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✦ “上帝”设计自然界的原则 ✦ ✦ 阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过：“我希望知道上帝是如何创造这个世界的。我对这样或那样的现象，这个或那个元素的能谱不感兴趣，我希望知道上帝的思想，其余的都是细节。” ✦ ✦ 大多数物理学家致力于解释特定的现象，这本是应该的，但同时有一小部分具有上述精神的物理学家，他们有着更高的目标，他们进入未知的森林，寻找自然界的基本设计，并以极端的“自负”宣称他们已经看见了一部分。 在这个过程中，其实是有一个原则指导着物理学家们进行探索，这个原则就是 —— 对称性 symmetry。 H. Bondi 回忆说：“我记得最清楚的是，当我提出一个自认为能使人信服而又合理的建议时，爱因斯坦一点也不表示反对，他只是说 '啊，多么丑！’，当他遇到一个他认为丑的方程的时候，他只是对这个方程不感兴趣，并且不能理解为什么有人愿意花费那么多时间在它上面，他完全确信在理论物理学中寻找一个重要结果，美 —— 是一个指导原则。” “让我们首先来关心美，而真理会关照它自己的！”这就是基础物理学家们庄严的口号。 或许很多人认为物理学是精确的、有预测能力的科学，并不适合从审美角度考虑，但事实上审美已经成为当代物理学的一个推动力。 物理学家们已经发现了一件事实 —— 在本质层面上，自然界是被设计得很美的。 越接近本质层面，这一点体现得越明显。 那么，什么是对称性原则（原理）呢？ 对称性有狭义和广义之分。 狭义的对称性是指几何对称性，比如说我们的面孔、我们的身体、蝴蝶的翅膀…… 广义的对称性是指一个对象（或系统）经过某种（或一系列）转换之后仍然保持不变。  在可观测的宇宙中到处都能发现广义的对称。没错，对称是已知的宇宙基本原则。对称，无处不在，许多物理学家和数学家以及哲学家都将对称性看成基本设计原理，就连自然规律本身也是从中产生出来的。 对称性在外表看来毫不相干的物体、现象、理论……之间创造了美好的联系，就像南极和北极、偏振光、群论、宇宙结构、花瓶形状、量子物理、花瓣、海胆的细胞分裂、雪花、音乐和相对论…… 就连在遗传物质 DNA 的语言中，由四个核苷酸：腺嘌呤A、胞嘧啶C、鸟嘌呤G和胸腺嘌呤T所组成的 DNA 序列中，回文序列也扮演了重要的角色，例如：ATTGCICGTTA。 分子生物学发现，某些酶会以回文序列的对称中心当做识别点。回文结构（palindrome）是指：序列正读和反读是一样的，即有一个中心对称轴，从这个轴朝两个方向读序列是完全一样的。 常用于DNA重组技术及基因工程的第二类限制性核酸内切酶即是回文结构，比如EcoRⅠ和SmaⅠ。  EcoRⅠ  SmaⅠ 就连在音乐里，对称性原理也得到了重要的体现。巴赫的作品“赋格的艺术”，是刻画对称概念的好例子，这部作品中运用了另外一种对称形式：音符仿佛是水平线上的镜面反射，第 2 个声部就像是第 1 个声部的镜像。  巴赫 “赋格的艺术” 在以数学形式呈现的自然规律中，可以找到另一种抽象概念的对称，比如清楚表达物理量之间关系的方程式，这些方程式是在描述物理系统的状态以及变化，通过少数的规则就能描述浩瀚的可观测宇宙，单单是这一点就体现了一种与众不同的智慧魅力。麦克斯韦方程和爱因斯坦的相对论方程便属于其中的佼佼者。 关于自然规律的对称性，我们可以提出这些问题，比如说，我们可以对这个世界做哪些类型的改变，但却不会改变那些描述现象的定律，自然定律在哪些变换下仍然会保持不变，第 1 个也是最简单的改变，就是位置的转移，在北京成立的自然规律无论是搬到塔克拉玛干沙漠，还是搬到月球上，都一样成立。 而且宇宙中并没有独特的方向，我们可以说自然规律对于所有的方向的所有的坐标系都是对称的，就连相对论也是个伟大的对称的概念，它建立了时空连续体系的完整对称性，不管观察者是否正在做加速运动。 数学上则有更多的对称，比如说几何中的对称概念，如果有个动作能使两个几何结构互相映射，那它们就是彼此对称的。镜面对称就是一个例子，另外还有点对称，轴对称，旋转对称，平移对称等等 如果说 a 大于 b ，那么就有 b 小于 a ，这是一种数量上的对称。 加法和减法也是一种对称，乘法和除法也是一种对称，这是规则上的对称 …… 氧化反应和还原反应也是一种对称，这是过程上的对称 …… 无法一一列举，总之，对称无处不在，如此重要的原则，如果不用于指导我们思考，实在是太浪费了。 从 1606 年利玛窦与徐光启翻译完成几何原本前六卷算起，科学传入中国已经整整 400 多年，但遗憾的是科学在中国一直没有扎根，因为我们始终把科学作为提高生产力的手段，而忽略了它文化上和哲学上的一面。  几何原本 包括在出版界，我们出版的大多数传播科学的著作，仅限于讲述具体的科学知识，对“科学的灵魂是什么”这类问题基本上很少涉及。 这就造成了一个后果，中国人学习科学就像外国人学习京剧一样困难，这里不是简单的指科学知识，而是指科学的精神。 科学的灵魂在于追求自然界的美。 在这一点上科学与艺术是相近的，只不过是它们追求的层次不同，手段也不同，艺术，靠感官直觉体验自然和社会的美，是形象的美，而科学则靠抽象思维体验自然包括社会的本质的美，是抽象的美。 有趣的是，不论是抽象的美还是形象的美，都讲究平衡与对称。事实上，对称已经成为现代科学尤其是物理学的基本美学原则之一，因为对称意味着不变，不变意味着规律，而在千变万化的自然现象中揭示不变的规律正是科学最本质的追求。 |
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