为什么世界看起来充满秩序，但同时又很混乱？为什么人脸是对称的，但又对称得不那么完美？为什么斑马的花纹看起来很有规律，但又找不到完全相同的两条呢？

自然界中有很多这种看似对称，又带着不对称的特征，在物理学里面，这些矛盾背后，其实都指向同一个源头：对称与对称性破缺。

**对称性

对称性是自然界最重要的框架之一。因为有对称性的存在，世界才是有秩序的，规律才是普适的。但如果只有对称，这个世界又会变得空洞乏味，毫无生机。

我在之前的内容里详细讲过对称性在物理学上的含义，简单来说，对称性指的是自然规律在某种变化下，依然保持不变的特性。

比如，你今天做实验和明天做实验，物理规律都是一样的，这就是时间平移对称性。

无论你在地球上做实验，还是月球上做实验，物理规则也是一样的，这就是空间平移对称性。

你在做实验的时候，无论你把实验装置旋转任何角度，物理规则还是一样的，这就是旋转对称性。

你可能觉得这不是废话吗？规律不就是总结世界不变的道理吗？这还真不是废话，而是科学里的硬通货，这些对称性是能在数学上直接推导出守恒定律的。

时间平移对称性推导出能量守恒，空间平移对称性推导出动量守恒，旋转对称性推导出角动量守恒。甚至爱因斯坦的相对论，也是从对称性出发才建立起来的。

所以在很长一段时间里， 对称性就是物理学的最高美学，物理学家默认所有最底层的基本规律都应当尊重对称性。

直到 1956 年，杨振宁和李政道提出宇称不守恒，才撼动了这个信念，他们认为，自然界的弱相互作用可能不遵守宇称守恒。

**宇称不守恒

什么是宇称守恒呢？我们可以简单地理解为镜像对称，如果把整个物理过程的空间坐标翻转（x,y,z → -x,-y,-z），镜像里的过程应该和原来一样符合同样的物理规律。

为了验证这个猜想，华人科学家吴健雄做了一个实验，她用了一种叫钴 60的原子，这种原子具有放射性，在弱相互作用下会发生衰变，同时向外释放出电子，这个过程叫作β衰变。

每一个钴 60 的原子核都有自旋，你可以把这些原子想象成小磁针，平时这些小磁针的指针方向乱七八糟，吴健雄用极低的温度和强磁场，让这些小磁针的自旋方向对齐，然后观察这些原子在衰变时，放射出的电子传播方向。

结果发现，电子并不是均匀分布的，而是更偏向于沿着自旋的反方向发射。

然后，她再把磁场反过来，让钴 60 的自旋翻转，结果电子的传播方向也跟着调转了，它始终往自旋的反方向飞。也就是说，如果自旋向上，电子就喜欢往下飞，如果自旋朝下，电子就喜欢往上飞。

如果宇宙真的是左右对称的，电子的分布应该是均匀的，一半往上飞，一半往下飞，没有哪边是特殊的，但这个实验里，电子却展现出了明确的偏好。

就算电子有明确的偏好，在镜像翻转后，结果也应该跟原来的结果一样，就像你放气球，气球在镜子里的左右虽然是反的，但气球同样都应该是向上飞的，总不能在镜子里气球往下跑吧，这就违反了物理原则了。

这说明，β 衰变中的电子发射方向并不对称，宇宙在这件事情上是偏心的，有非常明确的倾向性，这就是宇称不守恒。这个实验让杨振宁和李政道拿到了1957 年的诺贝尔物理学奖。

明明在强相互作用和电磁作用下，宇称都是对称的，偏偏在弱相互作用的情况下却出现了反常的情况，这就是对称性破缺。

**自发对称性破缺

其实对称性破缺主要有两种类型，一类就像宇称不守恒这样的，规律本身就不满足对称性，叫作显式破缺。

还有一种破缺方式：底层规律是对称的，但系统却选择了一个不对称的状态，叫作自发性对称破缺。

比如在日常生活中，铅笔竖直地放着，理论上它可能朝任何方向倒下，这是完美对称的，但现实里，它一定会朝某一个方向倒下去。这就是：规则对称，但结果不对称。

非常典型的例子是一块普通的铁，在高温下，它其实并没有明显的磁性。可是当它冷却下来，铁就会带有磁性。为什么会这样？

因为铁原子里的电子都有自旋，你可以把这些电子想象成一个小磁针，在高温的时候，热运动会让小磁针搅动起来，它们的小磁针乱七八糟指向不同的方向，结果就是相互抵消，整体上就没有磁性。这个时候，系统是完全对称的，无论你把它转向哪个方向，都一样，没有哪个方向是特殊的。

可是一旦温度下降，热的干扰不够强了，自旋之间的相互作用就开始主导了，这种相互作用会让电子的自旋倾向于齐刷刷对齐。

理论上，这个方向可能是东、是西、是北，任何方向都行，但在现实中，它们必须选一个方向站队。结果就是：铁在宏观上获得磁性。

这就是自发对称性破缺，规律是公平的，发生在任何方向的可能性都是一样的，但在现实里必须选边站，于是对称性在“选择”的那一刻出现了破缺。

除了宇称不守恒和铁磁化，自然界中还有很多对称性破缺的例子，如果世界永远保持完美的对称，它会是死寂而单调的；正因为对称不断被打破，新的活力和复杂性才涌现出来。

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