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揭秘宇宙的对称性之谜 宇宙尽头在哪里

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  对称性在生活中随处可见,它具有内在的和谐性与平衡性,给人以美的感觉。而在物理学中,对称性在各种理论中发挥着核心的作用。物理学中的对称性,指的是一个物理系统在某种变换条件下的所具有的不变性质。

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  不过,大自然往往喜欢隐藏其对称性,表现出的非对称性的一面。物理学家感到奇怪:大自然为什么要这么做呢?

  不对称的生命

  生命,就是建立在隐形对称性的基础之上的。例如人类的身体,乍一看是镜像对称的,但其身体内部的器官却不是镜像对称的。例如心脏就是打破镜像对称的一员。心脏的左心室要把富含氧气的血液压送到全身各处,这需要强大的输血能力。而心脏的右心室要把接收氧气的血液传送到肺部,而肺部就在它旁边。所以说心脏的左边要比右边有更强大的输血能力,这种输血能力的不对称使得心脏偏向左侧,并给了我们心脏处在左侧的感觉。

  在微观层次上,形成生命的分子也是非对称性的。我们知道,构成生命最基本的元素是碳,它有4个化学键,也就是说一个碳原子可以连接4个原子或原子团,完全可以形成一个对称性结构。一个最为简单的例子就是甲烷,化学式为CH4,它的结构是对称的:碳原子在中间,氢原子在4个角,形成一个正四面体。然而生命中多数的碳原子连接的都是不一样的原子或原子团,多数情况下不具有旋转对称性,其镜像结构与原结构具有不同的化学性质。其中,结构上镜像对称而又不能完全重合的分子,称为手性分子。就如同左手和右手镜像对称却不能重合一样。

  手性分子可分为左手性分子和右手性分子,我们经常喝的乳酸,都是左手性乳酸,事实上绝大多数生命体内产生的乳酸都是左手性的,而且人体内只能代谢左手性乳酸。所以说,生命偏爱左手性乳酸。那么包含右手性乳酸的牛奶是否适合饮用呢?由于人体很难代谢右手性乳酸,所以如果人摄入过多的右手性乳酸,会引起代谢紊乱甚至酸中毒。

  构成生命最为基础的分子为氨基酸。它们同样具有4面体结构,而且每一种氨基酸同样可分为左手性分子和右手性分子。然而惊人的是,组成地球生命的氨基酸几乎都是左手性分子,而不是右手性分子。而且因为地球生命很难代谢右手性氨基酸,所以右手性氨基酸往往会对生命造成损害。

  综上所述,在分子水平上来说,生命是非对称性的。尽管大自然法则允许分子有左手性分子和右手性分子,但生命基本偏爱其中一种分子而不是另一种分子。可能是某种因素的作用,最终使得生命分子的对称性被隐藏起来了。

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  不对称的粒子

  在原子水平上,体现出来的仍然是非对称性。例如,最为简单的氢原子,它包含了一个具有负电荷的电子和一个具有正电荷的质子,质子和电子所携带的电荷彼此如此平衡,以至于电荷互相抵消掉,最终成为电中性,这看起来非常对称。

  然而,实现这种对称性的方式却是不平衡的。我们知道电子是一个基本粒子,但质子不是,质子是由3个夸克构成的。其中,电子的电荷为一1,而每个夸克携带的电荷则为+2/3或-1/3。每三个夸克结合在一起,形成一个具有+1电荷的质子,或零电荷的中子。所以说在最为简单的氢原子里出现了严重不平衡的现象:它的质子是复杂的,而电子是简单的,这说明氢原子也不是对称的。

  原子中的非对称性还体现在质量的分布上。当夸克聚到一起形成一个质子时,夸克是被能量极高的强核力限制到10-15米左右的空间里。强核力使得质子具有了很大的质量,大约是电子质量的2000倍。所以说在这个原子里,质量的分布是十分不均衡的,质量很轻的电子围绕着质量很重的原子核运动。

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  关于粒子世界还存在另一个非对称性现象。也就是说,在自然环境中,为什么没有由正电荷的电子和负电荷的原子核构成的反原子?我们知道,因为当物质与反物质相遇时,它们会彼此湮灭,并释放出高能的光子。所以如果宇宙的确是从虚无中诞生出来的,宇宙的物质和反物质应该是等量的,然后再彼此泯灭对方。然而我们的宇宙不具有这种对称性,在自然界中万物都是由物质而不是反物质构成的。即使在宇宙中的某些地方,例如在宇宙射线中可能存在一些反物质,它们的寿命也极为短暂,会迅速被湮灭掉。

  宇宙缺少反物质仍是一个待解决的物理问题,也许这来自于自然规律中某种内在的非对称性,尽管到现在我们都没有发现到。或者,最初的对称性被隐藏起来,只不过表现出来的与其本来面目不一样而已。

  不对称的星系

  那么对称性为什么会被隐藏起来?很有可能是稳定性的原因在起了作用。稳定性与对称性有一种特殊的关系,也就是说对称性的系统往往很不稳定。例如,当你在超市里推购物车时,把你的双手对称地放到购物车的把手上。尽管一切看上去都是对称的,但是购物车在运动中往往会偏向左侧或右侧。因为这个对称性的系统不是稳定的,即使最为细微的扰动就可能破坏这种对称性,例如你的右手比左手力量略微强了一些,就会导致了运动方向的偏离。

  另一个阐明稳定性与对称性的例子就是星系。

  牛顿力学告诉我们,万有引力的作用方向是处在径向方向上的,所以说引力对周围物体的作用是球对称的。对于只牵涉到引力的系统,一个很自然的推测是,引力会导致系统出现很多球体形状。例如太阳和月球,以及球形星系都是一个很好的例子。但是,大多数星系都不是球对称的,例如旋涡星系,它们大部分的物质都分布在一个平面上。如果我们只通过观测仙女座星系的话,我们会以为引力只在2维平面上具有对称性呢。那么为啥宇宙不喜欢球形星系呢?

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  球形星系所存在的问题是,它是极其不稳定的。如果要维持稳定性的话,里面的恒星和其他物质应该处在一种完美的球对称的位置上。这样,里面的星体出现偏离自己原来的轨道,它还会被再次拉回来,然后在原来的位置附近来回振荡直到完全稳定下来。不过现实情况是,星际物质分布并不能达到很完美的情况,而且即使暂时分布成球形,一旦受到外力干扰,例如受到其他星系的牵引,这种平衡就会被打破。在这种情况下,大自然会选择稳定性而不是对称性。也就是说不稳定的对称系统最终会变成稳定的非对称系统。对称性是被隐藏了起来。

  不过纵观整个宇宙,我们会发现宇宙中旋涡星系的旋转方向可以向着各个方向。所以说虽然每个旋涡星系不是球对称的,但在总体上来看宇宙是均匀对称的。

  墨西哥帽子

  我们可以用墨西哥帽子来说明对称性是如何隐藏起来的。把墨西哥帽子倒着放置,在帽子上放置一个小球,小球会很自然地滚到帽子的尖底里,可以说这个系统是稳定的,而且是旋转对称的。如果要把墨西哥帽子翻过来,正着放置,那么小球可以搁在帽子的尖顶上,对称性仍可以维持。不过帽顶上的小球是极不稳定的,小球很容易朝任意一个随机的方向滚下来,掉进帽子的帽檐里,不稳定的对称系统最终会变成稳定的非对称系统。

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  不稳定的对称系统最终会变成稳定的非对称系统,其实就是导致一些基本粒子具有质量的原因。这种原因是物理学家希格斯等人提出的,所以称为希格斯机制。

  具体地说,宇宙中所有空间中都充满某种场,称为希格斯场。希格斯场与真空能的关系如同墨西哥帽子一样,而小球代表着希格斯场的状态。当希格斯场为零时,如同一个小球处在墨西哥帽子的顶部,此时系统是对称的。根据相关理论,对称的系统就意味着,此时所有传递力的基本粒子的质量都是零。但此时真空的能量将会异常之高,就像小球最终会从顶部滚下来落到帽檐里一样,真空的能量最终变为最低值。当真空的能量达到最低的能量状态时,这种对称性就被隐藏起来了。这时希格斯场不再为零,一些基本粒子会跟希格斯场发生作用从而具有质量,例如传递弱核力(负责核衰变的力)的粒子就变得有质量了。

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  我们因非对称性而存在

  宇宙把对称性隐藏起来,对于我们人类的存在有着重大的影响。因为,如果不这样的话,也就没有我们人类存在了。

  例如,任何一个可以稳定存在的恒星系统,都应该不包含反物质的,否则会因湮灭而不复存在。宇宙也可能具有等量的物质和反物质,不过在局部中是不均衡的,我们凑巧生活在由大量物质聚集在一起的区域内。也许,宇宙某些地方也是完全由反物质构成的星系。同样,一个生物圈里如果有左手性分子构成的生命,也有右手性分子构成的生命,那么生物圈中的食物链很难稳定形成,所以在自然选择下,地球上的生命最终都选择了左手性分子。完全由右手性分子构成的生物圈也可能是存在了,也许在某个遥远的星球上,上面的生命都是由右手性分子构成的。

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  另外,如果传递弱核力的粒子质量为零的话,那么弱核力的作用强度将会与电磁力一样强。而弱核力控制着恒星中的氢聚变过程,如果弱核力与电磁力一样强的话,恒星中的氢聚变反应速度会异常之快,以至于在人类诞生之前,宇宙就会燃烧掉所有的恒星。所以可以说地球上能进化出智慧生命,这得感谢希格斯机制。

  所以说,“不稳定的对称性变为稳定的非对称性”是理解生命、宇宙以及万物的关键。

    
    

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