对称与不对称 - (EPUB全文下载)

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目录

再版序
前言
1.对称的重要性
2.物理学中的对称与不对称
3.自然与艺术中的对称
4.标度对称性
5 镜像对称
6.对称性和不可观测量
7. 不对称性与可观测量
8. CP破坏和时间反演
9.是自然规律不对称，还是世界不对称
10. 真空作为一种物理介质
11. 失去的对称性和对称性自发破缺
12 .真空激发和相对论性重离子碰撞
13. 基本粒子
14. 加速器
17. 两个疑难
18 .展望21世纪科学发展前景
参考文献
附录A 四组对称性
附录B 弱相互作用和宇称不守恒
 
 
 
前言
 
 
 
 
对称和不对称是从宏观世界到微观世界普遍存在着的现象。从古至今，人们一直在研究和应用着这个自然界十分有趣的现象。1974年，毛泽东主席会见我时，也饶有兴趣地用了很多时间，从哲学观点上和我讨论这个问题。
20世纪90年代初，我曾应美国华盛顿大学出版社要求，写了《对称，不对称和粒子世界》的科普小册子。当时，苏联很快翻译出版了这本书。1992年，北京大学物理系朱允伦教授把该书译成中文后由北京大学出版社出版。这次中国科学院和中国工程院组织编写了《院士科普书系》，要我写一本科普书。由于我最近实在太忙，没时间再写。因此，请朱允伦教授和中国高等科学技术中心柳怀祖教授帮我在那本小册子的基础上，把近几年来我在国内多次演讲中有关的内容充实进来，重新加以编辑，使内容更加丰富。他们为此花了很大精力，我向他们致以衷心的感谢。同时，我也感谢叶铭汉院士和中国高等科学技术中心的季承先生、滕丽女士及其他同仁对本书给予的帮助。
 
一九九九年十月
 
 
 
 
“为什么对称是重要的？”这曾是毛泽东主席问我的一个问题。
那是1974年5月30日，中国还处在“文化大革命”的动乱之中，“四人帮”仍处于其权力的巅峰。当时，我特别沮丧地发现，在这个文明古国，教育几乎完全停止。我非常希望有一种办法能改善这种状况。
那天早上6点钟左右，在北京饭店，我房间里的电话铃出人意外地响了起来。有人通知我，毛泽东想在一小时内在他中南海的住所见我。尤其使我吃惊的是，在他见到我时，他想了解的第一件事情竟是物理学中的对称性。
按照韦氏字典的注释，Symmetry的意思是“均衡比例”，或“由这种均衡比例产生的形状美”。在汉语中，Symmetry的意思是“对称”，这个词带有几乎完全相同的含义。因此，这实质上是一个静止的概念。按照毛泽东的观点，人类社会的整个进化过程是基于“动力学”变化的，动力学是唯一重要的因素，而静力学则不是重要的因素。毛泽东坚持认为，这在自然界也一定是对的。因而，他完全不能理解，对称在物理学中为什么会被捧到如此高的地位。
在我们会见时，我是唯一的客人。在我们的椅子之间有一张小桌子，上面有本子、铅笔和常用来待客的绿茶。我把一支铅笔放在本子上，再使本子倾斜朝向毛泽东，然后又朝向我。这支铅笔就在本子上来回滚动。我指出，尽管没有一个瞬时是静止的，然而，从整体而言，这个动力学过程也有对称性。对称这个概念绝不是静止的，它要比其通常的含义普遍得多，而且适用于一切自然现象，从宇宙的产生到每个微观的亚核反应过程。毛泽东很赞赏这简单的演示。然后，他又询问了有关对称的深刻含义以及其他物理专题的许多问题。
其实，最早认识到对称重要性的也许要算是生活在公元前4世纪的屈原，他在著名的诗《天问》中运用对称性论证了天地都是圆的。这也许是最早的宇宙学著作，而且也许是唯一运用几何对称来论证的、同时又是用诗的语言写成的绝妙篇章。
屈原的《天问》中有如下两首：
 
九天之际，
安放安属？
隅隈多有，
谁知其数？
 
东西南北，
其修孰多？
南北顺椭，
其衍几何？
 
诗中的“九天”是指天半球的九个方向：昊天（东）、阳天（东南）、赤天（南）、朱天（西南）、成天（西）、幽天（西北）、玄天（北）、鸾天（东北）、钧天（中）（如图1.1所示）。
 
在第一首诗中，屈原论证了天和地都应该是球状的。因为假如地是平的，那么，天和地的交界一定是充满了边和角。怎么可能有这些边和角呢？它们属于天还是地呢？这是不可理解的，也是不合理的，因而应该被否定。因此，天和地不可能相交，二者都必定是球状的，天好像是蛋壳，地好像是蛋黄（当然中间的蛋白是没有的）。
在第二首诗中，屈原猜测地球的形状与理想的球有偏离，他提出问题：是赤道圈的周长长还是子午圈的周长长？另外，他还提出椭圆弧长如何度量长度的问题。现在我们知道，赤道圈直径为12753.6千米，比子午圈直径（为12732.2千米）略长。但是，早在公元前5世纪，屈原在得出地是球状的结论后，又进一步提出地球是椭球的可能性，这实在是太令人惊奇了！
这应该是人类最早成功运用几何对称性的例子。在这本书中我们将看到对称与不对称的问题在自然界、艺术和科学中都占有很重要的地位，在物理学中尤其重要。
 
 
 
 
在中文里，“物理”的意思乃“物之理也”，“物”包括从宇宙到亚原子的所有物质，物理学就是研究物质的结构和运动规律的一门基础科学。
中国古代文献中最早提到“物理”这个名词的，可能是唐朝（公元8世纪）著名诗人杜甫，他写了如下诗句：
 
细推物理须行乐，
何用浮名绊此身。
 
——摘自杜甫《曲江二首》（公元8世纪）
 
这位古代诗人告诉我们：研究物理、探讨物理规律需要细（仔细观察）、推（演推规律）且自有无穷乐趣，又何须为空名所束缚。
按照现在的物理理论，宇宙中基本的相互作用有以下三大类：
 
· ·强相互作用，描述它的理论为量子色动力学（QCD）。
· ·弱电作用，描述它的理论为SU（2）×U（1）理论（标准模型）。
· ·引力作用，描述它的理论为爱因斯坦的广义相对论。
 
自然界的基本相互作用就这三种。描述这些相互作用的理论都是以对称为基础的。然而，大多数的对称量子数又是不守恒的。一方面，理论越来越对称；另一方面，我们发现有越来越多的不对称量子数。这构成了当代物理学的一个基本疑难：既然我们生活的世界充满着不对称，我们为什么还要相信对称性呢？
其实，这是不矛盾的，因为很可能为了要有 ............

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