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对称性是宇宙的普遍性质,是指物理对象在某种操作下的不变性。比如完美球体,在转动操作下,仍然是那个样子(不变),我们就说球体具有三维转动对称性,用数学的语言,叫SO(3)对称性。球体的转动对称性的来源是什么呢?不光与球体本身形状有关,还与我们所在的三维空间的各向同性(空间具有转动不变性)有关。转动对称性会导致什么后果呢,它会导致角动量守恒,为什么我们能骑两轮自行车而不倾倒,靠的就是角动量守恒。为什么太阳系九大行星在一个平面上(黄道面),也是因为角动量守恒。
同样的道理,空间还有平移对称性,比如匀速直线运动的物体,你把它平移一下(指坐标,不是加外力),它还是那个速度(不变)。平移对称性会导致动量守恒。同样,时间也有平移对称性,比如一座山,你过两天来看它还是那个样子(不变)。时间的平移对称性会导致能量守恒。所以,我们在高中时学的能量守恒、动量守恒定律,其实都来源于我们所在的时空背景的对称性。
说到这里,我想问大家一个问题:我们在高中时学过的牛顿第一定律(惯性定律)和牛顿第二定律(F=ma),大家觉得哪一个更基本?可能大家都觉得牛顿第二定律基本一些,重要一些。如果那样认为,那就错了。其实牛顿第一定律更重要,更基本,它说物体在不受外力的时候总是保持原有的匀速状态或静止状态,其实它指出了空间的平移对称性,它更基本一些。而牛顿第二定律只是破缺空间平移对称性而已,破缺的原因是因为施加了外力。
关于2008诺贝尔物理学奖的次原子物理的对称性,指的是基本粒子规范对称性,那需要一些专业的知识才能听懂。规范对称性的破缺对宇宙的演化非常重要,宇宙产生当初,正是因为弱作用的SU(2)对称性破缺,才使得正物质多于反物质,所以才有了我们今天的物质世界。南部阳一郎、小林诚、利川敏英正是发现规范SU(2)的自发破缺及其来源,才获得今年的诺贝尔物理学奖。
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GMT+8, 2025-1-15 20:03
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