纵览网丨从基本粒子到对称破缺：物理学揭示世界运行的简明法则

这个世界是如何运行的？

现在物理学给出了一个非常简洁的答案，总共就三句话，

第一句话:地球上所有常见的自然现象都是由电磁力和引力驱动的。

我们都知道，总共有四种基本作用力，其中强力和弱力只在原子核里面起作用，在地球上只有核武器、放射性或者高能物理实验室这些极端的环境才会用到强力和弱力，其他地方都是有电磁力和引力主宰的。

我们讲过生活中你见过的所有类型的力，除了重力以外，其他的力归根结底都是电磁力，比如说，拉力、弹力、摩擦力、支持力、浮力，本质上都是电磁力。

声音、电、磁、光、颜色、热传递、化学反应，归根到底也来源于电磁力。

风雨雷电、地震、火山爆发等所有自然现象都是在电磁力和引力的驱动下进行的，电磁力和引力的数学公式是这样的，电磁力对应着量子电动力学公式，引力对应着广义相对论公式。

我们初中，高中，大学学的几乎所有的物理理论都在以上这两个公式里。

比如说欧姆定律，福利公式，杠杆原理，牛顿运动三大定理，麦克斯韦方程，薛定谔方程等等，通通都在这两个公式里面。

地球上所有物质的运动都必须严格遵守这两个公式。因此地球上所有的现象都是由电磁力和引力驱动的。我们可以进一步思考一下，上次我们讲过自然法则必须用严格的数学来描述，你说这两个公式像不像近似简略版的“自然法则”？

第二句话，地球上所有稳定存在的物质都是有上夸克、下夸克、电子三种基本粒子组成的，没有其他东西，只有这三种基本粒子（才能组成稳定存在的物质）。

第三句话，对称破缺造就了这个多姿多彩的世界。

我们都知道，物理学是化学的基础，化学是生命科学的基础，生命科学是社会学的基础。

那你有没有思考过这些学科之间是怎么连接起来的呢？

其实，现代科学对这个问题还没有共识，有一种主流的答案是：对称破缺。

什么是“对称破缺”？

当外界环境的变化达到一定阈值就会出现“临界点“，系统会由原来的“高对称”变成“低对称的稳定有序状态”。

简单来说，“对称破缺”就是马克思说的“量变引起了质变”，马克思是用模糊的哲学语言来描述的，但是“对称破缺”是用精确的数学语言来描述的。

举个例子，水蒸气凝结成水、水又结冰就是两次因为温度变化而发生“对称破缺”的过程。因为在冰里面水分子移动“整数格”后冰能保持不变（对称），但是在水蒸气里面，水分子移动“任意距离”后，水蒸气都能保持不变（对称）。比如说移动半格、1/3格都行。

因此，水蒸气比冰有更高的空间连续平移对称性。水蒸气里的分子是杂乱无章的但是冰里面的分子排列比较有秩序，因此水蒸气冷却成冰是牺牲了连续平移对称性，换来了更加有秩序。像这样的例子还有很多很多很多，比如说时间繁衍对称破缺产生了磁铁的有序结构，相位对称破缺产生了超流体等等。

总之一句话，对称破缺能让系统变得更加有秩序。

物理学最大的一个分支是凝聚态物理，凝聚态物理连接着物理学、化学、生命科学和材料学。凝聚态物理的奠基人anderson说过对称不能连续变化是凝聚态物理的第一定理，因此凝聚态物理的核心是“对称破缺”，所以对称破缺是物理学化，学生科学和材料学之间的桥梁。

举个例子，碳/氢/氧原子的对称性要高于氨基酸，于是在特殊条件下碳/氢/氧原子会“对称破缺”到更有秩序的“氨基酸”，氨基酸的对称性要高于蛋白质，于是在特殊条件下，“氨基酸”也会对称破缺到更有秩序的“蛋白质”，就这样从物理学的化学再到生命科学，对称性不断降低，但是越来越复杂，越来越有秩序。

这同时也解决了另外一个重大的问题，我们都知道，物理学里面有很多放之四海皆准的理论，比如说能量守恒定律，动量守恒定律在哪里都正确，但是化学里面（几乎）没有一个统一的理论或公式，化学里（几乎）所有的理论都有“例外”，比如说元素周期律经常出现例外，再比如有马氏，也有反马氏，有芳香性，也有反芳香性等等。

化学理论充满了各种“例外”。生命科学和社会学就更惨了，靠谱的（统一性的）理论都没几个，为什么从物理学到社会学统一性的理论越来越少？

就是因为从物理学到社会学，对称性不断破缺，对称性越来越低。以前我们讲过诺特定理，对称和守恒一一对应，对称性越低“守恒性”就越差，理论的适用范围就越小，所以生命科学和社会学的理论准确率都不高。

宇宙大爆炸的起始点对称性极高，之后对称破缺成了四种基本作用力之后电磁力继续破缺形成了“凝聚态物理”，而“凝聚态物理”又连接着化学和分子生物学，就这样从宇宙大爆炸开始一层层的对称破缺下去，就形成了我们这个多姿多彩的世界。

从物质角度观察，上夸克、下夸克和电子组成了地球上所有常见的物质；从能量角度观察，“电磁力和引力”驱动着地球上所有常见物质的运动；从信息角度观察，对称和对称破缺一层层的塑造了这个多姿多彩的世界。

这个世界是如何运行的？这就是现代物理学给出的答案！

当然了，在这篇文章中我们只分析了地球上常见的物质和常见的现象，因此这三句话只是简略版的答案，如果扩展到宇宙所有的物质和所有的现象就需要完整版的答案。