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对称的宇宙 不对称的世界

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  【摘 要】本文根据物理学家的研究,认为真实的宇宙与我们所观察到的世界有所不同,并推断宇宙是对称的,世界是不对称的。
  【关键词】对称;宇宙;探讨
  1 生活中的对称与不对称
  通常所说的对称,是指物体各部分之间在大小、形状和排列上具有一一对应的关系,更科学一点的表述是,系统经过某种变换后,仍保持不变的性质[1]。在日常生活中,只要细心观察,就不难发现,对称无处不在。晶莹剔透的雪花,翩翩飞舞的蝴蝶,精美绝伦的工艺品,高大雄伟的建筑,都呈现出妙趣天成的对称性[2]。这些对称体现了简单、匀称、连贯、流畅的特点,给人以平衡、和谐的美感[3]。
  在这千变万化的世界中,不仅有美妙的对称,而且存在着各式各样的不对称。世界上没有两片完全相同的树叶,每片树叶都有自己的脉络和纹理,只有当对称被破坏,才能使树叶显示出各自的特性。但是当我们仔细观察这些不对称时,就会发现不对称往往是由于外界的某种原因所导致的,就像每片树叶之所以不一样,是因为每片树叶的阳光、土壤、成长环境都不相同。
  再比如说,当我们去踢一个静止的足球时,若没有其它原因,球的运动轨迹不会偏离其初速度与重力所决定的竖直平面。如果我们发现球的轨迹朝某一侧偏斜,也就是出现了不对称,那么我们可以相信,一定存在某种不对称的原因,譬如说球场有风。而在足球场上通常没有风,我们也会看到,球员踢出的球会拐弯,也就是俗称的香蕉球,这是什么原因呢?仔细观察,我们就会发现,球员在踢球时,不仅给球一定的初速度,而且让球发生了旋转,足球旋转的方向决定了球向哪边偏,旋转的速度决定了球偏斜的程度。球场上的风或者球的旋转,导致了足球呈弧线飞行。
  根据上面的例子,我们可以发现,之所以出现不对称,通常是由于存在着某种不对称的原因。那么,似乎我们所生活的世界普遍是对称的,而所谓的不对称只是由于外界的某种原因所导致的。
  2 物理学中的对称
  物理学家早就发现了对称的重要性,阿・热在《可怕的对称》一书中指出“没有对称性思想的引导,当代物理学家将无法工作”。英国理论物理学家狄拉克,根据对称性认为,自然界既然有带负电荷的电子,那么就应该有带正电荷的电子。因此,他预言:存在着一个与电子质量相等而电荷相反的粒子,即正电子[4]。
  随后,美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从而证实了狄拉克的预言。正电子是第一个被发现的反粒子,物理学家又发现了反质子和反中子。到目前为止,已经有300多种基本粒子被发现,这些基本粒子都是正反成对存在的,也就是说每个粒子都存在与之对称的反粒子。当粒子和它的反粒子一旦相遇,就会相互吸引、碰撞而转化为光,同时释放出的巨大的能量,这一过程被称为湮灭。
  不仅粒子满足对称性,物理规律也体现着对称性。物理学中的守恒律常被看作是最基本的自然定律,它以确定的可靠性和极大的普遍性预言着哪些过程是允许的,哪些过程是禁戒的,它为物理学的研究指明了方向[5]。德国女数学家诺特发表的诺特定理,揭示出对称和守恒这两个重要概念是紧密地联系在一起的,自然界的每一种对称性都可以得到一种守恒律,也就是说,对称性是比守恒律更加本质的东西[5,6]。根据物理学家的研究,对称性与守恒律的对应关系,如表1所示[1,6]。
  对称的图形是美的,对称的物理规律更是美的,在整个物理理论的发展过程中,对称性起到了重要的作用,对称所产生的简单、和谐、统一,构成了物理学的美学准则。但是为什么物理学家如此执着于找到宇宙的对称性,为什么宇宙会是对称的?
  3 对称从何而来
  在回答这个问题之前,我们先要思考一个问题,就是宇宙从何而来。自古以来,人类一直在思考这个问题,老子的《道德经》中说,“道生一,一生二,二生三,三生万物”,简单来说这句话的意思是,宇宙的本原是自然规律,然后逐渐由一生二,由二生三,由三生成万物。这句话体现了我国古代劳动人民深刻的思想、博大的智慧,但是这句话没有解决本质上的问题:万物遵循的规律是如何产生的?这个规律在万物出现之前就存在,那么它到底是什么?
  基督教认为,上帝创造了万物,而上帝是永恒存在的,他是宇宙的开始。对于我们来说,这个解释也许可以勉强接受,但是,对于这个万能的上帝来说,他一定非常困惑自己多少岁,自己到底来自哪里。我们忘掉这个可怜的上帝,听听科学家们怎么说,大约在150亿年前,宇宙所有的空间和物质从一场惊心动魄的大爆炸中产生,大爆炸理论得到了最广泛且最精确的支持[7]。但是宇宙为什么会发生大爆炸?大爆炸之前的宇宙是什么样子的?目前,还没有一个准确、合理的解释。
  根据刚才的分析,我们似乎发现一个规律,如果认为宇宙从某个东西演化而来,那么我们总可以理直气壮地问这个东西从何而来。为了避免这种追根溯源的质问,我们只能认为宇宙诞生之前是“无”,也就是什么都没有,因为“无”不从任何东西而来,“无”不需要理由。我们找到了宇宙的开始,接下来的问题就是,宇宙是如何从“无”到“有”的?
  如果能够准确地回答这个问题,恐怕许多物理学家都要失业了。但是这个过程并不难理解,之前说过,每个粒子都存在着与之对称的反粒子,正粒子和反粒子相遇后,会发生湮灭。事实上更完整的过程是,在真空中,即一无所有的空间中,正粒子和反粒子会不断地成对生成,接着正粒子和反粒子又在很短时间内湮灭。宇宙的从“无”到“有”很可能发生了类似于这样的过程,幸运的是,我们没有被湮灭。
  既然宇宙诞生之前空无一物,那么理所当然是最对称的,只要在宇宙外没有任何东西去影响宇宙,宇宙就应该保持这种对称性。正如物理学家海森堡所说,“对称性是某种比粒子本身更基本得多的东西”,对称性很可能是宇宙本身所固有的属性。
  4 物理学中的不对称
  对称是美丽的,对称反映了不同物质的共性,对称是混乱世界里的一个路标,但完全对称却一定会显得非常单调和呆板,因为对称不是美的全部,更不是世界的全部。理论物理学家李政道曾说过,“艺术和科学,都是对称和不对称的巧妙组合”。他和杨振宁提出的,在弱相互作用下宇称不守恒,开创了对称性破缺研究的新纪元。   所谓对称性破缺是指,原本具有对称性的系统,由于内部的微小振荡,破坏了系统的对称性,从而不再对称的现象。一个典型的例子是,将一支铅笔笔尖朝下竖立在桌面上,那么它沿竖直轴线具有对称性,水平面上的任何方向对它来说都是一样的。但是只要有十分微小的一点点扰动,笔就会沿一个特定的水平方向倒下,从而打破了之前的对称性,这就是对称性破缺。这种对称性破缺何时发生、何处发生都是偶然的,并且不是外界原因所导致的。既然存在对称性破缺,那么之前所认为的“宇宙是对称的”,难道错了?
  回答这个问题之前,我们先把目光放到丹麦物理学家波尔身上,他所代表的量子力学彻底改变了我们的世界观。波尔认为,我们对这个世界的认识只能是概率性的,也就是说,我们只能预言任何一个事件发生的概率,而不能百分之百地准确断言[8]。
  这个理念对物理学界无疑是颠覆性的,因为从伽利略到爱因斯坦,理论在一步一步地完善,我们能够越来越准确地认知这个世界,但是量子力学却告诉我们,无论理论如何完善,我们都无法准确地了解这个世界,因为这个世界充满了不确定。不确定的世界就像掷骰子一样,我们只知道骰子每一面正面朝上的概率都是1/6,但是掷骰子的结果究竟是什么,我们无法确定。
  这样的表述也许有点抽象,我们举一个例子来说,团团和圆圆是两名小学生,他们学习非常认真,老师为了表扬他们,就奖励给他们一根棒棒糖。他们两个人都很想吃这根棒棒糖,但是又不想一起吃一根。于是,他们通过掷硬币来决定,如果硬币是正面的话,就团团吃,而反面的话,就圆圆吃。他们将硬币掷向了空中,硬币落地后结果是正面朝上。
  团团非常开心,他得到了这根棒棒糖,而圆圆则有些伤心,他觉得正面和反面的机会明明是均等的,为什么“上帝”选择了正面?为什么世界如此的不公平?圆圆的抱怨似乎有些道理,硬币在空中时,正面与反面的概率是相等的,即正面与反面是对称的,而落到地上之后,硬币是正面,那就打破了之前的对称性。
  长大后,圆圆学习了量子力学,他发现不光掷硬币是概率事件,世界上的每一件事都是概率事件,每一件事的发生都意味着对称性被破坏。但是他依然不明白,为什么“上帝”选择了某种结果,而非其他。事实上,很多人都会有圆圆这种困惑,著名的物理学家爱因斯坦从始至终都不认同量子力学的概率解释,他坚信宇宙是确定的、和谐的、统一的,他不止一次地说过,“我不相信上帝会掷骰子”。
  “上帝不会掷骰子”还是“上帝会掷骰子”,换句话说,这个世界到底是确定的还是不确定的,爱因斯坦的观点和波尔的观点存在着本质上的分歧,他们为此争论了长达半个多世纪。但是却有一种别出心裁的诠释,能够化解他们之间的矛盾,这个诠释就是平行世界理论。
  5 对称还是不对称
  平行世界理论认为,如果一个事件发生之后可以产生不同的后果,那么所有可能的后果都会形成一个世界,我们只是生活在其中的一个世界。由于世界无时无刻不发生着概率事件,所以在我们的世界之外,存在着无数个与我们平行的世界。一般意义上认为世界就代表了所有的一切,但是根据平行世界理论,在我们的世界之外存在着无数个世界,那么就应该重新定义世界这个概念。我们不妨将世界定义为我们所存在的时空连续系统,而将宇宙作为万事万物的统称,也就是说,宇宙中包含了无数个世界。读到这里,你可能会质疑,我们从来没有见过世界以外的世界,平行世界到底在哪里?
  一般来说,精确地判断一个人在哪里,需要三个坐标方向:东西、南北和上下。这3个独立的坐标方向,也就是3个空间维度,但是宇宙在空间上只有这3个维度吗?目前最有希望将宇宙中的物质和力统一起来的终极理论――弦理论认为,除了我们明确感受到的3个空间维度之外,还存在着额外的维度,确切地说有7个额外维,这些额外维非常小,以至于我们目前还无法观测到[7]。
  这类似于,如果我们从远处看电线,就会认为电线是一条直线,是1维的,而实际上,电线有表面、有粗细,是3维的圆柱体[9]。由于我们本身的局限性,宇宙中很可能有我们看不见的维度,但是这与平行世界有什么关系?
  设想有一种生物是生活在2维空间中,他们只能在东西和南北组成的平面世界上活动,而无法向上或向下,那么“上下”对他们来说就是额外的维度,在这个方向上可以存在着无数个平面世界。其实我们并不比可怜的2维生物强多少,我们生活在3维空间中,弦理论认为宇宙还有7个额外的维度,那么在我们的世界之外,还存在着无数个平行世界也就不难理解了。
  让我们回到掷硬币的例子,团团和圆圆将硬币掷向了空中,结果硬币是正面,圆圆没有吃到棒棒糖,但是圆圆不必伤心,因为在另外一个世界中,硬币是反面,圆圆吃到了棒棒糖。“上帝”是公平的,他给出了所有的可能,他没有随意决定我们的命运,是我们通过参与,选择了这个世界,从此以后,只能坚持这条道路走下去。令人深思的是,不论在哪一个世界,都会认为“上帝在掷骰子”,对称性被破坏了,但是如果我们将这两个世界看作一个整体,那么“上帝没有掷骰子”,对称性并没有被破坏。这也就意味着,世界是不对称的,而宇宙是对称的。
  平行世界理论化解了爱因斯坦和波尔在世界观上的分歧,如果我们的研究对象是世界,那么波尔是正确的,“上帝会掷骰子”,世界是不确定的,不对称的;相反,如果我们研究的是宇宙,那么爱因斯坦是正确的,“上帝不会掷骰子”,宇宙是确定的,对称的。正是由于对称,才会让宇宙如此的简单、和谐、统一;也正是由于不对称,才会让世界如此的千差万别、变化莫测、丰富多彩。
  【参考文献】
  [1]刘越峰,张琨.对称性――物理学之美[J].通化师范学院学报,2005,2:011.
  [2]罗兴华.对称性的美学价值[N].市场报,2003-11-22(8).
  [3]陈熙谋,舒幼生.对称美与物理学[J].物理教学,1999,21(1):6-11.
  [4]孙海滨.物理学中的对称性与守恒律[J].物理与工程,2006,4:49-52.
  [5]苟举强.物理学中的对称性思想[J].学周刊:B,2013(11):183-183.
  [6]罗蔚茵,赵凯华.守恒律与对称性――介绍《新概念物理教程――力学》中讲牛顿力学体系的改变[J].大学物理,1997,16(8):30-38.
  [7]格林.宇宙的琴弦[M].长沙:湖南科学技术出版社,2002.
  [8]张登.人类文明史物理卷・告别上帝的日子[M].长沙:湖南人民出版社,2001.
  [9]曹玲.弦理论奏出美妙世界[J].Newton-科学世界,2006(7):4-10.
  [责任编辑:曹明明]
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