《可怕的对称》：现代物理学中美的探索

2017-7-20 09:07| 发布者: 采编员| 查看: 430| 评论: 0|原作者: 曾星智|来自: 新浪博客

摘要: 《可怕的对称》：现代物理学中美的探索笔记/曾星智，一个跨学科思想的专业投资者，公众号：ztouzi 　　爱因斯坦相对论的世界里，对称是世界完美的展现方式，对于金融市场来说，也即平衡是市场完美的运行规律。这种 ...

《可怕的对称》：现代物理学中美的探索笔记/曾星智，一个跨学科思想的专业投资者，公众号：ztouzi 　　爱因斯坦相对论的世界里，对称是世界完美的展现方式，对于金融市场来说，也即平衡是市场完美的运行规律。这种意义上的“对称”，与“负反馈”非常相似，也即，当朝着一个方向的运动逐渐扩大时，它同时也就积聚了同样大的朝着反方向拉回的力量。在金融市场上来说，也即是，当长期发生上涨运动时，它也就同时产生了“负反馈”的力量，使得它要朝反方向运动（下跌），从而回到平衡或者说对称。　　但是，中微子的出现打破了相对论的完美对称世界，当它以最大的速度运行时，没有出现另外超过它的速度的物质，可以使它变成向右运动。以金融市场为例，也即是说，市场在大多数的情况下，是以完美的对称的形式进行运行的，它走的是“负反馈”的路线。但是，在某些情况下，正如中微子的出现打破了相对论的统治一样，“正反馈”系统也会促使市场出现远离平衡或者说远离对称的情况：市场的上涨带动了新的上涨，下跌带来了新的下跌。　　传统的金融市场认识，就像相对论统治的理论物理学一样，人们想象不到不对称的出现，而金融市场也不愿去认可现实中无数的不确定性的事件。也许，这就是对称的“可怕性”所在，它使人迷恋于对称的完美，而不愿意去承认现实的偶尔不对称。对于金融投资来说，你当然可以利用“负反馈”的对称思维来盈利，但也可以利用“正反馈”的不对称方式来投机。毕竟，在金融市场上，中微子无处不在，它随时可能出现在你最意料不到的地方，只要你有足够的耐心去等待。 1、物理学是最最简约的科学　　“但物理学家的简单指的是什么呢？　　“在向着简单性的行进中，物理学总是大刀阔斧的。物质学之所以成为物理学是因为能从各种复杂现象中找出简单本质。　　“……物理学家大约从1928年开始，并在50年代早期完成了电子与光子间相互作用的现代理论。彻底理解电子与光子的相互作用已经有30多年了，然而，还是有人禁不住要问，为什么这两种基本粒子要以这种特别的方式相互作用呢？这个问题也已经得到回答，物理学家们现在知道，电子和光子的这种相互作用完全是由一种叫做规范原理的对称性原理确定的，这种原理遍及整个自然。显然，物理学家现在又开始接着问，自然为什么要这样敬重规范原理呢？当代物理学在这里停住了，这个问题实质上相当于问为什么会有光。对此所作的讨论都融成了一团充满各种推测和沉思的迷雾。　　“在一些为什么取代了另一些为什么时，物理学就已经取得了不小的进步：一个为什么取代了许多个为什么。我不仅能用电子-光子作用理论来解释春天草木的青翠，而且还能用它来解释弹簧的伸长，更不用说激光和晶体管的行为了。事实上，几乎所有我们直接感受到的现象都可以用电子与光子间的相互作用来解释。　　“物理学是最最简约的科学。……当代物理学正着手向进一步的简化进步。我们对自然探究得越深，她就越显得简单。这个结果确实是惊人的。因为并无先置的理由使我们能期望，这个包含极多迷惑人的复杂现象的宇宙，最终只是由几个简单的规则支配的。”（P20-21） 2、中微子，以及宇称有选择地不守恒　　“如果我就自然设计是否具有左右对称，对大街上的行人进行民意测验的话，我推测，除了‘不知道’和‘不关心’这类让测试人烦恼的回答外，至少也还有几个人会回答‘或许没有’。然而，直到1956年，物理学家们一直把自然不区分左与右当成是理所当然的。19世纪的物理学家曾经将这一信条提交实验验证，一直都没有发现自然偏爱左或偏爱右的迹象。20世纪的前几十年，随着原子物理学和核物理学的诞生，宇称不变性的假定也得到了若干实验的验证。直到1955年前，宇称不变性还被当成物理学家所热爱的几个神圣原则之一。物理学家们不愿意设想自然会偏爱左或者偏爱右。认为自然会接受像社交界女主人要把尊贵客人的位子安置在右边这样一类毫无道理的习俗似乎是荒唐的。但物理学界随后就被震撼了。　　“……事后看来，宇称不守恒，即自然要区分左与右的说法确实是摆脱困境的自然出路。然而，自然是左右对称的这样一种观念牢牢地占据了物理学家的头脑，宇称不守恒被他们认为是回答这个神秘问题的最不可能的一个答案。”（P34、P35）　　“李政道和杨振宁的基本观点是，自然在她的很多定律中是尊重宇称的，但在支配粒子间弱相互作用的定律中却不是这样。想想我们法律体系中的一个基本原则，被告在被证明有罪以前被假定是无罪的，判决也只是对某些罪而言的，对另一些罪则不成立。就像司法哲学家肯定会在这种观念面前畏缩一样，物理学家也认为自然有选择地冒犯宇称，在哲学上是相当使人难堪的。”（P35）　　“宇称不守恒的发现深刻地改变了我们原先对自然的看法，我们对物理世界的理解产生了即时和深远的影响。宇称不守恒被证明是建立一个弱相互作用理论所必须的、被遗漏了的部分。　　“……在1933年，泡利（Wolfgang Pauli）提出，有一种至今还不知道的粒子，它既不参与强作用，也不参与电磁作用，因而带走了丢失的能力逃脱了检测，像一个穿黑衣的窃贼一样消失在黑夜之中。这种神秘的粒子后来被取了一个意大利名字‘中微子’（neutrino），是第一个在实验发现它之前就已经被预言存在的粒子。　　“泡利推算出中微子具有奇特的性质。在量子物理中，人们谈论的是几率。由于据推测，中微子只通过弱力参与相互作用，它与它遇到的电子或核相互作用的几率是非常小的（这就是弱力被称为弱力的真正原因）。知道了弱力有多弱后，泡利得出结论，一个中微子可以像幽灵一样穿过整个地球而不与之发生相互作用。反过来，我们这些有血有肉的人就不能穿过一道墙，因为我们身体里的原子肯定会与墙中的原子发生电磁相互作用。”（P41、P42）　　“经过进一步的立案侦察，理论物理学家可以认定，四处逃避的中微子是应对侵扰宇称‘负责’的罪犯。　　“……螺旋性，或者说手征，只有对于一个无质量粒子才能被定义成一个内禀性质。为什么不能定义一个有质量粒子的手征呢？假定我们看到一个有质量粒子沿某个方向运动，譬如说，向东运动。对于一个向东运动的速度比这个粒子更快的观察者来说，这个粒子是向西运动的。由于手征描述的是旋转与运动的相对方向，所以我们和那位向东运动的观察者对于这个粒子的手征的看法就不一致。相反地，像中微子那样的无质量的粒子总是以光速运动，按照爱因斯坦的相对论这是所可能的最大速度。既然没有一个观察者的速度能超过一个无质量的粒子的速度，无质量的粒子的手征就是一个内禀性质。例如，无质量的光子既可以是左手征的也可以是右手征的。如果自然尊重宇称的话，所有粒子都应有两种手征的。但实验确实表明，中微子还有一个古怪的性质：它总是左手征的。中微子被当场捉拿住了！30年来，实验物理学家一直在寻找右手征的中微子，但总是徒劳无功。　　“……我已经提到过，尽管物理学家们为宇称不守恒所震荡，但宇称有选择地不守恒使他们受到的震动更强烈。在对中微子提出了指控之后，这种选择性在一定程度上变得可理解了，因为中微子只参与弱相互作用（还有引力作用）。”（P44-45）　　“宇称破坏尽管出人意料，但就所‘看到’的每一个中微子都是左手征的而绝没有右手征的这种意义而言，它是普遍的和绝对的。在违背宇称不变性时自然所表现出的明晰的确定性，终归还是使某些理论物理学家得到了某种安慰。然而，让人烦恼的是，自然显得有些懒散，她只是隔很长一段时间才干一点违背CP不变性的事，弄得那些好探究别人隐私的物理学家们不知所措。”（P51） 3、对称和守恒　　“……她一直在研究那些在对称变换下保持不变的作用量。这种类型的作用量显然应有一些特殊的性质，但会是些什么性质呢？　　“这里区别一下像旋转那样的连续对称和像宇称那样的分离对称是很有益的。就如其名字所暗示的那样，与连续对称相应的变换是可以连续地改变的。对于旋转对称，我们可以连续地改变旋转角。然而，对于宇称对称，只有一个反射变换和一个不变变换。　　“凭着灵感，诺特尔（Amalie Emmy Noether）意识到，作用量的每一种连续对称性都将有一个守恒量与之对应。对称和守恒这两个物理学家所钟爱的概念事实上是联系在一起的！”（P127）　　“利用诺特尔的定理，人们发现，如果物理定律不随时间变化，能量就守恒。用更技术性的语言，这个条件就是，在时间漂移（或用正确的术语‘平移’）下作用量保持不变。而这正是我们对物理定律所作的要求。我们要求昨天、今天和明天的物理学都要是一样的。　　“通过考虑一个能量看起来好象不守恒的简单例子，我们就很容易理解能量守恒所需满足的条件。想象在操场上有一个秋千，大人将坐着小孩的秋千推送出去。你可以说，在小孩看来物理定律是随时间变化的。小孩‘感到’作用在秋千上的力在变化，当然觉得能量不守恒。但这不过是因为我们把着眼点放在秋千的运动上了。当我们考察由秋千、大人和地球构成的一个更大的系统时，能量当然是守恒的。　　“关于动量守恒，诺特尔的定理说了些什么呢？它说，如果作用量在空间平移下保持不变，动量就守恒。用通俗的话说就是，如果物理学在这里、那里，在所有地方都一样，动量就守恒。让我再次用一个简单的例子来作说明。假定我向一小山滚一个球，当球爬上斜坡时它失去了动量。动量看起来不守恒。这同样是因为我们只把着眼点局限在球上。这个球所‘感受到’的物理定律确定是随空间变化的，依赖于它是否在斜坡上。事实上，当我向一个方向滚球的时候，借助于使我附于地球的重力和由此产生的摩擦力，我也使得地球在朝相反的方向运动。当球爬上斜坡慢下来时，地球向相反方向运动的速度也减慢了，整个系统的总动量是守恒的。　　“另一个基本守恒定律说，角动量是守恒的，奥林匹克花样滑冰比赛中的一个动作最精巧地说明了这一定律。当一个滑冰运动员收回她的手臂时，角动量守恒定律要求她转得更快。诺特尔的定理揭示，角动量守恒是由于空间的旋转不变性。不管这个滑冰运动员面向哪一个方向，物理定律都是一样的。　　“能量、动量和角动量守恒是学习物理时最先遇到的几个定律。它们共同支配着从星系的膨胀到电子绕核旋转的物理世界中每一事物的运动。很多年来，我都没有问过这些守恒定律来自何处，它们似乎是如此基本，以至不需要作任何解释。后来，我听说了诺特尔的灵感，这给我留下了深刻的印象。这些基本守恒定律是来源于物理学在今天、昨天和明天；这里、那里和所有地方；东方、西方、南方和北方都一样的假定，这一启示对我来说，就像爱因斯坦所说的那样，实质上是来自精神的。　　“这个特别的启示是我的物理生涯中最值得纪念的。我一直为人类智慧对自然的理解力所吸引，但很少遇到像诺特尔那样的灵感。这些灵感使我快乐、敬畏和动情，因为作为绝对真理，它们既深刻又简单。另一方面，作为一个物理学家，我并不觉得一个核或一个晶体在这样那样的环境中的行为本身有多大意思。在对宇宙的唯象学知察中，现在大家感兴趣的东西，以后的人往往不再会有多大兴趣。现在这代基础物理学家就已经把20年前粒子物理的发现当成是，按爱因斯坦的话说，‘这样或那样的现象’。但是，对称性和守恒定律之间的联系将是永恒的。”（P128-130） 4、爱因斯坦的对称与海森堡的对称　　“当我想起物理学中关于对称的学术史时，我喜欢描绘两派思想，这两派思想在它们致力于对称这一点上是统一的，而在它们对对称的特点的观点上却是截然不同的。一边站着爱因斯坦和他的学术后裔。对他们来说，对称是美的化身，是同时空的几何形状结合在一起的。爱因斯坦所熟悉的各种对称——宇称、旋转、洛伦兹不变性以及广义协变性——是精确和绝对的，是凝固在完美之中的。另一边则站着海森堡，他的同位旋把精确的对称的美学原则打碎了。海森堡的对称是近似的，是独立于时空之外的。同时空对称不同的是，同位旋只受到强相互作用的尊敬。　　“近似对称的思想使爱因斯坦和他的后裔们感到大为震惊。把大自然描绘成‘近乎美丽’和‘几乎完美’好像是亵渎性的和矛盾的。整整一代人的美学直觉受到了伤害。当这一代物理学家们刚刚从同位旋的震惊中缓过来时，甚至更为粗糙和近似的八重路又随之到来了。但是，海森堡和他的追随者们能够指出它的结果——亚原子核的零乱秩序井然了。他们没有首先确定强作用就沿着对称的旗帜行进到了亚原子森林的深处。他们利用同位旋，后来又利用八重路为杂乱无章的实验性观察结果分了类，并对这结果作了合理的说明。　　“到20世纪60年代时，有关对称的各种讨论几乎完全集中在亚原子核世界的近似对称上了。当然，爱因斯坦所熟知的绝对的和精确的对称性继续受到人们的最高尊敬。物理学家们都喜欢完美的对称；问题只不过是，这一奇特的想法的成效，在广义相对论中好象已经竭尽了，或者说已经达到了光辉灿烂的顶峰。　　“尽管时空若不是由精确的对称来统治，人们就会感到深为不安，却并没有什么强制性的规则要求物质粒子也必须遵守精确的对称。因而，物理学家们达成了统一的世界观，即大自然提供了一种精确的时空，它有精确而完善的对称性统治者，为由杂乱而近似的规则激励的一些零散的粒子提供了活动的场所。”（P194-195） ----------------------------------------------------------- 《可怕的对称》：现代物理学中美的探索 Fearful Symmetry: The Search for Beauty in Modern Physics [美]阿.热兹Anthony Zee 1986年初版于美国湖南科学技术出版社 2002年1月第1版

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