
如果我们的星系样本只有仙女座大星系这一个旋涡星系的话,搞不好会得出这样的结论:引力只在二维平面上才是对称的。
这其中的原因在于,球状星系是高度不稳定的。除非星系内所有的恒星都走位完美,在三维对称的共同引力的作用下落向中心,穿越过去,然后再落回来——如此来回振荡,直到形成一个稳定结构。只要有非常轻微的扰动,比如来自另一个星系的羁绊,就可以打破这个平衡。在这种情况下,自然会舍对称而取平衡。一个对称但不平衡的系统,会将对称隐藏起来,求得稳定。正所谓“恒而不稳,不若稳而不恒”。
不过,整体而言,整个宇宙中的旋涡星系群仍保持着3维对称性,因为它们星系盘的朝向是随机的,所有方向都有。在个别情况下,稳定性要求对称性隐匿起来,但是对称性在整体上仍得以保留。
我们还可以用一顶墨西哥草帽来说明稳定性如何隐藏对称性。将一顶墨西哥草帽倒扣在桌上,然后放一个球进去,这个球会很自然地呆在帽子底部,因为在那里不仅稳定而且具有转动对称性。现在将帽子正扣在桌上,然后把球放在尖顶处,此时对称性维持不变,仍然具有关于中轴线的转动对称性,但现在的对称是不稳定的——很明显,小球会随机从某个方向滚到帽檐沟里去,底层的对称性仍然存在,但现在已经被隐藏起来了。(这是所谓对称性自发破缺的一个典型例子,意思是说,整个系统从方程上来看仍然具有关于中轴线的转动对称性,但是这个系统的稳定解没有继承系统的对称性,被称为对称性自发破缺,在稳定解中系统的对称性被隐藏了起来。)
现在我们可以回到希格斯机制了。在对电磁场这类场的量子描述中,对称性意味着粒子具有0质量。对此,电磁场没有任何问题,因为传递电磁相互作用的是光子,本身就是无质量的。但是传递弱核力的W和Z玻色子是有质量的,而且两者质量还不相同,因此量子场的底层对称性一定被深深隐藏起来了,那它是如何被隐藏的呢?
沉重的光子
光子在某种情况下也会表现出非零质量,正是这种现象给了希格斯、恩勒特和其他人以灵感。这种情况就是,将一个光子射向等离子体,即一团由离子构成的气体。只有当光子的频率足够高时,它才能穿透这团等离子气。这个频率阈值被称为“等离子频率”,低于这个频率的光子会被反射回来。
无线电波在电离层上的反射,便是现实世界中一个类似的例子,电离层其实就是大气上部的一层等离子体。正是这种反射使得无线电波能从美洲传到欧洲,但同时我们仍可以看见穿透电离层的点点星光(注意,光也是电磁波),因为可见光的频率比无线电波更高,能量也更高,可以不受阻碍地穿过电离层。
这意味着,假如有生物生活在等离子体中,他们就只能看到高于某个能量的光子。再根据质能方程E=mc2,最低能量意味着最低质量,于是,等离子体中生活的生物肯定认为光子是有质量的。














