清晨，當(dāng)你看著鏡子的時(shí)候，朝著鏡子中的自己微笑，鏡像也會(huì)朝你微笑。在日常生活中，我們很容易將這種對(duì)稱效應(yīng)視為是理所當(dāng)然的現(xiàn)象；但對(duì)于理解和預(yù)測(cè)宇宙的運(yùn)作機(jī)制來說，對(duì)稱性是一個(gè)至關(guān)重要的概念。那么，當(dāng)我們?cè)谖锢碇姓務(wù)搶?duì)稱性時(shí)，談?wù)摰木烤故鞘裁矗?/span>想象你置身于一片沙漠之中，那是一片均勻的荒蕪之地，無論朝哪個(gè)方向看去，看到的景色都一樣。在物理學(xué)中，這種一樣的景致就意味著一種對(duì)稱。更具體的說，我們可以將對(duì)稱描述為這樣一種變換，在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了該項(xiàng)變換之后，系統(tǒng)仍然維持不變。以空間平移為例，如果將一個(gè)系統(tǒng)移到空間中的另一個(gè)點(diǎn)上，并且該系統(tǒng)的所有相關(guān)條件都隨之移動(dòng)，那么這個(gè)系統(tǒng)將繼續(xù)以相同的方式運(yùn)作。換句話說，物理定律不受空間平移的影響。同樣，對(duì)時(shí)間平移而言，系統(tǒng)可以在任何時(shí)間點(diǎn)上移動(dòng)，且它的物理性質(zhì)也會(huì)保持不變。自然界中最基本的物理定律也應(yīng)該是對(duì)稱的，無論在任何時(shí)候、處于宇宙的任何地方，這些定律都不變。例如時(shí)間對(duì)稱性向我們證實(shí)了——能量既不能被創(chuàng)造，也不能被毀滅，因?yàn)闊o論你處于哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)，宇宙中總能量是不變的。同樣，空間平移的對(duì)稱性則直接導(dǎo)致了動(dòng)量守恒。而這正是對(duì)稱的美之所在——它通過揭示自然的參數(shù)來定義這個(gè)世界。如果自然不是由對(duì)稱主宰，那么我們生活的世界將一片混沌——一切事物都變得不可預(yù)測(cè)，亦不可重復(fù)。1915年，數(shù)學(xué)家 埃米·諾特用一個(gè)驚人的定理描述了對(duì)稱與宇宙機(jī)制的關(guān)系。諾特定理指出物理學(xué)中無處不在的守恒定律實(shí)際上是宇宙中各種對(duì)稱性的表現(xiàn)。例如，能量之所以守恒是因?yàn)槲锢矶刹还苁窃诮裉爝€是一億年以前都是一樣的；動(dòng)量之所以守恒是因?yàn)椴还茉诘厍蜻€是火星上動(dòng)量都完全相同。| 圖片來源：《時(shí)間專欄》但是，如果宇宙遵循的是對(duì)稱原則，為什么自然界中又有如此多的不對(duì)稱呢？在一些外部因素的影響下，一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)可能表現(xiàn)出隱藏的對(duì)稱性，但它的基本物理定律仍然是對(duì)稱的。例如當(dāng)建筑物、道路、樹木出現(xiàn)在那片均勻的沙漠中時(shí)，每個(gè)方向看起來便不再相同，然而這種情況下，潛在對(duì)稱性其實(shí)仍然存在，只是系統(tǒng)的狀態(tài)打破了這種對(duì)稱。因此，雖然太陽的引力場是球形對(duì)稱的，但像水星這樣的行星仍可以沿著在鄰近行星的引力擾動(dòng)下而改變形狀的橢圓軌道運(yùn)行。物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，不是所有的對(duì)稱一樣。當(dāng)他們進(jìn)一步觀察微觀世界中的粒子相互作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些令人費(fèi)解的違反對(duì)稱性的現(xiàn)象。現(xiàn)在我們知道，這類違反是一組全然不同的對(duì)稱群——局域?qū)ΨQ性，它們能影響某些相互作用。局域?qū)ΨQ性與那些在時(shí)空中的任何一點(diǎn)都成立的對(duì)稱性不同。在現(xiàn)代物理學(xué)中，局域?qū)ΨQ性是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了支配萬物的三種基本力——強(qiáng)核力、弱核力和電磁力。隨著我們對(duì)粒子物理學(xué)的研究越來越深入，我們發(fā)現(xiàn)了越來越多的對(duì)稱性。每一種對(duì)稱性都揭示了自然界中的一些隱藏在最基本的相互作用背后的信息。最后，我們或許會(huì)找到一個(gè)能夠?qū)⑺姆N基本力（包括引力）都統(tǒng)一在一個(gè)框架下的理論。我們無法確定是否存在這樣一種理論，但探索新的對(duì)稱性或許能繼續(xù)發(fā)揮深遠(yuǎn)的作用。
文：原原 / 圖：岳岳
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
