绝对的对称就是最美的吗?这幅画家和物理学家共同创作的⽔墨画给出了答案

作者: 于渌

来源: 格致论道讲坛

发布日期: 2023-08-17 18:07:26

本文讨论了对称与对称破缺在物理学和艺术中的重要性,以及它们如何实现物理世界的统一。通过具体的物理学例子,如宇称不守恒和超导现象,展示了对称破缺的深刻物理含义和美学价值。

对称破缺究竟美在哪⾥?它实际上有⾮常深刻的物理含义,但是更重要的事情是,它实现了物理世界的统⼀。

⼤家好,我是于渌。我今天想讨论的问题是对称和它的破缺。⼤家都很清楚对称是什么,我们都追求对称的美。对称破缺指的就是对称的元素减少了:从⾮常对称,到不⼤对称,再到完全不对称。这个破缺是怎么来的?它⼜美在哪⾥呢?这就是我今天想讨论的事情。

这是中国⺠间的剪纸,这些图像⾮常漂亮,它们受⽼百姓喜欢的⼀个重要原因就是它的图案是对称的。对称在中⻄⽅的建筑当中也是⼀个⾮常重要的元素。这是北京故宫的中轴线。这是⻄⽅哥特式教堂的中殿的图⽚。这说明在⽂化上,⼈们都喜欢对称。对称的元素在⾃然界就更多了,漂亮的蝴蝶就是两侧对称的。

绝对的对称就是最美的吗?为了讨论这个问题,我想引⽤⼀下科学和艺术之间的类⽐。很多著名的科学家,⽐如李政道先⽣就专⻔强调了科学和艺术的类⽐和联系。他在中国建⽴了⼀个⾼等研究中⼼,这个⾼等研究中⼼当然是作为科学机构建⽴的,但是也⾮常重视科学与艺术的结合。

科学和艺术有很多共同的地⽅,它们都是⼈类智慧的结晶,都追求美,都追求普遍性。艺术作品也重视对称美,但不是“完全”、“绝对”的对称。这幅画是吴冠中先⽣经过和李政道先⽣的多次沟通后所画的,它能够显示做物理的⼈想说的对称破缺的意思。

在物理学⾥⾯,关于对称和它的破缺,最著名的、影响最⼤的⼀个例⼦就是由杨振宁、李政道先⽣在1956年提出的宇称不守恒。同年,著名的华⼈物理学家吴健雄先⽣就⽤钴60在⾮常低的温度下直接验证了宇称不守恒。吴健雄先⽣实验结果的公布,证明杨先⽣和李先⽣的预⾔是正确的。

我们知道在正常的压⼒下,⽔在100度的时候会沸腾,在0度的时候会结成冰,沸腾和结冰就是⼀个相变的过程。那么相变跟对称有什么关系呢?蒸汽或者⽔都有⼀个性质,叫平移不变性,就是它沿着平⾯挪动⼀下的话,它还是⼀样的,可是冰就不⼀样了。

如果要描述相变,就要引进⼀个序参量。相变可以分为两类,⼀种是中间有⼀个跳跃的第⼀类相变,另⼀种是有⼀个连续变化的连续相变。关于相变的描述有⼀件事很重要,就是对称破缺。⽐如⼀个正⽅形有⼋个对称元素,如果把它变成⻓⽅形,对称元素就只剩下四个。

超导现象要解释两件事情,第⼀件事是为什么它没有电阻,第⼆件事情是为什么它是完全抗磁的。超导机制⾥的对称破缺和安德森-希格斯的机制为整个粒⼦物理的理论打开了⼀个新的途径,引发了新的突破。这中间很关键的⼀步是史蒂⽂·温伯格(Steven Weinberg)和阿⼘杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)在60年代中期提出的Weinberg-Salam模型。

标准模型其他的粒⼦都被发现了,但是希格斯粒⼦⼀直没有被发现。直到2013年在欧洲核⼦中⼼的实验⾥,才发现了这个叫做“上帝”的粒⼦。这是整个标准模型是否正确的关键,有了它以后,基本粒⼦的模型就建⽴了。

对称破缺究竟美在哪⾥呢?它实际上有⾮常深刻的物理含义,但是更重要的事情是,它实现了物理世界的统⼀。⾸先是微观世界的统⼀,然后是微观世界和宏观世界的统⼀。所以对称破缺的美是确实存在的,但是要在明⽩⼀些事情以后才能够真正体会它、回味它。

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