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分立对称性失效问题

法国物理学家Curie说："非对称创造了世界"，这句话包含有丰富而深邃的辩证法思想.我们的理论是根据对称产生的，可是我们的世界又是不对称的，这是非常奇怪的.、、、我们有很充分的实验证据表明，我们这个宇宙、我们这个世界是不对称的.^【1】杨振宁（C.N.Yang）讲：“分立对称性失效的根本原因今天仍然是未知的.事实上，对于这些失效的潜在的理论基础，看来甚至尚未有人提出任何建议.这样一种理论基础，我相信必定是存在的，因为从根本上说，我们已经知道，物理世界的理论结构决不是没有原因的.”李政道(T.D.Lee)认为，我们现有的全部知识是很不全面的，一定有另外一个力，这个力是推翻对称的.^【1】任何一个守恒律都是在一定的条件下得到的，都有一定的适用范围，这本身就反映了对称性不是绝对的无条件的适用于一切场合的.

物理学中的对称破缺，是指由于某一种对称被破坏，引发出了更深化的思维认识，从而展现出物理学更高层次的对称.如核子同位旋守恒遭电磁作用和弱作用破坏时表现出来的破缺；铁磁材料中空间各向同性的破坏；真空对称性的自发破缺等.再如，杨振宁和李政道提出了弱相互作用中宇称不守恒（将在第三章中详细讲到），就是运用对称性原理解开了θ-τ之谜，并得到了吴健雄的实验验证，使现代物理学中产生了“对称加破缺”的美学思想.物理学中有两种对称破缺的方式.一种是上面讨论过的明显的对称破缺，它是由较弱的相互作用不具有这种对称性而引起对较强的相互作用的对称性的破坏.在这种情况下，作为整体，对称性是近似的，它只有在可以忽略较弱相互作用的过程中才近似地成立.例如，当体重差不多的两个小孩在玩跷跷板时，两个小孩分坐两端，在静止状态下，跷跷板保持水平状态，达到平衡；当一个小孩离开后，跷跷板失去平衡，有小孩的一端着地，另一端则必然上翘，使原来的水平状态被打破，原有的对称性就发生了破缺.又比如，水是各向同性流动的液体，水分子在水中沿各个方向运动皆可，但当温度下降到零度以下时，水结成了冰，水分子在冰中按一定的择优方向排列，形成了冰的几何结构，对称性降低，不再保持原来水中各向同性的对称性，即发生了对称性破缺.另一种更重要的对称破缺方式称为对称性的自发破缺,这时描写系统动力学的拉格朗日量具有对称群G的对称性，但是能量最低的真空态或基态不只一个，而是一组互相不能穿透的退化的状态,形成群G的表示.由于真空态（基态）影响到在其上运动着的一切事物，一旦真空态已经确定在一个特定的状态上,群G的对称性就受到了破坏.例如磁铁在居里点以下显示出铁磁性，它的磁矩指向特定的方向.虽然磁铁的拉格朗日量是各向同性的，具有转动群的对称性，但基态不只一个，相应的磁矩可以指向空间不同方向.当磁铁由于某种原因已经选定了一个磁矩的特殊方向，在这块磁铁上发生的现象就不再是各向同性的了，这时我们说转动群的对称性产生了自发破缺.常常从退化的基态中具体实现的状态仍然具有G群的子群H的对称性.例如磁矩指向z轴方向时，磁铁仍然可以具有围绕z轴转动的对称性.因此对称性只在G群除以H群得到的H的陪集G/H上产生了自发破缺.明显的对称破缺的方式不依赖于系统所处的状态，而对称性的自发破缺则依赖于系统的状态.随着某些条件（例如温度）的变化，处于对称性自发破缺状态的系统常常可以通过相变过渡到对称的状态，例如铁磁和超导在临界温度以上都恢复到对称的状态.构成今天世界的粒子很可能处于对称性自发破缺的相中，它们的质量和相互作用都由这个相决定.在早期宇宙发展过程中，世界很可能处于高度对称的状态，那时粒子的性质可能与今天观察到的很不相同，宇宙经过冷却和相变才达到今天的样子.

对称性意味着守恒定律，唯一麻烦的是，实验表明几乎所有的这些守恒定律（因自然界不存在右旋中微子）而受到破坏（即对称性的丢失）；我们建议把物质与真空都考虑进去，于是这个部分的对称性就可以恢复了.物理学里有对称性失效机制的理论，如LANDAU的二级相变理论，场论的HIGGS机制.目前世界最大的加速器是美国布鲁海文国家实验室的相对论性的重离子对撞机（RHIC），它使两个加速到每个核子1000亿电子伏特的金离子对撞，在如此高的能量下，两个金核中的物质互相穿过，而将所带的相当一部分能量留下来，产生激发态的真空.李政道教授认为，恢复整个的对称性的答案，应该在碰撞实验中所产生的这一瞬间具有高能量的激发态的真空之中.吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像.实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称.实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒.就李政道、杨振宁发现“弱相互作用下宇称不守恒”的事迹，何祚庥先生在《宇称不守恒的发现影响了一代人的思维》一文中写道：“1956年底和1957年1月消息传来，吴健雄教授有关钴60极化核的β衰变的实验，竟然观察到末态电子分布的左右不对称！接下来，伽尔汶等人又观察到Π→μ→е衰变过程中的左右不对称.于是，宇称守恒的定律就此被李政道、杨振宁两位科学上的先驱者所‘打破’！一时之间，‘打破’宇称守恒定律的消息传遍世界，在许多国家激起‘李、杨效应’.一些青年学子，纷纷立志要向李政道、杨振宁学习，有的立志要向粒子物理进军，立志向科学进军，立志要‘赛因顶峰会李杨’.至于我们这些略为懂得一些粒子物理的初等知识的‘粉丝’（追星族），更是对李先生、杨先生所做的这一经典工作，崇敬之至！在许多国家激起‘李、杨效应’.一些青年学子，纷纷立志要向李政道、杨振宁学习，有的立志要向粒子物理进军，立志向科学进军，立志要‘赛因顶峰会李杨’.”阿西莫夫在《宇称是什么？》的文章称：“后来，人们又明白了，为了使这个法则真正保险，还必须考虑到时间（Ｔ）的方向；因为一个亚原子事件看起来既可以是在时间中向前推进，也可以是在时间中向后倒退.添上时间以后的法则称为‘ＣＰＴ守恒’.近来，就连ＣＰＴ守恒也成问题了，不过到底怎么样，目前还没有得出最后的结论.”

1956年李和杨提出弱作用宇称不守恒的事例会有启发性意义：在1956以前，发现了一个实验上奇怪的例子，就是所谓theta-tau之谜，这两个粒子（当时称呼为theta和tau）的电荷、质量、自旋、寿命等参数都一样，似乎应该是同一种粒子，但其宇称不同，似乎不应该是同一种粒子.李和杨提出：它们应该是同一种粒子，但宇称在弱作用中不守恒，所以看起来它们显示有不同宇称.其实，提出"宇称在弱作用中不守恒"这本身没有什么太了不起（当时还有其他好几人也有此类观念）.但李和杨的一个重要的点睛之笔是问：为何以前几十年宇称守恒定律在弱作用中用得好好的，没有出现过什么矛盾？他们进一步发现，原来在以前几十年弱作用实验中，其实用不用宇称守恒定律都无所谓，所以其是否成立，也就在以前的实验中变得不重要了，因此过去也就没有出现过麻烦.现在则才出现了麻烦.

理查德·费曼认为:“在自然现象之间存在着旋律和图样，但普通人的眼睛往往对这些旋律和图样视而不见，只有分析家才能看到.被我们称为‘物理学原理’的正是这些旋律和图样.这些理论从来不是完美无缺的，“始终存在一条神秘的边界，始终会有一个地方需要我们做一些看似徒劳的思考.”爱因斯坦想把一切定律压缩到一个统一场论中去的时候，这个巨大的梦想已经破灭了.

任何一个再高明的理论，一旦变为没有论域和前提限制的神话，那么这个理论总将必然蕴藏着极大的逻辑不自恰.相反，如果认真分析和认识一切理论体系所必然存在的前提和条件，自觉地意识和构造一个有限真实的理论体系，那么这个自觉承认是粗糙和近似的理论体系，恰恰能够成为一种真实的科学陈述.

笔者认为，分立对称性失效的原因在于物质的性质在某一层次上既对称又不对称，既存在着对称破缺，它在深层次上又对称，但另一属性可能又不对称，``````如此往复，永无止境，现代物理学理论揭示了物质的某一属性，因此“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”.对称性与反对称性矛盾的普遍存在，恰恰就是通过真实的物质世界和理性的主观认识之间辩证统一的逻辑必然.

物理学家们在寻找自然终极设计的对称性时遇到了麻烦，正如阿•热先生谈道，对称意味着统一，而世界却呈现出多样性.如果设计完美而对称，那么我们的世界什么都只有一种，比如基本粒子就会完全相同，从而彼此不可分辨.这样的一个世界是可能的，但它又会非常单调和乏味，就会没有原子、没有星星、没有花朵、也没有物理学家.终极设计既要统一又要多样性，既要绝对完美又要喧闹的生机，既要对称又要缺乏对称，他好象对物理学家们提出一个不可能实现的要求.物理学一些最基本的理论，都是建立在空间对称性基础上的，自从在弱相互作用中发现左和右的绝对性后，空间对称性的概念才开始动摇了.物理空间是对称的吗？很多人都提出过这一疑问，但是有更多的人认为空间的左右对称性是一种客观的存在，是一种自然美.有位数学界的著名人士举了两个例子（假想实验）；用1张正方形的理想化纸片，沿中线对折后，随机打上生物颜料构成的注记，摊开后看看左右是否对称？如果设想，到远离地球引力场的外空间，假设有一块正方形的空间面积，沿中线对折，左和右是否对称？真实的空间是不对称的，理由很简单：生物大分子的旋光异构体，若按原子排列命名某一生物分子为左手系（L），则它的异构物按同一原则的原子排列就必为右手系（R），它们只在假想的数学空间具有左右对称，但在真实的物理空间，却是具有不同物理特征的空间结构，左与右具有不同的能量差.现代制药工业正是利用这一原理，对常用的200余种手征性药物，有目标的选择与（L）或（R）相对应的价电子力，或表达其能量差的其它方法，使其中没有药效的一种手征性大分子形成中性盐或络合物而被清理出局，如果真实的空间是不对称的话，恐怕连治病的药物都买不到了.

物理学空间是否左右对称，更理想的测试还有三个：其一是沿左右空间人造卫星自转速度变化率的测定；其二是沿赤道面光缆进行电磁脉冲的双向传递，测定向左和向右时间差的实验；不过，最好的实验还是“引力探测器B”卫星，因为它的运行轨道，其中半个周期是左手征空间，另半个是右手征空间，在离地球640千米的极地轨道上运行，左和右的光速差引起陀螺仪自转轴偏转，1.5年后将有10.824″附加角偏转，它比其它物理效应都要大（3项物理效应都是向量值），实验结束后自见分晓.在自由空间，在分子世界，在原子和亚原子世界都存在着确定的手征性空间，问题只在于，这一类左右手征性是如何形成的？20世纪的空间理论是无法相容的.

参考文献

【1】李政道—科学的发展：从古代中国到现在，朱长超 主编.《世界著名科学家演讲精粹》，139.百花洲文艺出版社，1995年3月第1版第3次印刷.