2021-10-20 14:41:56

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对称性破缺是一个跨物理学、生物学、社会学与系统论等学科的概念,狭义简单理解为对称元素的丧失;也可理解为原来具有较高对称性的系统,出现不对称因素,其对称程度自发降低的现象。对称破缺是事物差异性的方式,任何的对称都一定存在对称破缺。对称性是普遍存在于各个尺度下的系统中,有对称性的存在,就必然存在对称性的破缺。对称性破缺也是量子场论的重要概念,指理论的对称性为真空所破坏,对探索宇宙的本原有重要意义。它包含"自发对称性破缺"和"动力学对称性破缺"两种情形。

基本信息

  • 外文名称

    Symmetry Breaking

折叠 编辑本段 基本介绍

李政道认为对称性原理均根植于"不可观测量"的理论假设上;不可观测就意味着对称性,任何不对称性的发现必定意味着存在某种可观测量。李政道说:"这些'不可观测量'中,有一些只是由于我们目前测量能力的限制。当我们的实验技术得到改进时,我们的观测范围自然要扩大。因而,完全有可能到某种时候,我们能够探测到某个假设的'不可观测量',而这正是对称破坏的根源。

这和"对称性破缺则是由'宏观'走向'微观'而展现事物差异性的方式"哲学观点是一致的。

假如没有对称性破缺,这个世界将会失去活力,也将是单调、黯淡的,也不会有生物。自然界同样也存在着诸多对称性破缺的例子。比如:弱作用力下的宇称不守恒、粒子与反粒子的不对称、手性分子的对称性破缺等等。

折叠 编辑本段 系统

耗散理论在解释生命分子手性起源中取得了较大成功,这也是本书所拥护的观点;近些年也得到更多的实验支持。普利高津(Prigogine)认为,在远离平衡的条件下,一个开放的物理化学体系可以通过分支现象,从原先空间均匀的各向同性状态发展到集中都是稳定的但时空特性可能不同的有序状态,即由无序中产生有序。这两种空间有序状态唯一的差别可能仅仅在于其对称性,体系远离平衡态时在分支点附近对微小扰动是敏感的。1998年Kenso Soai和他的小组证实了分叉结构(bifurcation framework)。他们采用了混合了对映异构的亮氨酸,其中一种构型少量过剩。在这不均衡的溶液中反应形成的嘧啶醇也有一种对映体少量过剩。这种分子在自身形成过程中能起催化作用,因而占主导地位。因为自催化的循环反应结构放大了这个细微手性破缺效应,这使得生命分子为择单一手性。

1995 年3 月,美国《科学》杂志报道在洛杉矶召开的"生物分子手性均一起源"的国际会议上,与会的物理、化学、天文学家大多数认为,"没有手性就没有生命","手性起源先于生命"而不是生命自然选择了手性。

2006 年6 月1 日出版的《Nature》7093 期第621 页一篇题为"Thermodynamic control of asymmetric amplification in amino acid catalysis"的文章,Martin Klussmann 等人提出了手性分子不对称扩增的另一种解释,这是对自催化机制的一种替代机制。与传统手性药物合成不同的是,这是一种动力学控制下的不对称扩增。

总的来说分子的手性根源来自于弱相互作用,这说明电磁作用力并不是化学尺度上唯一影响化学分子的作用力。弱相互作用所诱发的费米子的手征性,主要通过反馈特征的自催化效应及其它某种放大机制,放大到分子尺度,从而成为生命形成重要的驱动因素。

折叠 编辑本段 物理

物理学中几何对称与抽象对称

对称性破缺可以理解为原来具有较高对称性的系统,出现不对称因素,其对称程度自发降低的现象。或者用物理语言叙述为:控制参量λ跨越某临界值时,系统原有对称性较高的状态失稳,新出现若干个等价的、对称性较低的稳定状态,系统将向其中之一过渡。和前面群论提到几何对称操作中旋转、反映、反演相似,在物理学中则是电荷对称、时间反演、空间反映,的对称操作就是C、T、P。CTP也存在对称与破缺。

按照诺特定理,守恒量意味着对称性;在物理学上不仅仅有几何的对称还有抽象的对称。比如:电荷守恒定律涉及抽象的性质而非动力学的性质,它对应着抽象的对称性;还有保守力在保守场中的做功,这些就是规范对称。在寻求各种相互作用力的理想的量子理论中,规范对称性在起着核心的作用;而且统一力的理论尝试也是在规范对称性的范围之内的。

对称性破缺的一个例子,对称参量环面的扭结超过临界值,系统向对称性较低的稳定状态过渡。在哪里形成新的结并不重要,因为整个变化过程是混沌的。

折叠 超对称

在70 年代早期,理论物理学家发现比旋转和平移这种操作更深刻,更有效的几何对称性,这就是超对称。比如具有1/2 费米子必须转动720°才能回复到原先的位置,这种双值性决定了它的几何对称操作玻色子完全不同。这样的性质在通常空间的几何操作的框架内是不能处理的。在超对称理论中,在通常的四维时空上附加另外的四维,称为超空间,目的是为了容纳费米子奇异的几何性质。因此这些附加的"费米维数"不是我们所知的空间或时间的维数。超对称操作能从通常空间转到附加的费米维数,即能把玻色子变为费米子,把费米子变为玻色子。所以我们可以把费米子和玻色子看成一个几何存在的两个不同的投影。

超对称理论中基本粒子和他们超

对称粒子。

按照这个理论,费米子和玻色子具有直接的物理联系,费米子与玻色子相互对应,即每个粒子都有其超对称伴侣;但从现在已知的玻色子和费米子来看,这种对称性似乎不成立的。有观点认为,现在物理学中系统的对称性破缺,是因为更深层次的对称性是隐藏着的,也许自然本身是超对称的;同样,超对称也会出现真空自发破缺。

德国数学家卡鲁扎(Kaluza)提出,通过附加一维额外的虚空间自由度来写出五维而不是四维的爱因斯坦引力场方程;五维的爱因斯坦场方程不但给出了通常的四维引力方程,还给出另外一组方程,而这正好就是电磁场的麦克斯韦方程组。按照这个理论电磁作用和引力作用都不是单独的力,而是在不可见的更高维空间自由度的世界里。奥斯卡·克莱因(O.Klein)认为我们没能察觉到那一维额外自由度的原因是,在某种意义上它"卷缩"到一个非常小的尺度,就好比一个水管在远处看就会把它当成一个曲线。这个尺度就是普朗克尺度,10*(-35) 米是空间被分割的最小距离。

折叠 弱作用规范

斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)和阿卜杜斯·萨拉姆(Abdus Salam)各自独立地发现有可能在不破坏弱作用内在的规范对称性的情况下使弱"媒介"粒子获得质量。这一质量可以通过弱作用场内部一定的相互作用来自发地产生,弱作用的规范对称性可能是自发破坏而不是动力学破坏。整体对称性是一个连续变换群,整体对称性自发破缺,零自旋、零质量粒子就会产生,称为戈德斯通(Goldstone)玻色子,如果局部对称规范群自发破缺,部分戈德斯通玻色子将会得到质量,即希格斯机制。温伯格和萨拉姆提出W 和Z 粒子(弱作用的"媒介"粒子)是通过弱作用希格斯机制获得质量的。希格斯场量子是有质量无自旋的玻色子,它与电磁-弱作用场相耦合,在这种耦合的作用下,系统选择了最低能量状态,使得W 和Z 获得大质量。

根据超对称理论,暗物质粒子称为neutralinos ( 常称为WIMPS),彼此湮灭释放次级粒子和辐射,包括中等能量伽玛射线

对规范对称的描述也要用到数学的群论,描述这种连续对称的称为李群。例如圆环上的对称性,一个圆环在绕其中心轴转动任何角度时保持对称。这些转动构成一个群,称为U(1),其中U 代表"幺正"的意思,是一种特定的数学性质。碰巧电磁场的规范对称性正是这种U(1)对称,为Able 群;不过是在某一抽象空间中,而非真实的空间。弱力和电磁力可由SU(2)xU(1)非阿贝尔规范理论来统一描述,S 代表"特殊";已有标准模型:SU(3)x SU(2) x U(1)(非阿贝尔规范理论)来描述强、弱、电磁三种力,我们在这里并不关心它在数学上的具体含义。

超对称理论是唯一可以把强、弱、电磁三种力的耦合常数在极高能量下统一交于一点的SU(5)大统一理论。

折叠 11维空间

上面提到超对称几何也可以作为引力几何理论的基础,相应的理论就称为超引力论。在超引力中,引力子已不再是传递引力的唯一媒介粒子,超对称是在费米子与玻色子之间提供了某种联系。按照这个理论应该存在一种自旋3/2 的基本粒子,称为引力量子。引力量子的超对偶粒子总数达172 个,由于这一理论中有8 种引力量子,人们称之为N=8 的超引力理论。剑桥大学的史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在他就职Lucasian 数学讲座教授的演说中提到,假使N=8 的超引力大有希望,那么"理论物理的终结为期不远了。" 当理论在大于四维的时空中构造时,超引力的几何结构可以大大简化,对于N=8 的超引力,最为有利的维数是11。在11 维的克莱因-卡鲁扎理论中,只存在一种力--引力,而电磁,弱和强力只不过是引力的附属品。

11 维空间能否成立? 弱作用的一个明显特征是它破坏左右镜象对称,这意味着基本粒子具有'手性',确定的手征性只存在于单数维的空间中;也就是说,空间的维数是奇数,因而时空的维数必定是偶数。这是11 维空间遇到的难题。

折叠 编辑本段 生物

对称性破缺与生物起源

二次迭代Mandelbrot 集与分子填充为组织的迭代比较。他们源于不同的非线性过程,诸多分形结构都具有M 集的类似特征。这个过程是高度非线性的,依赖这样的非线性使得结构具有自相似性。生物源于宇宙对称性破缺,分子系统丰富多彩的结构也通过对称破缺而发展。

二次迭代Mandelbrot 集与分子填充为组织的迭代比较

那么从宇宙物质产生到产生生命要经历那些不对称的过程呢?

宇宙形成过程就是对称性破缺,最初的宇宙为对称真空态(作为奇点的量子真空以指数方式膨胀,即暴涨),宇宙的对称性逐步丧失。随着宇宙的膨胀和降温,原真空态发生一系列相变:10-44s 时,引力作用分化出来,夸克和轻子可相互转变。

四种作用力由于宇宙真空对称破缺而分化分化,在高能状态四种作

用力又能统一为超力。

10*(-36)s 时强相互作用同电,弱作用分离,开始出现物质与反物质的不对称;10*(-10)s 后,弱作用与电磁作用分离。要产生物质构成的世界,就必须正反物质不对称;否则就会湮灭。最初宇宙正反物质几乎一样多,不对称度仅为A=3×10*(-8)。宇宙演化产生不对称机制,使得重子数不对称;这就要求CP的对称破缺,打破了重子数的守恒,从而形成现在物质占主要的世界。物质在四种作用力下分层次演化。通过复杂的核合成过程形成早期的原子核,再形成原子和分子。

前面提到电弱作用力间对称破缺的Higgs 机制,在最低能量下不为0 的真空极化从而导致电弱对称破缺。电弱作用力通过"弱荷流"(W)和"弱中性流"(Z )区分的(弱荷看成电荷,中间玻色子看成电磁波的光子)。任何两个基本粒子间的这些流的强度取决于粒子间的距离和它们的电荷。电子档靠近原子核时,受到中性弱力引起电子轨道的扰动,使它选择手性。如图(i)轨道是非手性的,但是由于Z0 扰动导致出现手性旋转,图中(b)代表自发对称破缺(Autocatalytic symmetry-breaking)源于随机的手性分岔,弱扰动破坏稳定性从而形成具有手性的(iii)。这样的对称破缺会被放大到聚合系统中,在分子D 和L 构型的竞争中,哪个具有负反馈系统那个就会占主导。

奥克兰大学的Chris C. King 在宇宙生物学论文中提到在Murchison 陨石(1969 年落于澳大利亚)上非生物氨基酸往往倾向于左手构型。这说明,在生物产生以前这种不对称机制就可能已经存在。

折叠 手性破缺

宇称不守恒弱相互作用对应于产生手性分子有两种假说。一种是以带电电流宇称不守恒(Charged Current-Parity Non conservation:CC-PNC)为基础的假说,认为由于CC-PNC,β衰变产生径向极化电子,进入物质内部产生圆偏振光辐射,导致底物分子立体选择合成或分解,从而产生手性分子。

另一种以弱中性流宇称不守恒(Neutral Current-Parity Non conservation:NC-PNC)为基础的假说,认为NC-PNC 造成对映体之间微小的能差叫宇称破缺能差(Parity Violating Energy Difference, PVED),PVED 进一步在对映体分子的物理性质及反应速率上形成差别,经过放大可以产生均一的手性。

Vester-Ulbricht机理一个基本粒子(电子或正电子)静止时是球对称的,因此是非手征性的。但一个自旋粒子沿着自旋轴的任一方向移动时,它就成为手征性的。β-电子为左手螺旋电子,β+电子为右手螺旋电子。Goldharber 在1957 年发现,从某一辐射核ß 衰变中产生的电子是径向偏振的,由此电子产生的韧致辐射产生圆偏振光。

1959年Vester 和Ulbricht首先将β衰变的不对称性和生物分子的不对称性联系起来,提出Vester-Ulbricht机制。不对称性可从基本粒子水平转移到分子水平,ß 衰变所表现的手性与自然界生物分子的手性间有因果关系。ß 衰变中产生的偏振电子,对外消旋分子或前手性分子产生非对称性影响,最后由不对称合成或分解产生手性分子。β衰变→纵向偏振电子→园偏振电子→不对称光化学作用→手性的。

Vester-Ulbricht机理的相关实验1968 年,Garay 将1.33e7Bq 的SrCl2,分别加入到L 与D 型酪氨酸的碱性溶液中,在室温放置18 个月后,发现D-酪氨酸分解比L 型显著,并认为这是由于发生偏振光的ß 射线作用,是D-酪氨酸进行了立体有择性分解。1975 年Bonner 用120keV 的线性加速器,来产生天然的自然反平行(AP)"左手性"电子,也可产生非天然的自旋平行(P)"右手性"电子,进行辐解D-和L-亮氨酸的实验。在53%-76%样品分解后,AP 电子产生0.60%-1.42%过量的L-亮氨酸,P 电子可产生0.74%-1.14%过量的D-氨基酸。1976年Darge 等将标记32P 的磷酸盐加入到消旋的D、L-色氨酸水溶液中,在-25℃下放置12 周后测定紫外光谱,发现色氨酸的分解率为33%,必旋光度为+(0.7±0.4)e-3 度。由此可见L-色氨酸比D-色氨酸优先分解,造成了大约19%的D-色氨酸的浓集。这一结果与Garay的结果矛盾。但Bonner重复Garay和Darge的实验,Hodge重复Bonner的实验,都没得到立体选择的结果,使得这一假说争论了近半个世纪。

王文清认为γ射线无手性选择分解;β电子对氨基酸的不对称分解只有在低温、初始阶段远离平衡态,即在开放体系才能得到,如无放大机制,达到热力学平衡差别消失。王文清根据王建英、罗辽复理论研究,以量子力学的理论方法,从β电子与手性分子的电磁作用出发,探讨了β电子和正电子在不对称分子上的非弹性碰撞,证明了对于对映异构体D-和L-氨基酸分子,碰撞截面的相对差值。差值F与旋光强度和和偶极强度的比值成比例,数值上为10-6量级,通过运算得到,当L型分子旋光强度大于零时,极化电子优先分解D型分子,反之当旋光强度小于零时,极化电子优先分解L型分子。1993 年王文清、罗辽复在意大利国际生命起源会议上指出:长期以来,人们忽视了构型和旋光兴并不是同一概念,&szlig; 粒子是对氨基酸的旋光性(左旋Rn<0,,右旋Rn>0)有选择,而不是对构型(D,L)有选择。

β电子和手性分子左右不对称碰撞,导致某些特定的化学反应速率常数的不对称为10*(-6)量级,并且对于每一确定的化学反应都有确定的符号。速率常数的不对称性将在反应扩散方程中加入不对称的外力项,在反应扩散方程的解-L和D型分子的浓度中,这种不对称效应被明显放大。根据丁达夫、徐京华分析,如果不对称外力为η量级,则解的不对称性可达η1/3的量级。因此,在β电子照射下,通过适当的化学反应可使D和L型氨基酸分子的相对浓度差别达到10*(-2)~10*(-3)。另一方面,如果这种化学反应与多聚链的形成有关,当链长为10*(2)~10*(3)个分子时,L和D型分子链的浓度差别将达到0(1)的量级。这就有可能解释为什么很多生物大分子都具有确定的手性。

折叠 Salam假说

1991 年Salam 提出:Salam认为电磁力不是唯一引起化学反应力,电弱Z0也在化学效应中期作用。由于Z0相互作用,电子与电子耦合成库柏对,借助量子力学协同效应,由于玻色凝聚,在某一临界低温Tc 下引起二级相变,包括D 型氨基酸向L性相变。一般来说,Tc 是个低温值,地球作为L-氨基酸形成之地太热了。所以他设想,在低温、原始宇宙空间早在地球形成前氨基酸的手性选择就已进行(这和陨石发现吻合)。S.F.Mason G.E.Trantar 对若干个L 型和D 型氨基酸的能量进行了详细的计算,并考虑了不对称的Z力,预料中的对映体之间的能量分裂出现了。在所有情形下,生物学上占优势的L-氨基酸和D-核糖都具有较低的能量。计算结果如下:(L-D)Ala:

-3.0×10-19ev;(L-D)Val:-6.2×10-19ev;(L-D)Ser:-2.3×10-19ev;(L-D)Asp:-4.8×10-19ev;(L-D)核糖:+1.8×10-19ev可见,对映体分子间的能量差数量级为10-19ev。300K 时,L型比D 性氨基酸数量多1/107。

1994 年4 月王文清、盛湘蓉与杨宏顺、陈兆甲科研组合作,利用搽粉绝热连续加热量法在77.35K 到300K 区间,以0.5K/min升温速率(或降温速率)测定D-缬氨酸和L-缬氨酸的比热容与T 图,发现D-缬氨酸在270±1K 有明显λ相变,而L-缬氨酸则无。经多次热循环及以L-缬氨酸作参比样品,D-缬氨酸在同一温度均重复出现比热容尖峰。D-缬氨酸单晶X 衍射晶格数据显示,在临界温度Tc 前后,无明显晶格变化。试探排除了水汽、结晶水及晶格变化对比热容的贡献,王文清等人认为比热容异常是由于电子耦合成库柏对及协同效应的S电子比热容贡献,并认为D-缬氨酸的相变可能是D 型向L 型转变的二级相变。同样,对于D-丙氨酸单晶分子,在低温200K 到300K 出现了磁相变,这与比热容测出的λ相变温度一致,人们认为,该温度也许就是D-丙氨酸向L-型转变的二级相变。

Salam 假说:1.亚原子水平上表现出的Z 力结合电磁相互作用,在凝聚态氨基酸单晶D 和L 型分子中被首次检测到,这在理论上有重大意义;2.D-丙氨酸和D-缬氨酸均在实验中发现了比热容的λ相变,这将有助于证明Salam 假说中提到的D 型氨基酸向L-型转变的二级相变。

折叠 局限性

首先Garay等人的实验都不能严密地证明V-U机理,Bonner 的实验中,当电子能量为60eV 时,选择分解消失。而且,对上述实验的一些重复也往往既得不到肯定也得不到否定的结果。按照王文清提出的构型和旋光兴并不是同一概念,&szlig; 粒子是对氨基酸的旋光性有选择,而不是对构型(D,L)有选择。因此不能解释生命分子构型的手性单一性。而在Salam 假说中10-19ev如此微小的概率差异,能否成为生命选择单一手性机制的原因?就算二级相变存在,从氨基酸混消旋体转变成某种手性单一的氨基酸分子的过程,需要越过一个大的活化能势垒。如果这个相变发生,将导致化学键断裂。显然,这两种学说及相关实验只证明了手性分子极其微小的对称差异,这不是生命手性分子起源的根本。陨石分子的发现和这些实验说明在生命产生之前,手性分子在数量上微小的差异就已经存在;但这样的差异必定要通过一个放大机制给予放大,才能形成现在生物分子的单一手性。

折叠 编辑本段 耗散分岔

耗散理论在解释生命分子手性起源中取得了较大成功,这也是笔者所拥护的观点;近些年也得到更多的实验支持。普利高津(Prigogine)认为,在远离平衡的条件下,一个开放的物理化学体系可以通过分支现象,从原先空间均匀的各向同性状态发展到集中都是稳定的但时空特性可能不同的有序状态,即由无序中产生有序。这两种空间有序状态唯一的差别可能仅仅在于其对称性,体系远离平衡态时在分支点附近对微小扰动是敏感的。1998年Kenso Soai和他的小组证实了分叉结构(bifurcation framework)。他们采用了混合了对映异构的亮氨酸,其中一种构型少量过剩。在这不均衡的溶液中反应形成的嘧啶醇也有一种对映体少量过剩。这种分子在自身形成过程中能起催化作用,因而占主导地位。因为自催化的循环反应结构放大了这个细微手性破缺效应,这使得生命分子为择单一手性。

1995 年3 月,美国《科学》杂志报道在洛杉矶召开的"生物分子手性均一起源"的国际会议上,与会的物理、化学、天文学家大多数认为,"没有手性就没有生命","手性起源先于生命"而不是生命自然选择了手性。

2006 年6 月1 日出版的《Nature》7093 期第621 页一篇题为"Thermodynamic control of asymmetric amplification in amino acid catalysis"的文章,Martin Klussmann 等人提出了手性分子不对称扩增的另一种解释,这是对自催化机制的一种替代机制。与传统手性药物合成不同的是,这是一种动力学控制下的不对称扩增。

总的来说分子的手性根源来自于弱相互作用,这说明电磁作用力并不是化学尺度上唯一影响化学分子的作用力。弱相互作用所诱发的费米子的手征性,主要通过反馈特征的自催化效应及其它某种放大机制,放大到分子尺度,从而成为生命形成重要的驱动因素。

折叠 编辑本段 反馈机制

我们知道生命分子的产生是源于反馈的自催化机制通过循环结构将微小的差距放大;而我们的社会也是一个充满张力的循环结构。自然界存在各式各样的不对称差异,能够放大这样差异的则是事物自身反馈效应。在达尔文进化论中性别选择是一个很重要的部分,这可以理解为物种自身对自身的一个选择力,也具有反馈特征。

高等动物进化出来的互相扶持以及护幼行为等都是基于群体意识,这也是物种对自身的反馈,简单的说就是"自我选择力"。中国儒家传统思想所尊崇的信条就是以自我完善为基础,在《礼记·大学》中就有"心正而后身修,身修而后家齐,家齐而后国治,国治而后天下平。"这样的思想是符合生物哲学的,人的修身必须从自我反馈开始。然而现今中国的教育,却没有教会人,适应和反馈这最重要的东西。引用卡内基梅隆大学教授蓝迪的"最后一课"的演讲中的一句话"一个教育工作者能给的最好礼物,就是让人能自我反省"。

折叠 编辑本段 举例

下面列举几个对称性自发破缺的事例:

宇称不守恒

实验已经证明,强作用下宇称守恒。这是与微观粒子的镜象对称性相联系的守恒定律。1956年前后,在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了"t ~ q 疑难"。实验中发现的t 和q 粒子,它们质量相等,电荷相同,寿命也一样。但它们衰变的产物却不相同:实验结果的分析表明,3个p 介子的总角动量为零,宇称为负。而2个p 介子的总角动量如为零,则宇称只能是正。因此,从质量、寿命和电荷来看, q 和t 似乎是同一种粒子。但从衰变行为来看,如果宇称是守恒量,则q 和t 就不可能是同一种粒子。

1956年,李政道和杨振宁解决了这个难题。他们提出弱相互作用过程中宇称不守恒的设想,吴健雄的钴60原子核b 蜕变实验验证了这个设想。1957年,吴健雄在10-2 K下做原子核b 衰变实验,用核磁共振技术使核自旋按确定方向排列,观察b 衰变后的电子数分布,发现无镜像对称性 -- 证明了弱作用的宇称不守恒性。

1957年李政道和杨振宁获诺贝尔物理奖。

贝纳德对流

1900年法国学者贝纳尔 (H.Benard)发现:从下面均匀加热水平容器中薄层液体时,若上下温差超过一临界值, 液体中突现类似蜂房的六边形网格, 液体的传热方式由热传导过渡到了对流,每个六角形中心的液体向上流动,边界处液体向下流动。这是对流与抑止因素(黏性和热扩散)竞争的结果。

意大利怪钟

这是1443年 Paolo Uccello绘制的24小时逆时针方向运行的"怪钟"(如图)。经济学家Arthur Brian以此钟为例,论述经济领域中的正反馈现象。他说,1443年钟的设计尚未定型。一种表盘的设计用得愈多,就有更多人习惯于读它,以后它就被采用得愈多。最后形成现在的惯例。这就是从 正反馈到失稳,再从失稳到对称破缺的过程。

重子与反重子

1933年Dirac理论预言: 每种粒子都有自己的反粒子, 正反粒子完全对称,也许在遥远的地方存在"反物质世界(anti-world)"。按照粒子物理学的分类,质子、中子以及它们的反粒子都属于重子,重子数B 是个守恒量。重子数 B 的定义是:每个重子的B =1, 每个反重子的B =-1。于是,在重子对产生和湮灭的过程中,重子数总和保持为零。各种天文观测表明: 宇宙线中反质子与质子数量之比< ;无论在太阳系内、银河系内、还是整个星系团的更大范围内,都未观察到湮没引起的强大g 射线。如果认为重子数守恒是一条在任何情况下都颠扑不破的定理,就只好认为,宇宙从它诞生时刻起就存在现今那样多的不为零的重子数,即重子与反重子一开始就不对称。目前,对正、反重子不对称比较可能的解释是,早期极高温的宇宙中存在着违反重子数守恒的过程。

生物界应用

大多数动物在外观上都具有左右对称性,但体内的器官就不那么对称了。如果深入到分子层次,就会发现一种普遍存在于生物界的更深刻的左右不对称性。1844年德国化学家E.E.Mitscherlich发现,酒石酸钠铵和葡萄酸钠铵的结晶具有相同的晶形,一样的化学性质,但溶液的旋光性不同。前者使偏振面右旋,后者无旋光性。1847年法国Louis Pasteur发现了葡萄酸钠铵中有互为镜象对称的两种旋光异构物,其结构如图所示。对此现象解释的信念是:光活性有与生命过程相联系的起源。

现代生物化学指出:有机化合物的旋光异构现象与有机分子中碳原子四个键的空间构形有关。用L(livo)和D(dextro)分别表示左、右型旋光异构体,(+)、(-)代表该物质的溶液的旋光方向,(-)表示左旋,(+)代表右旋。碳四面体的左右两种构型、甘油醛中四个基团L、D两种构型以及丙氨酸的旋光异构体简要图示如左图,它明显地反映出了其结构的左右不对称性。生命的基本物质是生物大分子,它包括蛋白质、核酸、多糖和脂类。其中蛋白质是生命功能的执行者,其分子是右氨基酸组成的长链。每种氨基酸都应有L、D两种旋光异构体。但实验证明组成生物蛋白质的20种氨基酸都是L型的,D型氨基酸只存在于细菌细胞壁和其它细菌产物中。核酸是遗传信息的携带者和传递者,分为核糖核酸(RNA)和脱氧核酸(DNA)两种。右下图是DNA分子双螺旋结构模型,通常是右旋的。这正是生物大分子的手性特征。生物体内化合物的这种左右不对称性正是生命力的体现。维持这种左右不平衡状态的是生物体内的酶,生物一旦死亡,酶便失去活力,造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见,生命与分子的不对称性息息相关。问题是地球上生命发源之初,左右对称性的破缺是怎样开始的?即分子手性的起源是什么?生物的起源是什么?这些都是有待人们去研究的谜。

总之,时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界,包括人类自身,都是对称性自发破缺的产物。对称性破缺的机制是什么?实在现象中的对称性破缺与基本物理规律的对称性是否相容?不同层次的非对称性间如何关联?这些都是现代物理尚未解决的重要课题。

真空不空

宇宙广大区域的真空中运行着光速的光子、中微子,超光速的引力子、反引力子,用E1=ma2方程计算,真空中蕴藏着的能量是很大的,而且不同区域的真空蕴藏的能量差异极大,如黑洞奇点的真空区和宇宙奇点的真空区与宇宙广大区域的真空相比较。

宇宙真空充满了引力子和反引力子,而且由于纯引力的黑洞存在,宇宙总体上已出现了引力子和反引力子的不对称,即引力子总量多于反引力子。对称性破缺的本质来自于宇宙真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制。

如果系统受到一个小扰动破坏了它的对称性,我们说它的对称性破缺,比如,原子中的这样一个扰动可以由电场引起,由于扰动的作用,原子将不再停留在它原先的定态上,而从一个能级跃迁到另一个能级,并发射或吸收一个可见光光子。对称性破缺同样出现在粒子中,这时的干扰因素就是宇宙中无所不在的引力子和反引力子。之所以出现"宇称不守恒",是因有些粒子在真空中的引力子、反引力子的干扰下,必然会出现上述现象,而且较易出现在有弱核力参与的粒子转化过程中,因为这种力较弱,即反引力场较弱,较易受到外界的引力子或反引力子的干扰。

对称性破缺也叫CP破缺

在宇宙中,上下级物质特别容易产生干扰,形成对称性破缺,粒子级物质较易对原子形成干扰,因为前者是后者的结构材料,同理,引力子级物质较易对粒子形成干扰,形成对称性破缺。而引力子级物质对原子、分子、生物体较难在短期内形成可察觉的干扰,因为它们存在巨大的质量差异,这种干扰只能渐进式的,一种从"量变到质变"的缓慢过程,引力子级物质最先影响粒子级物质,通过它逐渐对原子形成影响。

粒子世界的"不确定"、"测不准"就是因为粒子质量太小,而宇宙真空中的引力子、反引力子密度比光子、中微子等粒子高出很多倍,引力场使得宏观宇宙的时空都发生弯曲,粒子在无数引力子和反引力子的碰撞干扰下,出现"不确定"、"测不准"是必然的。

正是真空的这种特性,造成"宇称不守恒、CP破坏及时间(T)反演不变性的破坏、规范对称性的自发破缺"等一系列对称性丢失。而且宇宙必须存在对称中的不对称,完全对称的宇宙将会凝结,如果正奇子与反奇子在对抗与协同中完全对称,将不可能形成引力子与反引力子,如果正、反夸克组合出完全对称的正、反质子,正、反中子,今日的宇宙将只剩下微波辐射。

折叠 编辑本段 社会

反馈机制与社会

生命分子的产生是源于反馈的自催化机制通过循环结构将微小的差距放大,社会也是一个充满张力的循环结构。自然界存在各式各样的不对称差异,能够放大这样差异的则是事物自身选择。同样在达尔文进化论中性别选择是一个很重要的部分,这可以理解为物种自身对自身的一个选择力,也具有反馈特征。

高等动物进化出来的互相扶持以及护幼行为等都是基于群体意识,这也是物种对自身的反馈,简单的说就是"自我选择力"。中国儒家传统思想所尊崇的信条就是以自我完善为基础,在《礼记·大学》中就有"心正而后身修,身修而后家齐,家齐而后国治,国治而后天下平。"这样的思想是符合生物哲学的,人的修身必须从自我反馈开始。这让我想起,美国电视《越狱》中有一句话"欲变世界,先变其身"。然而现今中国的教育,却没有教会人,适应和反馈这最重要的东西。引用卡内基梅隆大学教授蓝迪的"最后一课"的演讲中的一句话"一个教育工作者能给的最好礼物,就是让人能自我反省"。

生活中学会总结,是人生自我反馈的开始。社会上每个人都是不同的,自然属性赋予了人差异性的一面,只有自身对自身的反馈来放大这种差异,人生才会精彩(这包括自我修养和自我超越)。自古封建君王们都鼓吹'君权神授';也是企图放大,人的的差异,将自我比作神。而现代社会人在置身于物欲世界的同时,忽略了自我对自我的反馈,盛行的却是类似斯宾塞弱肉强食的"社会达尔文主义"。

社会达尔文主义忽略了社会中事物发展自身反馈也是重要重要驱动,具有局限性,因此被后现代主义称为"现代性罪状"。在这样的扭曲的社会结构中,人们追求自我实现,不是通过自我修养和超越的反馈来完成;而以掌握物质财富和社会地位来衡量,力求成为社会"食物链"的顶端。同时,在张力的社会中人们文化的困境与内心的挣扎也是推动其发展的驱动因素。在霍妮的文化心理病理学指出自我的挣扎是人与自我关系的失调。人有天赋的潜能和引导实现潜能的建设性力量,体现为创造和奉献;这种力量的激发则需要人自身的"自催化",其过程是通过学习、经历、以及自我认识来完成。

同时人的天赋中还具有一种破坏性力量,体现为贪婪、权利与欲望的膨胀等等。为确保社会结构稳定,需要社会机制的约束和自我反馈加以调节,这表现为法律与道德。一些人认为这种破坏的力量归结为人类的本能,其实这是片面的,人类的本性是两种力量的综合,而不是单纯某一方面。就以'性'来说,弗洛伊德的人性论是性恶论,并持悲观论调;但我们知道'性'又意味着生命的诞生,意味着创造,意味着美,具有积极的一面。

人能够调节这两种力量的就是自我的反馈,并体现为适应性。生物要适应环境得以生存,就首先要求自身的改变,这个变化过程就是自身反馈机制的体现。反社会人格以及神经症患者内心的挣扎以及自我异化等,在我看来是社会适应力低下的表现,可能是自身反馈出现了问题;按照这个思想,极度自卑或自傲都可能滋生反社会行为;我相信运用这个思想是可以找到减少社会暴力的方法。当然,社会是多元化整体,事物的发展既取决于自身反馈又取决于环境的选择。假如社会环境变化总采取突变式,或者说环境选择的跳跃变化总大于自我反馈的能力,那么这样的反馈机制就可能遭到破坏。所以在社会学中人自我的反馈机制往往具有强烈的环境依赖性。

假如构成社会的人,都具有极强的适应能力,都在不断的变通;那么这个社会是不稳定的,比如可能社会缺乏诚信、缺乏价值判断等等。所以社会本身是人社会适应性与社会稳定性的妥协。而在生态学中生物与环境本身就是一个整体,是协同进化的。一个物种的进化,既有来自外界的自然选择驱动;又有物种内的性别选择自身反馈。环境的变化必定带来物种自身反馈的变化,所有物种自身的变化又会积累从而改变环境。环境是超循环结构,其稳定性与物种的多样性密切相关,因此多样性的环境是有能力抵御少数物种突变对环境的改变。生物圈本身就是一个物种适应性与环境稳定性的妥协;而生物个体就是自我适应于自我结构稳定的妥协。

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