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縱覽網丨從基本粒子到對稱破缺:物理學揭示世界運行的簡明法則

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這個世界是如何運行的?

現在物理學給出了一個非常簡潔的答案,總共就三句話,

第一句話:地球上所有常見的自然現象都是由電磁力和引力驅動的。

我們都知道,總共有四種基本作用力,其中強力和弱力只在原子核里面起作用,在地球上只有核武器、放射性或者高能物理實驗室這些極端的環境才會用到強力和弱力,其他地方都是有電磁力和引力主宰的。



我們講過生活中你見過的所有類型的力,除了重力以外,其他的力歸根結底都是電磁力,比如說,拉力、彈力、摩擦力、支持力、浮力,本質上都是電磁力。

聲音、電、磁、光、顏色、熱傳遞、化學反應,歸根到底也來源于電磁力。

風雨雷電、地震、火山爆發等所有自然現象都是在電磁力和引力的驅動下進行的,電磁力和引力的數學公式是這樣的,電磁力對應著量子電動力學公式,引力對應著廣義相對論公式。



我們初中,高中,大學學的幾乎所有的物理理論都在以上這兩個公式里。

比如說歐姆定律,福利公式,杠桿原理,牛頓運動三大定理,麥克斯韋方程,薛定諤方程等等,通通都在這兩個公式里面。

地球上所有物質的運動都必須嚴格遵守這兩個公式。因此地球上所有的現象都是由電磁力和引力驅動的。我們可以進一步思考一下,上次我們講過自然法則必須用嚴格的數學來描述,你說這兩個公式像不像近似簡略版的“自然法則”?



第二句話,地球上所有穩定存在的物質都是有上夸克、下夸克、電子三種基本粒子組成的,沒有其他東西,只有這三種基本粒子(才能組成穩定存在的物質)。



第三句話,對稱破缺造就了這個多姿多彩的世界。

我們都知道,物理學是化學的基礎,化學是生命科學的基礎,生命科學是社會學的基礎。

那你有沒有思考過這些學科之間是怎么連接起來的呢?

其實,現代科學對這個問題還沒有共識,有一種主流的答案是:對稱破缺。

什么是“對稱破缺”?

當外界環境的變化達到一定閾值就會出現“臨界點“,系統會由原來的“高對稱”變成“低對稱的穩定有序狀態”。



簡單來說,“對稱破缺”就是馬克思說的“量變引起了質變”,馬克思是用模糊的哲學語言來描述的,但是“對稱破缺”是用精確的數學語言來描述的。

舉個例子,水蒸氣凝結成水、水又結冰就是兩次因為溫度變化而發生“對稱破缺”的過程。因為在冰里面水分子移動“整數格”后冰能保持不變(對稱),但是在水蒸氣里面,水分子移動“任意距離”后,水蒸氣都能保持不變(對稱)。比如說移動半格、1/3格都行。



因此,水蒸氣比冰有更高的空間連續平移對稱性。水蒸氣里的分子是雜亂無章的但是冰里面的分子排列比較有秩序,因此水蒸氣冷卻成冰是犧牲了連續平移對稱性,換來了更加有秩序。像這樣的例子還有很多很多很多,比如說時間繁衍對稱破缺產生了磁鐵的有序結構,相位對稱破缺產生了超流體等等。

總之一句話,對稱破缺能讓系統變得更加有秩序。

物理學最大的一個分支是凝聚態物理,凝聚態物理連接著物理學、化學、生命科學和材料學。凝聚態物理的奠基人anderson說過對稱不能連續變化是凝聚態物理的第一定理,因此凝聚態物理的核心是“對稱破缺”,所以對稱破缺是物理學化,學生科學和材料學之間的橋梁。



舉個例子,碳/氫/氧原子的對稱性要高于氨基酸,于是在特殊條件下碳/氫/氧原子會“對稱破缺”到更有秩序的“氨基酸”,氨基酸的對稱性要高于蛋白質,于是在特殊條件下,“氨基酸”也會對稱破缺到更有秩序的“蛋白質”,就這樣從物理學的化學再到生命科學,對稱性不斷降低,但是越來越復雜,越來越有秩序。



這同時也解決了另外一個重大的問題,我們都知道,物理學里面有很多放之四海皆準的理論,比如說能量守恒定律,動量守恒定律在哪里都正確,但是化學里面(幾乎)沒有一個統一的理論或公式,化學里(幾乎)所有的理論都有“例外”,比如說元素周期律經常出現例外,再比如有馬氏,也有反馬氏,有芳香性,也有反芳香性等等。



化學理論充滿了各種“例外”。生命科學和社會學就更慘了,靠譜的(統一性的)理論都沒幾個,為什么從物理學到社會學統一性的理論越來越少?

就是因為從物理學到社會學,對稱性不斷破缺,對稱性越來越低。以前我們講過諾特定理,對稱和守恒一一對應,對稱性越低“守恒性”就越差,理論的適用范圍就越小,所以生命科學和社會學的理論準確率都不高。

宇宙大爆炸的起始點對稱性極高,之后對稱破缺成了四種基本作用力之后電磁力繼續破缺形成了“凝聚態物理”,而“凝聚態物理”又連接著化學和分子生物學,就這樣從宇宙大爆炸開始一層層的對稱破缺下去,就形成了我們這個多姿多彩的世界。



從物質角度觀察,上夸克、下夸克和電子組成了地球上所有常見的物質;從能量角度觀察,“電磁力和引力”驅動著地球上所有常見物質的運動;從信息角度觀察,對稱和對稱破缺一層層的塑造了這個多姿多彩的世界。

這個世界是如何運行的?這就是現代物理學給出的答案!

當然了,在這篇文章中我們只分析了地球上常見的物質和常見的現象,因此這三句話只是簡略版的答案,如果擴展到宇宙所有的物質和所有的現象就需要完整版的答案。

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