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物理学的美学准则  生物工程 刘菲 031404013 物理的《美》 简单美 对称美 统一美 * “稻花香里说丰年，听取蛙声一片”，无人不为这句诗词所描绘的大自然的美景而感慨。自然界的美通常意味着一种和谐匀称的景象，物理学也不例外，不过作为描述自然界中物质基本结构和运动规律的一门学科，它的美更朴实。这里要说的是：什么是物理学中的美，即物理学中的美学准则是什么，它们在物理学中发挥怎样的作用？ 自然界的现象是错综复杂的，然而背后隐藏的规律确是简单的。物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底只有少数几条基本的假定：经典力学建立在牛顿三定律之上，电动力学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上，狭义相对论建立在狭义相对性原理与光速不变假定之上……这些简单的假定是从大量的自然现象和物理实验中抽取并提升出来的，然而，建之于上的物理理论反过来却能解释几乎所有的自然现象，并在生产实践中得到广泛的应用，极大的推动生产力的发展。 有两个理论，几乎能解释同样多的事实，谁简单，物理学将选择谁。 考虑一个简单的问题，为什么人们最初都认为太阳及其它行星围绕地球转，而不是行星（含地球）围绕太阳转？这也是出于简单性的考虑：人们最初天文知识少，只能通过肉眼观察；太阳朝起夕落，认为太阳及其它行星围绕地球转自然是方便的事情。但是随着技术的进步，人们的天文观测越来越精密，为了解释“太阳系”的许多现象，如地球的四季变化，日食和月食，土星、木星位置的异常变化等，伟大的几何学家托勒密在前人的基础上创立了严密的“地心说”，解释了当时的绝大部分观察现象。 “地心说”的基本要义是：（１）地球是圆的，静止地位于宇宙的中心；（２）太阳及其它行星绕地球转动，基本轨道（称为１级轨道）是圆周，一般来说，太阳或行星并不恰好处于１级轨道上，而是绕１级轨道上的点作半径更小的圆周（称为２级轨道）运动。这样，整个“太阳系”就像一个齿轮嵌套体系：１级轨道是一些大齿轮，２级轨道是一些较小的齿轮，大齿轮传动小齿轮。最初齿轮数目还不多，但随着观察水平的提高，托勒密又不得不在小齿轮上套上更小的齿轮，越套越多，最后竟达８０个之多。 面对着这么多的齿轮，天才的哥白尼站了出来，说：“不，太阳系应该是简单的！我们若将太阳和地球换个位置，托勒密的齿轮至少能扔掉一半以上，太阳系也就变得井然有序了。”这就是“日心说”，物理学最终选择了它。试问：从相对运动的观点来看（不考虑动力学的原因），选择地球为参考系和选择太阳为参考系，没有理由说谁更优越，为什么要抛弃“地心说”而承认“日心说”呢？两个字：简单——“日心说”后经开普勒的改造只剩三条定律，但太阳系各行星运动规律尽在其中。 　很早以前，古希腊人就认为球是最完美的图形，为什么？因为它分别具有旋转对称、镜像对称和中心对称，均属于直观上的几何对称。物理学中的对称则有更加深刻的含义，它是指某类对象的全体（在数学上通常称为集合，用Ｓ标记）在某种操作（数学上称为变换，用Ｔ标记）下不变的性质。 也就是说，有一种法则，集合S中的任意一个元素根据这一法则，都可以在S中找到一个与之相对应的元素。用我们高中学过的知识，这个映射的象集与原象集是一样的，即都为集合S。 每一种对称性总伴随着一个守恒量（诺德尔定理）：空间平移对称导致动量守恒；时间平移对称导致能量守恒；空间旋转对称导致角动量守恒；电荷共轭对称导致电量守恒；空间镜相对称导致宇称守恒…… （早先的理论认为，物理定律在空间反射的情况下是不变的，这被称为“宇称守恒”。宇称守恒可以简单理解为，基本粒子在照镜子时，其镜中的像与粒子具有对称性。 ） 　近五十年来，粒子物理与场论飞速发展，对称性的指引在其中起了决定性的作用。在粒子物理中，物理学家根据对称性预言并发现新粒子，正电子、欧米格负粒子和顶夸克等就是极好的例证。在场论中，“对称决定相互作用”：杨振宁和米尔斯根据某种对称性提出了著名的杨－米尔斯场论，该理论的变换群决定了无质量的粒子（称为“规范玻色子”）的数目和性质，规范玻色子在粒子之间来回跳舞就产生了相互作用，不同的玻色子决定不同的相互作用，如光子决定电磁相互作用，Ｗ或Ｚ玻色子决定弱相互作用，胶子决定强相互作用，据推测引力相互作用是由引力子决定的（未证实）。 对称是美好的，然而在物理学中却发生了一些奇特的事情：杨振宁和李政道提出弱相互作用中宇称不守恒并为吴健雄所证实；宇宙中正物质显著的多于反物质；一些科学家进而提出，这可能是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷宇称不守恒，导致当初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质形成了我们所认识的世界。用杨－米尔斯场论产生有质量的粒子需要引进一个非对称的希格玛场。这些事实都要求对称性自发破缺，自发破缺的机理是什么？这或许是