二、对称与对称破缺的疑难

对称与对称破缺的概念并不难理解。困难在于，二者在什么条件下就可以互相转化。有很多科学领域对这类问题都还没有找到正确的答案。

在天体演化的各种假说中，有一种假说认为，在宇宙的早期正物质和反物质是对称的，随着时间的推移和天体的演化，反物质大部分消失了，

留下了今天以正物质为主的物理世界。这是为什么呢？科学上尚不能确切回答。如果不从天体演化的角度，仅仅从现实出发，科学上也无法解释为什么我们面临的物理世界是正物质的世界，而不是正反物质对称的世界。在宇宙学大爆炸假说和粒子物理学大统一理论中认为，宇宙演化是一

个从热到温再到冷的过程，在这个过程中，对称性逐步丧失。当大爆炸的最初瞬间，温度超过 1023K。存在着完全的对称性，夸克和轻子不可分，强、弱和电磁的相互作用是对称的和统一的，当温度降到 1023—1015K 时，对称性逐步破缺，强相互作用分出来了，只剩下弱相互作用和电磁相互作用的对称性，即弱电统一。当宇宙的温度再进一步降低到目前的温度范围内，弱电统一也破缺了，宇宙从而就丧失了大部分对称性，只留下正负电荷的对称性。宇宙为什么不断地丧失对称性而分化为四种相互作用呢？对称性破缺的机制和原因又是什么呢？这也是一个科学之谜。

物理学上的四种相互作用也是不同的。在强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用中，吸引和排斥都是对称的；但是，在引力相互作用中，对称性就破缺了。只有“万有引力”却没有“万有斥力”。牛顿根据经验凑了一个万有引力的公式，后来人们又求出了引力常数，这个公式成了经典力学的基础之一。但是，对于为什么不存在“万有斥力”却提不出任何解释，人们甚至都很少思考这一问题。

在基本粒子物理学中，对于对称和破缺的矛盾曾进行了深入地研究，揭示出基本粒子间的各种对称性。粒子物理学中的规范场论，是以规范变换群下的不变性（对称性）为特征的，用对称性来说明基本粒子的物理现象。1954 年，杨振宁与米尔斯(Mills)又将规范场思想推广，指出：物理学中的对称性有两种，①整体对称性，这是指空间各点作协同变换下的不变性。②定域对称性，指空间各点作单独变换下的不变性。但是，对整体对称性向对称破缺转化，定域对称性向对称破缺转化，究竟需要什么条件和是什么原因出现的还缺乏有力的说明。目前，科学家们多半还只是指出了某些物理定律的对称性不严格成立就会出现对称破缺，并简单定性地说明，外部原因引起的对称破缺叫诱导破缺；内部原因引起的对称破缺叫自发破缺。这样简单的描述，也说明了一些问题，但并没有能指出对称破缺的深刻本质。

现代物理学指出，所有的物质客体总能量最低的状态是物理学上的真空，这是完全对称的。物理真空不知道什么原因就出现对称性自发破缺，从而就会产生一定质量的粒子，例如正电子等。由此看来，对称破缺是物理客体产生和演化的原因，那末，这究竟是为什么呢？目前，这个问题还没有人能回答。

在热力学中，当一个系统处于平衡态时，其内部的原子、分子或其它粒子的排列是对称的，其对称元素是无限的，任何对称操作都是允许的。当系统远离平衡态时，则出现对称性破缺，使系统向组织化、有序化和复杂化发展。从这个角度讲，耗散结构实际上就是一种出现对称性破缺的有序结构。为什么伴随着对称性破缺才会出现有序结构呢？对这个问题的解释还是不能令人满意的。

另外，时间，在牛顿力学中是对称的，也就是说，时间反演不变，在热力学第二定律中，则通过熵增加的原理，揭示了时间的不对称性和不可逆性。所以说对称和对称破缺与物理过程的可逆性与不可逆性有密切的联

系，问题在于不能简单地指出这种联系，而应进一步去揭示这种联系的内在原因。

在化学中，也普遍存在着对称与破缺的疑难。以研究得比较深入的化学结构而言，化学物质的分子结构具有各式各样的对称和对称破缺。例如，环己烷及其不同的取代物，有椅式或船式的对称结构；在旋光异构体中，有左旋和右旋的对称。现代化学，从原子和分子的微观结构和运动过程中，揭示出对称与破缺的辩证转化。例如在丁二烯的电环合反应中，如果反应物的分子轨道对称性一致，反应就容易进行，这叫对称性允许；反之，如果对称性不一致，反应就难于进行，这叫对称性禁阻。日本的福井谦一和美国的霍夫曼，因为这一成果获得了诺贝尔化学奖。但是，为什么化学结构的对称性与化学性质和变化的因果性如此紧密地联系在一起呢？这个问题化学上曾提出种种微观解释，但这些解释都还处于探索之中。

在生物学和进化论中，对称与破缺的困难就更大了。

各种生物，不仅在形态上有不同的对称性，更重要的是在它们的微观结构和微观生物化学现象中，普遍存在着对称与非对称的转化。例如，量子生物学证明，在生物酶的催化作用下，可以使生化对称禁阻反应转化成对称允许反应。但是，生物酶是怎样完成这一机制的？目前还没有能提出有说服力的理由。

现代生物学已发现，地球上活的生命体中，组成蛋白质的氨基酸的构型，其旋光性几乎都是左旋的异构体，而右旋的氨基酸，只有在细菌和真菌产生的某些化学物质中或者是抗菌素中才能找到。这说明在高级生命体中，氨基酸的旋光性是不对称的，这种对称性破缺的原因是什么呢？现在谁也不知道。在陨石中发现的氨基酸，其旋光性是对称的。在著名的米勒实验和福克斯实验中，他们模拟地球天文时期晚期的条件，成功地合成了氨基酸等物质，力图以此证明无生命向生命的过渡和转化，说明生命的起源。但是，他们合成出来的氨基酸其旋光性是对称的。如果生命是这样起源的，那末，其氨基酸的对称性是怎样破缺的呢？

高级生命体中的糖和糖酐，其旋光性的对称性也是破缺的。不过，它们的旋光性与生命体中氨基酸的旋光性相反，都是右旋的异构体，而没有左旋的，这个问题也是一个不解之谜。

从生命体的实际情况来看，生命的产生和维持，是以生物大分子和细胞中物质分布的高度不均匀性和不对称性为条件的，一旦生物体中的物质分布变成均匀的和对称的，生命也就完结了。生命在进化和发展中，伴随着一个对称性的逐步破缺的过程，原始的细胞生命对称性较强，但进化到人以后，从外形上只剩下两侧对称，这种两侧对称还是不完全的；其内部物质的组成和结构，则出现了一系列的对称性破缺。

总之，从天体的演化、生命起源和基本粒子等科学领域来看，自然界的进化和发展则要伴随着对称性的不断破缺来实现；相反，退化和退步则要出现对称的增加（对称元素和对称操作的增加）。原因和机制如何？这是现代科学的一大疑难。