對稱與對稱破缺的疑難(1 / 3)

對稱與對稱破缺的疑難

對稱與對稱破缺是自然界中普遍存在著的一種矛盾關係。現代科學都在從不同的側麵對這種矛盾關係進行探索。但是,人們在探索這對矛盾及其轉化的機製時,卻遇到重重困難。

一、對稱概念的曆史與現狀

人類對對稱與對稱破缺的認識,幾乎和人類文明同樣古老。在早期,古人主要是認識到自然界的形象對稱。在古人類的遺址中發現的裝飾品和其它手工藝品,以及古老的陶器和青銅器,還有古代的壁畫以及絲織品的花紋等,都注意到對稱性。中世紀的美學家把對稱與和諧理解為美,認為完整、對稱、顯明是美的“三要素”。

近代,對稱概念又比較多地深入到自然科學中。例如,化學和礦物學發現了晶體和各種礦石的結構對稱,結晶學家們還進一步從對稱性上把晶體劃分為7個晶係和32種對稱類型。生物學中,發現和研究了低等生物的輻射對稱和高等生物的兩側對稱。數學中除了進一步研究圓、方、矩形、三角形、圓錐、圓柱、多麵體的形象對稱以外,還發現方程的對稱函數比根式解法更重要。後來,又進一步創立了一門關於對稱性的數學理論——群論,群論成了研究自然界對稱性的重要的辯證輔助工具之一。

幾乎在自然科學深入研究對稱與破缺的同時,哲學、文學、藝術,也都廣泛地研究對稱與破缺的形式和內容以及二者的相互轉化。較早從哲學高度研究對稱性的是黑格爾,他認為對稱與破缺是一致性與不一致性、同一性與差異性的關係。文學和藝術也從形象和概念上表現對稱和破缺,例如,蘇東坡講的“人有悲歡離合,月有陰晴圓缺”,月圓則是中心對稱,月缺則是非中心對稱。音樂當中也講求“嘈嘈切切錯雜彈,大珠小珠落玉盤”。繪畫中則反對呆板的形象對稱,而要求在對稱中顯出變化,從而給人以美的享受。

總之,對稱概念使用得非常廣泛,幾乎深入各種學術領域。

那末,什麼叫對稱?什麼叫非對稱或破缺呢?

所謂對稱,就是指事物或運動以一定的中間環節進行某種變化時所保持的不變性。非對稱或對稱破缺(symmetry breaking)和對稱相反,是指事物或運動以一定的中間環節進行某種變化時出現的變化性。用哲學術語來表述,對稱就是變化中的同一,破缺則是變化中的差異。從一定角度來看,自然界就是在對稱與破缺及其相互轉化中顯現出豐富多姿的形態。

二、對稱與對稱破缺的疑難

對稱與對稱破缺的概念並不難理解。困難在於,二者在什麼條件下就可以互相轉化。有很多科學領域對這類問題都還沒有找到正確的答案。

在天體演化的各種假說中,有一種假說認為,在宇宙的早期正物質和反物質是對稱的,隨著時間的推移和天體的演化,反物質大部分消失了,留下了今天以正物質為主的物理世界。這是為什麼呢?科學上尚不能確切回答。如果不從天體演化的角度,僅僅從現實出發,科學上也無法解釋為什麼我們麵臨的物理世界是正物質的世界,而不是正反物質對稱的世界。

在宇宙學大爆炸假說和粒子物理學大統一理論中認為,宇宙演化是一個從熱到溫再到冷的過程,在這個過程中,對稱性逐步喪失。當大爆炸的最初瞬間,溫度超過1023K。存在著完全的對稱性,誇克和輕子不可分,強、弱和電磁的相互作用是對稱的和統一的,當溫度降到1023—1015K時,對稱性逐步破缺,強相互作用分出來了,隻剩下弱相互作用和電磁相互作用的對稱性,即弱電統一。當宇宙的溫度再進一步降低到目前的溫度範圍內,弱電統一也破缺了,宇宙從而就喪失了大部分對稱性,隻留下正負電荷的對稱性。宇宙為什麼不斷地喪失對稱性而分化為四種相互作用呢?對稱性破缺的機製和原因又是什麼呢?這也是一個科學之謎。

物理學上的四種相互作用也是不同的。在強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用中,吸引和排斥都是對稱的;但是,在引力相互作用中,對稱性就破缺了。隻有“萬有引力”卻沒有“萬有斥力”。牛頓根據經驗湊了一個萬有引力的公式,後來人們又求出了引力常數,這個公式成了經典力學的基礎之一。但是,對於為什麼不存在“萬有斥力”卻提不出任何解釋,人們甚至都很少思考這一問題。