對稱性在生活中随處可見，它具有内在的和諧性與平衡性，給人以美的感覺。而在物理學中，對稱性在各種理論中發揮着核心的作用。物理學中的對稱性，指的是一個物理系統在某種變換條件下的所具有的不變性質。

不過，大自然往往喜歡隐藏其對稱性，表現出的非對稱性的一面。物理學家感到奇怪：大自然為什麼要這麼做呢？

不對稱的生命

生命，就是建立在隐形對稱性的基礎之上的。例如人類的身體，乍一看是鏡像對稱的，但其身體内部的器官卻不是鏡像對稱的。例如心髒就是打破鏡像對稱的一員。心髒的左心室要把富含氧氣的血液壓送到全身各處，這需要強大的輸血能力。而心髒的右心室要把接收氧氣的血液傳送到肺部，而肺部就在它旁邊。所以說心髒的左邊要比右邊有更強大的輸血能力，這種輸血能力的不對稱使得心髒偏向左側，并給了我們心髒處在左側的感覺。

在微觀層次上，形成生命的分子也是非對稱性的。我們知道，構成生命最基本的元素是碳，它有4個化學鍵，也就是說一個碳原子可以連接4個原子或原子團，完全可以形成一個對稱性結構。一個最為簡單的例子就是甲烷，化學式為CH4，它的結構是對稱的：碳原子在中間，氫原子在4個角，形成一個正四面體。然而生命中多數的碳原子連接的都是不一樣的原子或原子團，多數情況下不具有旋轉對稱性，其鏡像結構與原結構具有不同的化學性質。其中，結構上鏡像對稱而又不能完全重合的分子，稱為手性分子。就如同左手和右手鏡像對稱卻不能重合一樣。

手性分子可分為左手性分子和右手性分子，我們經常喝的乳酸，都是左手性乳酸，事實上絕大多數生命體内産生的乳酸都是左手性的，而且人體内隻能代謝左手性乳酸。所以說，生命偏愛左手性乳酸。那麼包含右手性乳酸的牛奶是否适合飲用呢？由于人體很難代謝右手性乳酸，所以如果人攝入過多的右手性乳酸，會引起代謝紊亂甚至酸中毒。

構成生命最為基礎的分子為氨基酸。它們同樣具有4面體結構，而且每一種氨基酸同樣可分為左手性分子和右手性分子。然而驚人的是，組成地球生命的氨基酸幾乎都是左手性分子，而不是右手性分子。而且因為地球生命很難代謝右手性氨基酸，所以右手性氨基酸往往會對生命造成損害。

綜上所述，在分子水平上來說，生命是非對稱性的。盡管大自然法則允許分子有左手性分子和右手性分子，但生命基本偏愛其中一種分子而不是另一種分子。可能是某種因素的作用，最終使得生命分子的對稱性被隐藏起來了。

不對稱的粒子

在原子水平上，體現出來的仍然是非對稱性。例如，最為簡單的氫原子，它包含了一個具有負電荷的電子和一個具有正電荷的質子，質子和電子所攜帶的電荷彼此如此平衡，以至于電荷互相抵消掉，最終成為電中性，這看起來非常對稱。

然而，實現這種對稱性的方式卻是不平衡的。我們知道電子是一個基本粒子，但質子不是，質子是由3個誇克構成的。其中，電子的電荷為-1，而每個誇克攜帶的電荷則為 2/3或-1/3。每三個誇克結合在一起，形成一個具有 1電荷的質子，或零電荷的中子。所以說在最為簡單的氫原子裡出現了嚴重不平衡的現象：它的質子是複雜的，而電子是簡單的，這說明氫原子也不是對稱的。

原子中的非對稱性還體現在質量的分布上。當誇克聚到一起形成一個質子時，誇克是被能量極高的強核力限制到10-15米左右的空間裡。強核力使得質子具有了很大的質量，大約是電子質量的2000倍。所以說在這個原子裡，質量的分布是十分不均衡的，質量很輕的電子圍繞着質量很重的原子核運動。

關于粒子世界還存在另一個非對稱性現象。也就是說，在自然環境中，為什麼沒有由正電荷的電子和負電荷的原子核構成的反原子？我們知道，因為當物質與反物質相遇時，它們會彼此湮滅，并釋放出高能的光子。所以如果宇宙的确是從虛無中誕生出來的，宇宙的物質和反物質應該是等量的，然後再彼此泯滅對方。然而我們的宇宙不具有這種對稱性，在自然界中萬物都是由物質而不是反物質構成的。即使在宇宙中的某些地方，例如在宇宙射線中可能存在一些反物質，它們的壽命也極為短暫，會迅速被湮滅掉。

宇宙缺少反物質仍是一個待解決的物理問題，也許這來自于自然規律中某種内在的非對稱性，盡管到現在我們都沒有發現到。或者，最初的對稱性被隐藏起來，隻不過表現出來的與其本來面目不一樣而已。

不對稱的星系

那麼對稱性為什麼會被隐藏起來？很有可能是穩定性的原因在起了作用。穩定性與對稱性有一種特殊的關系，也就是說對稱性的系統往往很不穩定。例如，當你在超市裡推購物車時，把你的雙手對稱地放到購物車的把手上，盡管一切看上去都是對稱的，但是購物車在運動中往往會偏向左側或右側。因為這個對稱性的系統不是穩定的，即使最為細微的擾動就可能破壞這種對稱性，例如你的右手比左手力量略微強了一些，就會導緻了運動方向的偏離。

另一個闡明穩定性與對稱性的例子就是星系。

牛頓力學告訴我們，萬有引力的作用方向是處在徑向方向上的，所以說引力對周圍物體的作用是球對稱的。對于隻牽涉到引力的系統，一個很自然的推測是，引力會導緻系統出現很多球體形狀。例如太陽和月球，以及球形星系都是一個很好的例子。但是，大多數星系都不是球對稱的，例如旋渦星系，它們大部分的物質都分布在一個平面上。如果我們隻通過觀測仙女座星系的話，我們會以為引力隻在2維平面上具有對稱性呢。那麼為啥宇宙不喜歡球形星系呢？

球形星系所存在的問題是，它是極其不穩定的。如果要維持穩定性的話，裡面的恒星和其他物質應該處在一種完美的球對稱的位置上。這樣，裡面的星體出現偏離自己原來的軌道，它還會被再次拉回來，然後在原來的位置附近來回振蕩直到完全穩定下來。不過現實情況是，星際物質分布并不能達到很完美的情況，而且即使暫時分布成球形，一旦受到外力幹擾，例如受到其他星系的牽引，這種平衡就會被打破。在這種情況下，大自然會選擇穩定性而不是對稱性。也就是說不穩定的對稱系統最終會變成穩定的非對稱系統。對稱性是被隐藏了起來。

不過縱觀整個宇宙，我們會發現宇宙中旋渦星系的旋轉方向可以向着各個方向。所以說雖然每個旋渦星系不是球對稱的，但在總體上來看宇宙是均勻對稱的。

墨西哥帽子

我們可以用墨西哥帽子來說明對稱性是如何隐藏起來的。把墨西哥帽子倒着放置，在帽子上放置一個小球，小球會很自然地滾到帽子的尖底裡，可以說這個系統是穩定的，而且是旋轉對稱的。如果要把墨西哥帽子翻過來，正着放置，那麼小球可以擱在帽子的尖頂上，對稱性仍可以維持。不過帽頂上的小球是極不穩定的，小球很容易朝任意一個随機的方向滾下來，掉進帽子的帽檐裡，不穩定的對稱系統最終會變成穩定的非對稱系統。

不穩定的對稱系統最終會變成穩定的非對稱系統，其實就是導緻一些基本粒子具有質量的原因。這種原因是物理學家希格斯等人提出的，所以稱為希格斯機制。

具體地說，宇宙中所有空間中都充滿某種場，稱為希格斯場。希格斯場與真空能的關系如同墨西哥帽子一樣，而小球代表着希格斯場的狀态。當希格斯場為零時，如同一個小球處在墨西哥帽子的頂部，此時系統是對稱的。根據相關理論，對稱的系統就意味着，此時所有傳遞力的基本粒子的質量都是零。但此時真空的能量将會異常之高，就像小球最終會從頂部滾下來落到帽檐裡一樣，真空的能量最終變為最低值。當真空的能量達到最低的能量狀态時，這種對稱性就被隐藏起來了。這時希格斯場不再為零，一些基本粒子會跟希格斯場發生作用從而具有質量，例如傳遞弱核力（負責核衰變的力）的粒子就變得有質量了。

我們因非對稱性而存在

宇宙把對稱性隐藏起來，對于我們人類的存在有着重大的影響。因為，如果不這樣的話，也就沒有我們人類存在了。

例如，任何一個可以穩定存在的恒星系統，都應該不包含反物質的，否則會因湮滅而不複存在。宇宙也可能具有等量的物質和反物質，不過在局部中是不均衡的，我們湊巧生活在由大量物質聚集在一起的區域内。也許，宇宙某些地方也是完全由反物質構成的星系。同樣，一個生物圈裡如果有左手性分子構成的生命，也有右手性分子構成的生命，那麼生物圈中的食物鍊很難穩定形成，所以在自然選擇下，地球上的生命最終都選擇了左手性分子。完全由右手性分子構成的生物圈也可能是存在了，也許在某個遙遠的星球上，上面的生命都是由右手性分子構成的。

另外，如果傳遞弱核力的粒子質量為零的話，那麼弱核力的作用強度将會與電磁力一樣強。而弱核力控制着恒星中的氫聚變過程，如果弱核力與電磁力一樣強的話，恒星中的氫聚變反應速度會異常之快，以至于在人類誕生之前，宇宙就會燃燒掉所有的恒星。所以可以說地球上能進化出智慧生命，這得感謝希格斯機制。

所以說，“不穩定的對稱性變為穩定的非對稱性”是理解生命、宇宙以及萬物的關鍵。

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