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自然界中的非对称性问题

人生不可能是尽善尽美的.我们也很难找到一朵花是完美无缺的.虽然人体总的来说是左右对称的，可是这种对称远远不是完全的.每个人左右手的粗细不一样，一只眼睛比另一只眼睛更大或更圆，耳垂的形状也不同.最明显的，就是每个人只有一个心脏，通常都在靠右的位置（当然也有极少数人的心脏在左侧）.不仅日常生活中我们会有意的打破对称，艺术家有时也会极力的创造出不对称的图像和物体，可是仍然给人以和谐与平衡的美感.

对称是相对的，不对称是绝对的，一个系统一旦实现了对称，这个系统就不存在了.李政道(T.D.Lee)认为，“宇宙有三种作用：强作用、电弱作用、引力场.这三种作用的基础都是建立在对称的理论上的.可是实验不断发现对称不守恒，为什么我们的理论，尤其是在1950年代发现宇称不守恒以后似乎应越来越不对称，但实际不然，理论越来越对称，而实验越来越多地发现不对称，使人觉得理论不行.它是21世纪科技所面临的四大问题之一.”李政道1996年5月23日在中央工艺美术学院的演讲中曾指出：“艺术与科学，都是对称与不对称的巧妙组合.”这无疑是正确的.对称是美，不对称也是美，准确说，对称与对称破缺的某种组合才是美.“单纯对称和单纯不对称都是单调.一个对称的建筑只有放在不对称的环境空间中才显得美，反之亦然.”^【1】

居里说过：“非对称创造了对称.”对称和对称性破缺反映了事物的统一性和多样性.对称是美的，不对称（例如破缺、失稳、混沌等）在一定条件下也能给人以美感.对称性理论只是在弱场情况下有效（因为忽略了二阶小量），而在强场中对称性理论就失效了.毛泽东于1974年与李政道谈话时表示，他完全不能理解对称在物理学中会被捧到如此高的地位.实际上，数学完美方面的对称理论依赖于极为高深的数学工具，单纯为了普及的目的也要发展数学完美方面的不对称理论（但其符合物理方面的对称性，如能量守恒原理等）.

大自然趋稳，所以要对称性的破缺.对称性破缺分两种，自发性对称破缺和非自发对称性破缺；生物物种的形成源于基因的突变，同一物种具有某些特征（形体、行为等）的不可区分性.物种在适应环境变化中基因不断改变，如果基因变异引起物种某些特征的变化，在后代繁衍进化中能消失，则物种系统是稳定的.如果变异积累到一定大小，群体差异使物种系统失稳到一定程度，物种将分裂，单一物种被破坏，新物种产生，整体系统趋稳.这是自发性对称破缺.生物化学家发现，在生物演化中也存在宇称不守恒现象.例如氨基酸的立体化学结构有左手螺旋型的和右手螺旋型的两种，它们互为镜象，称为左手性（L型）的和右手性的（D型）的.它们具有完全相同的化学性质，在化学反应中都同样能够存在.但是人们发现，生物活体中的氨基酸却有些不同.地球上有150万种生物，一个高等生物具有几万种蛋白质，它们都是由8种核甘酸和20种氨基酸组成的.20种生物氨基酸中，除甘氨酸特别简单，不具有手性外，其他都是左手性的，而核甘酸的糖环则都是右手性的.

把物质的宇称、超荷、同位旋等所有物理性质都加起来考虑，会发现它们总体上并不守恒，即对称性有破缺.人们假设，这是只考虑“物质”的结果，如果把“真空”也算在内，就有可能找回“失去的对称性”，总体上这世界仍然是对称的、守恒的.问题是，到目前为止，科学家对真空的了解还不够多.为什么CP不守恒，而CPT就守恒？CPT守恒意味着什么？CPT真的永远守恒吗？这都是些非常重要而艰难的问题，目前只知道一小部分答案.对称性是第一世界（自然物理世界）固有的，还是第二世界（人类精神世界）强加于其上的？是自然界的属性，还是自然科学中物理定律的属性？或者问，对称性是客观的，还是主观的？一种简便的而肯定的回答是，对称性是客观的、自然世界固有的属性.这也是过去流行的观点，但此观点对于解决问题并不比相反的观点更具有优势.如果把认识世界视为一个复杂的、不断进步的过程，理解对称性也要放在一个过程之中进行，在此认识系统中，“属性”的词汇是不恰当.如果仍然保留“属性”一词，它也只能指对象在某种条件下表现出来的功能，这也可以称作“条件主义”科学哲学.条件也即约束，可对应于某种操作，标示某种认识层次.对称性原理均根植于“不可观测量”的理论假设上；不可观测就意味着对称性，任何不对称性的发现必定意味着存在某种可观测量.（李政道）那么“不可观测”是不是由于我们认识能力而导致的一种假相呢？

李政道说：“这些‘不可观测量’中，有一些只是由于我们目前测量能力的限制.当我们的实验技术得到改进时，我们的观测范围自然要扩大.因而，完全有可能到某种时候，我们能够探测到某个假设的‘不可观测量’，而这正是对称破坏的根源.然而，当确实发生这样的破坏时，一个更深入的问题是，我们怎么能够确信这不是意味着世界不对称呢？是否有可能，自然界基本规律仍然是对称的？是自然规律不对称，还是世界不对称？这两种观点究竟有什么区别呢？”^【2】此论述概括了理论物理学的认识过程，更涉及一些基本的哲学问题.

美国《天空与望远镜》杂志在1997年7月一期的第53-55页引用了D.K.Yeomans的研究:“海尔-波普彗星的周期是4210年，但是下一次出现只要再过2380年就行了.”说明了对称的相对性.1964年曾在一种质子中发现了不对称现象，1998年和1999年美国费尔米国家加速试验室的研究者曾在B介子中发现了不对称现象.英国生物学家在植物中发现了一个会使原来对称的叶子和花瓣变为略微不对称的基因，利用它可以创造出更美丽的花朵，即对称破缺是美.日本文部科学省高能加速器研究机构（KEK）的高崎史彦授等在罗马召开的国际研讨会上发表了有关宇宙充满物质，“CP对称性失衡即电荷宇称不守恒”现象近乎100％存在的观测结果.37年来随着科学的不断发展，6类夸克已被发现，对物质世界的认识也日益深入.今年7月6日，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的国际科研小组利用重1200吨的BaBar位于探测器已证明电荷宇称不守恒现象存在的概率为99.997%.日本的KEK自1999年就组成了国际科研小组开始证明这一现象的存在.他们利用BFactory加速器制造了大量的B介子和反B介子，然后观测它们衰变的速率，结果显示，不守恒现象存在的概率为99.999％，该结果比美国的观测结果要精确得多.目前在KEK工作的小林诚教授和担任京都大学基础物理研究所所长的益川敏英认为．这次观测结果虽证明了电荷宇称不守恒现象的存在，但今后还必须进一步破译其不守恒原理.随着今后实验精度的不断提高，很有可能出现物理传统理论不能解释的意外结果.

安德森认为：还原并不能重构宇宙，部分之行为不能完全解释整体之行为.高层次物质的规律不一定是低层次规律的应用，并不是只有底层基本规律是基本的，每个层次皆要求全新的基本概念的构架，都有那一个层次的基础原理.也就是说这个世界不同于还原论，还有另一种视角“层展论”（或称整体论）的观点.层展论既不属于还原论，也不反对还原论，而是与还原论互补，构成更为完整的科学方法.安德森以凝聚态中的对称破缺为例，说明层展论能把朗道说的凝聚态物理中的相变与物质结构中对称性的变化联系在一起.安德森是采用把从高对称到低对称的过程叫做“对称破缺”；相应的，反过来的相变则意味着“对称恢复”.然而，如何判断对称性的“高低”呢？特别有时候会将“对称性”与“有序性”等同起来，但这两个概念的“高低”程度，正好相反：越有序的结构，对称性反而越低.

用数学的语言来描述的话，液态时，如果将空间坐标作任何平移变换，系统的性质都不会改变，表明对空间的高度对称.而当水结成冰之后，系统只在沿着某些空间方向，平移晶格常数a的整数倍的时候，才能保持不变.所以，物质从液态到固态，对称性降低了，破缺了.从连续的平移对称性减少成了离散的平移对称性，或叫做：固态破缺了液态的连续平移对称性，即晶体是液体的任意平移对称性破缺的产物.相比于液体，晶体的粒子密度出现了空间上的周期调制，因而更加有序，而从无到有的周期调制的变化，便可以表征物质从液体结晶为固体时的相变.对称破缺分为两大类：明显对称性破缺和自发对称性破缺.第一类“对称破缺”的原因是自然规律决定的，是因为某些物理系统本身就不具有某些物理规律对应的对称性.

如果用数学语言来描述这种对称性破缺的话，就意味着：物理系统的拉格朗日量或哈密顿量，明显具有某种不对称性的项.所以物理学家们越来越认识到，分别单独地研究固体或液体，都远远满足不了实际情况的需要.特别是掺和进了低温物理之后，固体物理的研究转向了对大量粒子构成的各种体系的研究.这些系统中的粒子具有很强的相互作用，在各种物理条件下，不仅仅表现为固态、液态、液晶态、等离子态，此外还有超流态、超导态、波色子凝聚态、费米子凝聚态……，对这些千姿百态以及它们互相转换的研究，便构成了凝聚态物理.

参考文献

【1】《分形艺术》，湖南科技，1998，149.

【2】《对称与不对称》，37-38.