真实的空间旋转对称

时间:2023-11-20 07:39:03

塞思·劳埃德(Seth Lloyd):麻省理工学院量子力学工程教授,著有《为宇宙编程》(Programming the Universe)。

真实的空间旋转对称

以下具有深邃与美雅特点的有关空间的真实旋转对称的理论,来自于已故的悉尼·科尔曼(Sidney Coleman),在哈佛大学的研究生物理课上所言。这条理论采取的是物理实践的方式,你也可以亲身体验一番。尽管该理论具有优雅性,却不容易阐述,也很难亲力亲为去体验。它或许需要反复实践,所以请先做好准备活动:你将以一种深邃且颇具个人特色的方式,来体验空间的真实旋转对称!

实际上,物理定律是基于对称性的,而空间旋转对称是其中最为深奥的对称性之一。最具旋转对称的物体是球体。比如说拿一个足球或是篮球,这上面刻有标签或某处写着字。然后随便找个轴心,让球旋转。空间的旋转对称意味着,球体的形状在旋转时,不会发生变化。此外,如果球体上有标志,当你将球旋转360度时,标志会回到原来的位置。去试试吧,用双手抱着球,然后将它旋转360度,直到标志转回到原处。

你或许会说,这没什么难的啊。但这是因为你尚未证实空间的真实旋转对称。如果要证明这个对称性,还需要用上更为花里胡哨的动作。现在,请你一只手捧着球,掌心向上。你的目标是旋转这个球并保持掌心朝上。这就有些难度了吧,但如果迈克尔·乔丹能做到的话,那你也能做到。

步骤如下:

保持掌心向上,朝着身体向内旋转球。在旋转90度时,球会平稳地被你移动到手臂下方。

继续以相同的方向旋转,并保持掌心朝上,在旋转了180度时,你的手臂会伸到背后,并保持球依然捧在你的手上。

在你旋转到270度时,为了保证你的手掌向上,你的手臂会很笨拙地朝向一边,球则看上去摇摇欲坠。

这时,你会觉得不太可能能够旋转完最后的90度来完成一个整圈。然而只要你尝试,你就发现,通过提高上臂保持手掌向上,在你弯曲胳膊肘时,使前臂向前,球就可以继续得以旋转。这个时候,球就已经旋转了360度,也就是整整一圈了。如果你所做的一切都与上述步骤毫厘不差的话,你的胳膊会感到扭曲不平,痛到极处,极为不舒服。

为了减轻疼痛,只能继续旋转一个额外的90度,变成一又四分之一圈,并继续保持掌心一直向上。这颗球现在应该在你头上某个地方,现在你肩膀上的痛感应该有所减轻了。

最后,像一名服务生手上举着放有主菜的托盘一样,继续旋转最后3/4圈,让球和自己的手臂回到原来的位置(终于解脱了!)。

如果你努力正确地完成了这些步骤,而且毫发未损,你会发现,球运行过的轨计类似一个扭曲的8,或是一个无穷大的符号(∞),所以球在空间中并不是旋转了一次,而是两次。空间的真实旋转对称性不是旋转360度,而是720度。

尽管这个练习看起来不过是个花里花哨但又让人痛苦的篮球特技,但说明了空间的真实旋转对称性不是旋转一次,而是两次的这个事实,对物理世界最微观层面的本质来说,却有着意义深远的影响。它蕴含着,当“球体”(如电子)连接到远处某一个易弯曲和可变形的“线体”时(如磁场线),必须要旋转两次才能回到它们原始的配置。进行更深入的研究之后,球面对称的双重旋转性质意味着,两个有着相同旋转方向的电子,不能同一时间放置在同一个地方。这个不相容原理构成了物质的稳定性。如果验证空间的真实对称只需要旋转一次,那么你体内所有的原子会瞬间化为虚无。但幸运的是,空间的真实对称性由旋转两次组成,而你体内的原子是稳定的,当你冰敷因做上述实验而受伤的肩膀时,这一事实应该可以安慰到你。