢坚实基础。

其五，引入引力场——编织时空与物质的引力之网。

建立引力场与时空弯曲的关联机制上，依据广义相对论这一深刻且影响深远的理论，引力场与时空弯曲存在极为紧密的内在联系。具体来讲，前面步骤产生的物质和能量的存在，会致使时空发生弯曲，而我们感知到的引力场，本质上就是这种时空弯曲呈现出的外在表现形式，通过这种关联机制，把引力场与时空弯曲紧密相连，为理解引力现象提供全新视角。

应用爱因斯坦场方程进行精确描述方面，利用具有里程碑意义的爱因斯坦场方程，精确描述物质和能量分布如何影响时空弯曲，进而影响引力场。在该方程中，通过将能量-动量张量（用于描述物质和能量分布）与黎曼张量（用于描述时空弯曲）巧妙关联，就能依据宇宙中已有的物质和能量状况，对引力场进行定量确定，如此借助爱因斯坦场方程，理论上就能精准把握引力场的特性与变化规律。

其六，驱动宇宙运转——设定宇宙演化路径。

设定初始条件与动力学参数上，要精心定义粒子、场以及时空本身的初始位置、速度等动力学参数，这些初始条件在很大程度上决定宇宙随时间的演变情况。比如规定宇宙中物质和能量的初始分布情况，会深刻影响星系的形成与演变过程；设定粒子的初始速度等参数，会影响粒子在宇宙中的运动轨迹和相互作用模式。

运用演化方程把控演化路径方面，运用诸如量子系统的薛定谔方程和经典系统的运动方程等合适的演化方程，描述宇宙随时间的变化情况。这些方程能精准把控粒子、场以及时空的行为模式，确保宇宙遵循符合逻辑且物理上一致的演变路径。通过持续应用这些演化方程，理论上就能追踪宇宙从初始状态到后续各阶段的发展变化情况，进而深入理解宇宙的演化历程。

宇宙对称破缺演化综述

一、引力与其他作用力的对称破缺

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)\\timesU(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。