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清晨，当你看着镜子的时候，朝着镜子中的自己微笑，镜像也会朝你微笑。在日常生活中，我们很容易将这种对称效应视为是理所当然的现象；但对于理解和预测宇宙的运作机制来说，对称性是一个至关重要的概念。 那么，当我们在物理中谈论对称性时，谈论的究竟是什么？想象你置身于一片沙漠之中，那是一片均匀的荒芜之地，无论朝哪个方向看去，看到的景色都一样。在物理学中，这种一样的景致就意味着一种对称。更具体的说，我们可以将对称描述为这样一种变换，在对一个系统进行了该项变换之后，系统仍然维持不变。以空间平移为例，如果将一个系统移到空间中的另一个点上，并且该系统的所有相关条件都随之移动，那么这个系统将继续以相同的方式运作。换句话说，物理定律不受空间平移的影响。同样，对时间平移而言，系统可以在任何时间点上移动，且它的物理性质也会保持不变。自然界中最基本的物理定律也应该是对称的，无论在任何时候、处于宇宙的任何地方，这些定律都不变。例如时间对称性向我们证实了——能量既不能被创造，也不能被毁灭，因为无论你处于哪个时间点，宇宙中总能量是不变的。同样，空间平移的对称性则直接导致了动量守恒。而这正是对称的美之所在——它通过揭示自然的参数来定义这个世界。如果自然不是由对称主宰，那么我们生活的世界将一片混沌——一切事物都变得不可预测，亦不可重复。1915年，数学家 埃米·诺特用一个惊人的定理描述了对称与宇宙机制的关系。诺特定理指出物理学中无处不在的守恒定律实际上是宇宙中各种对称性的表现。例如，能量之所以守恒是因为物理定律不管是在今天还是一亿年以前都是一样的；动量之所以守恒是因为不管在地球还是火星上动量都完全相同。| 图片来源：《时间专栏》但是，如果宇宙遵循的是对称原则，为什么自然界中又有如此多的不对称呢？在一些外部因素的影响下，一个系统的状态可能表现出隐藏的对称性，但它的基本物理定律仍然是对称的。例如当建筑物、道路、树木出现在那片均匀的沙漠中时，每个方向看起来便不再相同，然而这种情况下，潜在对称性其实仍然存在，只是系统的状态打破了这种对称。因此，虽然太阳的引力场是球形对称的，但像水星这样的行星仍可以沿着在邻近行星的引力扰动下而改变形状的椭圆轨道运行。物理学家还发现，不是所有的对称一样。当他们进一步观察微观世界中的粒子相互作用时，发现了一些令人费解的违反对称性的现象。现在我们知道，这类违反是一组全然不同的对称群——局域对称性，它们能影响某些相互作用。局域对称性与那些在时空中的任何一点都成立的对称性不同。在现代物理学中，局域对称性是粒子物理学标准模型的基石。标准模型描述了支配万物的三种基本力——强核力、弱核力和电磁力。随着我们对粒子物理学的研究越来越深入，我们发现了越来越多的对称性。每一种对称性都揭示了自然界中的一些隐藏在最基本的相互作用背后的信息。最后，我们或许会找到一个能够将四种基本力（包括引力）都统一在一个框架下的理论。我们无法确定是否存在这样一种理论，但探索新的对称性或许能继续发挥深远的作用。 
文：原原 / 图：岳岳
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