自然界中的非對(duì)稱性問題

1、自然界中的非對(duì)稱性問題人生不可能是盡善盡美的.我們也很難找到一朵花是完美無缺的.雖然人體總的來說是 左右對(duì)稱的，可是這種對(duì)稱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是完全的.每個(gè)人左右手的粗細(xì)不一樣，一只眼睛比另一 只眼睛更大或更圓，耳垂的形狀也不同.最明顯的，就是每個(gè)人只有一個(gè)心臟，通常都在靠 右的位置（當(dāng)然也有極少數(shù)人的心臟在左側(cè)）.不僅日常生活中我們會(huì)有意的打破對(duì)稱，藝 術(shù)家有時(shí)也會(huì)極力的創(chuàng)造出不對(duì)稱的圖像和物體，可是仍然給人以和諧與平衡的美感對(duì)稱是相對(duì)的，不對(duì)稱是絕對(duì)的，一個(gè)系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱，這個(gè)系統(tǒng)就不存在了.李 政道（T.D.Lee）認(rèn)為，“宇宙有三種作用：強(qiáng)作用、電弱作用、引力場(chǎng).這三種作用的基礎(chǔ)都 是建立在對(duì)

2、稱的理論上的.可是實(shí)驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)對(duì)稱不守恒，為什么我們的理論，尤其是在 1950年代發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒以后似乎應(yīng)越來越不對(duì)稱，但實(shí)際不然，理論越來越對(duì)稱，而實(shí) 驗(yàn)越來越多地發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱，使人覺得理論不行.它是21世紀(jì)科技所面臨的四大問題之一.” 李政道1996年5月23日在中央工藝美術(shù)學(xué)院的演講中曾指出：“藝術(shù)與科學(xué)，都是對(duì)稱與 不對(duì)稱的巧妙組合.”這無疑是正確的.對(duì)稱是美，不對(duì)稱也是美，準(zhǔn)確說，對(duì)稱與對(duì)稱破缺 的某種組合才是美.“單純對(duì)稱和單純不對(duì)稱都是單調(diào).一個(gè)對(duì)稱的建筑只有放在不對(duì)稱的 環(huán)境空間中才顯得美，反之亦然”【1】對(duì)稱是美的，不對(duì)稱（例如破缺、失穩(wěn)、混沌等） 在一定條件下也能給人以美感.

3、對(duì)稱性理論只是在弱場(chǎng)情況下有效（因?yàn)楹雎粤硕A小量）， 而在強(qiáng)場(chǎng)中對(duì)稱性理論就失效了.毛澤東于1974年與李政道談話時(shí)表示，他完全不能理解對(duì) 稱在物理學(xué)中會(huì)被捧到如此高的地位.實(shí)際上，數(shù)學(xué)完美方面的對(duì)稱理論依賴于極為高深的 數(shù)學(xué)工具，單純?yōu)榱似占暗哪康囊惨l(fā)展數(shù)學(xué)完美方面的不對(duì)稱理論（但其符合物理方面的 對(duì)稱性，如能量守恒原理等）.大自然趨穩(wěn)，所以要對(duì)稱性的破缺.對(duì)稱性破缺分兩種，自發(fā)性對(duì)稱破缺和非自發(fā)對(duì)稱 性破缺；生物物種的形成源于基因的突變，同一物種具有某些特征（形體、行為等）的不可 區(qū)分性.物種在適應(yīng)環(huán)境變化中基因不斷改變，如果基因變異引起物種某些特征的變化，在 后代繁衍進(jìn)化中能消失，則

4、物種系統(tǒng)是穩(wěn)定的.如果變異積累到一定大小，群體差異使物種 系統(tǒng)失穩(wěn)到一定程度，物種將分裂，單一物種被破壞，新物種產(chǎn)生，整體系統(tǒng)趨穩(wěn)這是自 發(fā)性對(duì)稱破缺.生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在生物演化中也存在宇稱不守恒現(xiàn)象.例如氨基酸的立體化 學(xué)結(jié)構(gòu)有左手螺旋型的和右手螺旋型的兩種，它們互為鏡象，稱為左手性（L型）的和右手 性的（D型）的.它們具有完全相同的化學(xué)性質(zhì)，在化學(xué)反應(yīng)中都同樣能夠存在但是人們發(fā) 現(xiàn)，生物活體中的氨基酸卻有些不同.地球上有150萬種生物，一個(gè)高等生物具有幾萬種蛋 白質(zhì)，它們都是由8種核甘酸和20種氨基酸組成的.20種生物氨基酸中，除甘氨酸特別簡單，不具有手性外，其他都是左手性的，而核甘酸的糖

5、環(huán)則都是右手性的把物質(zhì)的宇稱、超荷、同位旋等所有物理性質(zhì)都加起來考慮，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們總體上并不守 恒，即對(duì)稱性有破缺.人們假設(shè)，這是只考慮“物質(zhì)”的結(jié)果，如果把“真空”也算在內(nèi)， 就有可能找回“失去的對(duì)稱性”，總體上這世界仍然是對(duì)稱的、守恒的.問題是，到目前為 止，科學(xué)家對(duì)真空的了解還不夠多.為什么CP不守恒，而CPT就守恒？ CPT守恒意味著什么？ CPT真的永遠(yuǎn)守恒嗎？這都是些非常重要而艱難的問題，目前只知道一小部分答案對(duì)稱性 是第一世界（自然物理世界）固有的，還是第二世界（人類精神世界）強(qiáng)加于其上的？是自 然界的屬性，還是自然科學(xué)中物理定律的屬性？或者問，對(duì)稱性是客觀的，還是主觀的？ 一 種

6、簡便的而肯定的回答是，對(duì)稱性是客觀的、自然世界固有的屬性.這也是過去流行的觀點(diǎn)， 但此觀點(diǎn)對(duì)于解決問題并不比相反的觀點(diǎn)更具有優(yōu)勢(shì).如果把認(rèn)識(shí)世界視為一個(gè)復(fù)雜的、不 斷進(jìn)步的過程，理解對(duì)稱性也要放在一個(gè)過程之中進(jìn)行，在此認(rèn)識(shí)系統(tǒng)中，“屬性”的詞匯 是不恰當(dāng).如果仍然保留“屬性”一詞，它也只能指對(duì)象在某種條件下表現(xiàn)出來的功能，這 也可以稱作“條件主義”科學(xué)哲學(xué).條件也即約束，可對(duì)應(yīng)于某種操作，標(biāo)示某種認(rèn)識(shí)層次. 對(duì)稱性原理均根植于“不可觀測(cè)量”的理論假設(shè)上；不可觀測(cè)就意味著對(duì)稱性，任何不對(duì)稱 性的發(fā)現(xiàn)必定意味著存在某種可觀測(cè)量.（李政道）那么“不可觀測(cè)”是不是由于我們認(rèn)識(shí) 能力而導(dǎo)致的一種假相呢？

7、李政道說：“這些不可觀測(cè)量中，有一些只是由于我們目前測(cè)量能力的限制.當(dāng)我 們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到改進(jìn)時(shí)，我們的觀測(cè)范圍自然要擴(kuò)大.因而，完全有可能到某種時(shí)候，我 們能夠探測(cè)到某個(gè)假設(shè)的不可觀測(cè)量，而這正是對(duì)稱破壞的根源然而，當(dāng)確實(shí)發(fā)生這 樣的破壞時(shí)，一個(gè)更深入的問題是，我們?cè)趺茨軌虼_信這不是意味著世界不對(duì)稱呢？是否有 可能，自然界基本規(guī)律仍然是對(duì)稱的？是自然規(guī)律不對(duì)稱，還是世界不對(duì)稱？這兩種觀點(diǎn)究 竟有什么區(qū)別呢？”【2】此論述概括了理論物理學(xué)的認(rèn)識(shí)過程，更涉及一些基本的哲學(xué) 問題.美國天空與望遠(yuǎn)鏡雜志在1997年7月一期的第53-55頁引用了 D.K.Yeomans的研 究：“海爾-波普彗星的周期

8、是4210年，但是下一次出現(xiàn)只要再過2380年就行了.”說明了 對(duì)稱的相對(duì)性.1964年曾在一種質(zhì)子中發(fā)現(xiàn)了不對(duì)稱現(xiàn)象，1998年和1999年美國費(fèi)爾米國 家加速試驗(yàn)室的研究者曾在B介子中發(fā)現(xiàn)了不對(duì)稱現(xiàn)象.英國生物學(xué)家在植物中發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 會(huì)使原來對(duì)稱的葉子和花瓣變?yōu)槁晕⒉粚?duì)稱的基因，利用它可以創(chuàng)造出更美麗的花朵，即對(duì) 稱破缺是美.日本文部科學(xué)省高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的高崎史彥授等在羅馬召開的國際 研討會(huì)上發(fā)表了有關(guān)宇宙充滿物質(zhì)，“CP對(duì)稱性失衡即電荷宇稱不守恒”現(xiàn)象近乎100%存 在的觀測(cè)結(jié)果.37年來隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，6類夸克已被發(fā)現(xiàn)，對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)也日益 深入.今年7月6日，美國

9、斯坦福直線加速器中心（SLAC）的國際科研小組利用重1200噸的 BaBar位于探測(cè)器已證明電荷宇稱不守恒現(xiàn)象存在的概率為99.997%.日本的KEK自1999年 就組成了國際科研小組開始證明這一現(xiàn)象的存在.他們利用BFactory加速器制造了大量的B 介子和反B介子，然后觀測(cè)它們衰變的速率，結(jié)果顯示，不守恒現(xiàn)象存在的概率為99.999%, 該結(jié)果比美國的觀測(cè)結(jié)果要精確得多.目前在KEK工作的小林誠教授和擔(dān)任京都大學(xué)基礎(chǔ) 物理研究所所長的益川敏英認(rèn)為.這次觀測(cè)結(jié)果雖證明了電荷宇稱不守恒現(xiàn)象的存在，但今 后還必須進(jìn)一步破譯其不守恒原理.隨著今后實(shí)驗(yàn)精度的不斷提高，很有可能出現(xiàn)物理傳統(tǒng) 理論不能解

10、釋的意外結(jié)果.參考文獻(xiàn)：【1】分形藝術(shù)，湖南科技1998，第149頁【2】對(duì)稱與不對(duì)稱第37-38頁附錄：科學(xué)家觀察到不對(duì)稱梨形原子核據(jù)科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)在線版及物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)由美國密歇根大學(xué)、英國利 物浦大學(xué)等組成的國際團(tuán)隊(duì)，首次觀察到部分原子核能呈現(xiàn)出不對(duì)稱的梨形，該研究成果發(fā) 表在5月9日的自然雜志上.原子核的形狀，應(yīng)由它所含核子數(shù)量及它們之間的相互作用來決定.在目前已知幾千種 穩(wěn)定的和放射性的原子核中，絕大部分是球形的或橢圓形的.罕見的梨形原子核之前已能理 論上預(yù)測(cè)其存在，但在實(shí)驗(yàn)中觀察到這種形狀十分不易此次科學(xué)家們利用歐洲核子研究中心的上線同位素質(zhì)量分離器（ISOLDE）設(shè)備，產(chǎn)

11、生了 氡-220和鐳-224的短光束.原子束被加速到光速10%，以非常近的距離從鎘、鎳和錫原子核 周圍經(jīng)過，沖擊使鐳和氡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，當(dāng)它們靜下來后，便發(fā)出了伽馬射線這種射線的強(qiáng)度向科學(xué)家展示了激發(fā)原子核量子態(tài)的可能性，其與原子核內(nèi)電荷分布 狀態(tài)是直接相關(guān)的，而原子核的正電荷分布顯示其形狀是不規(guī)則的科學(xué)家通過測(cè)量放射性 元素氡和鐳原子核的軸以及自旋的排列證實(shí)，這些原子芯的形狀呈梨形，而不是更典型的球 形或橢圓形.參與研究的科學(xué)家表示，梨形原子核的特殊意味著組成原子核的中子和質(zhì)子在一個(gè)軸 內(nèi)稍微不同的地方，新的相互作用影響了科學(xué)界正研究的物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱性課題人們 已知當(dāng)前宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)是不平衡的，但形成這樣局面的原因卻是一個(gè)巨大難題，其也 沒有被標(biāo)準(zhǔn)模型這個(gè)介紹大自然規(guī)律和物質(zhì)性質(zhì)的總體理論所預(yù)言研究的帶頭人、英國利物浦大學(xué)物理學(xué)教授彼得巴特勒稱