|仰观星空，追寻自然之美的踪迹

文章图片

\">
记得十多年前的一天，在交大的图书馆里翻到了一本小册子，一读就立刻沉浸其中，陶醉不已。那是一本关于自然对称的简单美丽的描写，至今令人回味，印象刻在心间。

人类祖先世世代代在林中行走，看到美丽的花瓣和迷人的生物，感到满心欢喜；每当观望着日升日落、月圆月缺、晶莹的雪花，对自然的爱意弥漫在我们的细胞中。这是人类对自然美的最原始感受，也是至今人们长久快乐的源泉。
当人们将这种美的感觉提炼、应用于自己的房屋建造和生活工具设计中时，就产生了美轮美奂的建筑群和各种精美的生活用品（如剪刀、梳子、座椅）。画家将这种美以笔墨记录，留下传世佳作。艺术家将这种容易流逝的美固化，雕刻成了独具匠心的艺术品…
而文学家则通过诗词表达美，用工整的对仗形式进行写意。如千古名句“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色” ，文笔绝美如画。更广的应用方面，例如水浒中描写宋江大战高太尉、火烧战船的句子“黑烟迷绿水，红焰起清波” ，红楼中描写尤三姐的死“揉碎桃花红满地，玉山倾倒再难扶” ，甚至有一种暴力美学的升华。
再看看数学家，是将自然之美解构，化作了动人的方程。自然界中的湍流、花瓣的形状、行星的运动轨迹等，都有简洁的公式表达，美得让人沉醉。任何自然现象的背后，都能通过数学去窥探奥秘，数学甚至可以超脱现实经验去做推演，如非欧几何。一旦数学家领略过抽象世界的美，则很难再走出来，美是所有数学家永恒的追求。
综合这些美的表达，我们基本都能发现一个熟悉的身影——对称。这起源于自然本身，并最终映射进了我们的偏好。自然界中，大至天体形状、小至周边事物，都能看到对称性，如大多数动物的外形都是左右对称，海螺是螺旋对称的，花朵的花瓣是沿着某种对称方式生长排布，就连天空飘落的雪花小冰晶也是很美妙的对称。我们不禁疑惑，为何对称会成为自然界的一个普遍现象。
但当我们仔细去观察这些对称时，却又发现对称得并不那么彻底，比如每个人的左右部分身体会有微小的差异（人的左右眼就不是一般大）、花朵的花瓣形状也不是绝对相同…… 这也容易理解，自然的造物如果是绝对对称的，那会显得无比呆板。似乎自然存在这种倾向：喜欢对称，但又打破绝对的对称。另一方面，人们的理论却是极度对称的，描述自然界基本相互作用的理论都是以对称为基础。这就带来了一个深层次的矛盾：我们的理论有反映真实世界吗？
此中的真义，在我国物理大师李政道的一本科普小册子《对称与不对称》中有深入浅出的描述。实际上，宇宙大爆炸初期，世界确实是完全对称的，所有的粒子都有正反粒子，只是因为反粒子衰变更快，现在宇宙中主要残留的是带正电的质子和带负电的电子。而所有粒子的结构在微观上是对称的，组成宏观世界的过程中自然也就呈现出普遍的对称性；只是由于受到各种综合因素的干扰，宏观已不再是严格的对称。
物理学家已证明，微观世界的物理规律对于正反粒子、左右镜像、时间流向都是不对称的。但是当这三个联合变换时，物理规律却是严格对称的：即如果同时将粒子换成反粒子、左换成右、过去换成未来，那么物理规律也都是成立的。这深刻反映了对称与不对称在自然界的辩证统一！
那么对称性的失去，本质是如何引起的呢？物理学家认为，自然的真空具有某种自发的对称破缺机制，对称性就是由此失去。就像平静的湖面一汪碧水，内部的微小扰动引起轻微的涟漪，平静被打破。
既然微观世界是不对称的，那为何我们的理论却又如此对称呢？其实，理论在数学形式上的对称，并不代表在物理结果上也一定对称。深入下去，当前我们理论中的所有对称性原理，均基于某些基本量不可被观测。
如动量守恒定律可由绝对位置不可观测性推导出；能量守恒定律可由绝对时间的不可观测性导出；角动量守恒律由绝对方向的不可观测性导出。不可观测意味着对称性，也即存在相应的守恒定律。而任何不对称性的发现，则意味着存在某种可观测量。