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科学与人文 多者异也 破缺的对称性与科学的层级结构 安德森 编者按：本文原名为More Is Different: Broken Symmetry and the Nature of the Hierarchical Structure of Science”, 载Science, 177 (4047): 393－396。作者安德森（Philip W. Anderson，1923－），为著名凝聚态物理学家，曾获1977年诺贝尔物理学奖。郝刘祥译。 纵观20世纪科学的发展，人们可以看到两种潮流；鉴于缺乏更好的术语，我姑且称之为“内涵（intensive）研究延（extensive）研。简言之：内涵研究探求基本，而外延研究致力于按照已知的基本定律来解释现象。当然，这种区分并非没有含混之处，但就大多数情形而言还是很清晰的。固体物理学、等离子体物理学，或许还包括生物学，都属于外延研究。高能物理学，以及核物理学中相当的一部分，都属于内涵研究。相比于外延研究，内涵研究总是要少得多。新的基本定律一旦被发现，将其应用到迄今尚未解释的现象上来的研究活动便会蜂拥而至。因此，基础研究有两个维度。科学前沿，从必威体育精装版的内涵研究，刚刚从近期内涵研究中出来的外延研究，一直延伸到基于过去数十年内涵研究的广阔丰富的外延研究。 μ），其负向指向金字塔的顶端。当时这在我看来不可思议，因为在我所学到的东西中，没有哪样事物有一个电偶极矩。教我们核物理的教授的确证明过，任何核都没有电偶极矩；鉴于他的论证基于空间和时间的对称性，该论证就应该是普遍成立的。 不久我就明白了，事实上该论证是正确的（更准确地说，是并非不正确），因为他的表述很谨慎：任何处于定态的系统（即不随时间而变化的系统）都没有电偶极矩。如果氨分子的初态是上述非对称态，那么它不会长时间停留在那个态上。由于有量子隧道效应，氮原子会逃逸到氢原子三角形平面的另一侧去，从而将金字塔颠倒过来；事实上，这发生得非常快。这就是所谓的“反转”，其频率为3×1010每秒。真正的定态只能是非对称金字塔与其反转的平权叠加。这个叠加态确实没有电偶极矩（我要提醒读者，这里是高度简化的说法，详细内容请查阅教科书）。 我不打算在这里给出证明，但结论是：一个系统的态，如果是定态的话，其对称性必然与支配它的定律相同。理由很简单：在量子力学中，除非为对称性所禁戒，从一个态转变为另一个态的路径总是存在的。因此，如果我们从任意一个非对称态出发，系统都将跃迁到其他的态；唯当我们将所有可能的非对称态以对称的方式叠加起来，我们才能得到定态。在氨分子的情形，所涉及的对称性就是宇称——左手性与右手性的等价（基本粒子实验物理学家所发现的特定的宇称破坏与此不相关：那些效应太微弱了，影响不到普通的物质）。 在看到氨分子没有电偶极矩、从而满足我们的定理之后，我们再来看看其他的情形，特别是那些越来越大的系统，看看它们的态与对称性是否总是相关。由更重的原子构成的类似的金字塔形分子是存在的。磷化氢PH3是氨分子的两倍重，也反转，但频率仅为氨分子的1/10。氢原子被重得多的氟原子所取代的三溴化磷分子PF3，在可测的水平上没有观测到反转，尽管理论上这种反转会在适当的时间间隔内发生。 接下来，我们可以看看更复杂的分子，比如由大约40个原子构成的糖分子。对于这样的分子，我们不再期待他们会反转。生命有机体所制造的每个糖分子都是同一螺旋方向的，但无论是量子隧道效应，还是常温下的热扰动都不能使之发生反转。在这里，我们必须忘掉反转的可能性，同时抛开宇称的对称性：对称性定律不是被废除了，而是已经破缺了。 另一方面，如果我们用化学方法在热平衡状态附近合成糖分子，我们将发现，平均来看，左手分子与右手分子一样多。在复杂性不超过自由分子集合体的情形下，对称性定律总体说来从不会遭到破坏。我们需要生命物质来产生生命世界中实际的不对称。 在确实很大、但仍然是无生命的原子集合体中，可以发生另一种对称破缺，从而产生净偶极矩或净旋光强度，或是两者。许多晶体在每个基本胞腔内都有净偶极矩（焦热电），在有些晶体中，这个偶极矩可以被磁场反转（铁电）。这一非对称性是晶体寻求最低能态的自发效应。当然，反向偶极矩的态也存在，并且按对称性有同样的能量，但系统太大了，以至于任何热效应或量子力学效应都不能使之在有限时间内（相对于宇宙年龄而言的）从一个态转变为另一个态。 这里至少可以得出三个推论。其一，对称性在物理学中极端重要。所谓对称性，意指存在不同的视角，使得无论从哪个视角来看，系统都是相同的。说物理学就是关于对称性的研究，虽有一点夸张，但也不是那么过分。牛顿或许第一次展示出了对称性观念的威力，他可能向自己提出了这样一个问题：如果我们身边的物质与天空中的物质服从同样的定律会怎样？也就是说，如果空间和物质是同质的和各向同性的会怎样？