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清晨，當你看著鏡子的時候，朝著鏡子中的自己微笑，鏡像也會朝你微笑。在日常生活中，我們很容易將這種對稱效應(yīng)視為是理所當然的現(xiàn)象；但對于理解和預(yù)測宇宙的運作機制來說，對稱性是一個至關(guān)重要的概念。 那么，當我們在物理中談?wù)搶ΨQ性時，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，無論朝哪個方向看去，看到的景色都一樣。在物理學中，這種一樣的景致就意味著一種對稱。更具體的說，我們可以將對稱描述為這樣一種變換，在對一個系統(tǒng)進行了該項變換之后，系統(tǒng)仍然維持不變。以空間平移為例，如果將一個系統(tǒng)移到空間中的另一個點上，并且該系統(tǒng)的所有相關(guān)條件都隨之移動，那么這個系統(tǒng)將繼續(xù)以相同的方式運作。換句話說，物理定律不受空間平移的影響。同樣，對時間平移而言，系統(tǒng)可以在任何時間點上移動，且它的物理性質(zhì)也會保持不變。自然界中最基本的物理定律也應(yīng)該是對稱的，無論在任何時候、處于宇宙的任何地方，這些定律都不變。例如時間對稱性向我們證實了——能量既不能被創(chuàng)造，也不能被毀滅，因為無論你處于哪個時間點，宇宙中總能量是不變的。同樣，空間平移的對稱性則直接導致了動量守恒。而這正是對稱的美之所在——它通過揭示自然的參數(shù)來定義這個世界。如果自然不是由對稱主宰，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，亦不可重復(fù)。1915年，數(shù)學家 埃米·諾特用一個驚人的定理描述了對稱與宇宙機制的關(guān)系。諾特定理指出物理學中無處不在的守恒定律實際上是宇宙中各種對稱性的表現(xiàn)。例如，能量之所以守恒是因為物理定律不管是在今天還是一億年以前都是一樣的；動量之所以守恒是因為不管在地球還是火星上動量都完全相同。| 圖片來源：《時間專欄》但是，如果宇宙遵循的是對稱原則，為什么自然界中又有如此多的不對稱呢？在一些外部因素的影響下，一個系統(tǒng)的狀態(tài)可能表現(xiàn)出隱藏的對稱性，但它的基本物理定律仍然是對稱的。例如當建筑物、道路、樹木出現(xiàn)在那片均勻的沙漠中時，每個方向看起來便不再相同，然而這種情況下，潛在對稱性其實仍然存在，只是系統(tǒng)的狀態(tài)打破了這種對稱。因此，雖然太陽的引力場是球形對稱的，但像水星這樣的行星仍可以沿著在鄰近行星的引力擾動下而改變形狀的橢圓軌道運行。物理學家還發(fā)現(xiàn)，不是所有的對稱一樣。當他們進一步觀察微觀世界中的粒子相互作用時，發(fā)現(xiàn)了一些令人費解的違反對稱性的現(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性與那些在時空中的任何一點都成立的對稱性不同。在現(xiàn)代物理學中，局域?qū)ΨQ性是粒子物理學標準模型的基石。標準模型描述了支配萬物的三種基本力——強核力、弱核力和電磁力。隨著我們對粒子物理學的研究越來越深入，我們發(fā)現(xiàn)了越來越多的對稱性。每一種對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，我們或許會找到一個能夠?qū)⑺姆N基本力（包括引力）都統(tǒng)一在一個框架下的理論。我們無法確定是否存在這樣一種理論，但探索新的對稱性或許能繼續(xù)發(fā)揮深遠的作用。 
文：原原 / 圖：岳岳
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