如何理解宇宙中所有物理定律的起源？

為什麼說對稱性是支配物理宇宙萬法的源頭 我們的宇宙似乎被許多燒腦的定律所支配 但它們其實都來自於一個更加純粹的概念 對稱性 它是指某個對象具有某種變換下的不變性 對於一個具有旋轉對稱性的球體而言 無論你如何轉動 它的形狀始終保持不變 同樣對於一個具有平移對稱性的無限長的繩子而言 無論你如何平移 它也不會發生任何變化 為了理解大範圍尺度下宇宙的平移對稱性 假設我們在真空中扔出一個小球 它會沿著一條直線運動 無論我們處於任何位置 小球的移動方式都將會保持一致 而支配小球運動的物理定律也不會發生任何變化 並且宇宙也具有旋轉對稱性和時間對稱性 即無論我們在任意時間中如何旋轉自身位置 小球的運動狀態始終都不會發生任何變化 也就是說 在宇宙中自身的時間和空間都不會改變其原有的物理定律 而每一種對稱性也都會與守恆定律相對應 這便是著名的諾特定律 同時它也適用於組成物質的微觀量子場 比如在由負數組成的電子場中 即使我們同時改變所有負數的相位 它們的定律也不會發生任何變化 為了更直觀地理解這一現象 假設我們測量一架飛機的高度 在不同的參考面下就會得出不同的數值 但飛機的物理場景卻不會因參考面的不同而發生改變 根據諾特定理的解釋 這種對稱性同樣也對應了一個守恆量 這就是電荷守恆 因此任何一種守恆定律都不是物理的本質 而物理量也不一定守恆 它僅僅只有在宇宙中才能表現出相應的對稱性 但現實的情況是宇宙並非完全對稱 比如在大時間尺度下 由於宇宙處於不斷地膨脹狀態 會使宇宙中的光線逐漸失去能量 其波長也會隨著空間的膨脹而逐漸增大 最終導致能量無法守恆 並且由於宇宙中充滿了各種星體 當我們扔出小球後 它就會因時空區域的變化發生改變 從而使動量也無法守恆 所以宇宙不僅不完全對稱 並且由於參考系的不同 會導致其物理定律也各不相同 假設我們在一艘離星機飛船中扔出小球 從外部看小球的方向始終保持不變 而從內部看小球似乎在向下墜落 這就好比飛機在向前行駛時 如果以海平面為參考面 我們就會得出一個固定的高度值 而如果以陡峭的山峯為參考面 那麼我們所測出的高度值 就會不斷地發生變化 飛機也彷彿是在曲折前進 但無論是何種情況 飛機真實的物理場景始終沒有改變 為了保持物理定律的不變性 這時我們就需要引入一種立場 它會根據參考面的不同 不斷地向飛機施加向上或向下的推力 同樣當我們位於飛船內部時 也需要引入一種額外的立場 並將小球的運動軌跡稱之為慣性力 正是這種局部慣性系下的等效原理 才使愛因斯坦推開了廣義相對論的大門 並以此引入彎曲時空這一幾何效應 使其能夠將宇宙中不同狀態下的 所有物理定律全都保持一致 而通過引入額外立場 來恢復物理定律的絕對不變性 其實是來自於量子力學中 所有粒子間的相互作用的 我們所接觸到任何物體 甚至宇宙中所有的光的運動軌跡 其實都需要引入立場來解釋其行為的變化 從而保持物理系統上的對稱 作為物理規律中最重要的基本原則 對稱性不僅使我們更好的描述和理解自然界中 各種現象和相互作用 同時還能引導我們 去探尋更為深層次的物理定律 幫助我們不斷地揭示宇宙的終極奧祕