思考:
液体水中的水分子,任意互换两个分子,水不会产生任何变化。一滴水中,水分子满足多种对称形式。在过冷水中,因为没有任何其他杂质,虽然水应当结冰,但是对称的因素使得水依然保持液态。当过冷水遇到任何与水分子不同的分子时,此时水滴内的对称性产生破缺,水立刻以这个破缺点为中心开始凝结,变成冰。如果过冷水是从空中降落,则成为冰雹。类似状况,雪花的形成。当气温很低而空气中水汽充足,形成大量冰晶核。这些核相互接触,因冰中水分子形状和液体中不同,张角是1/3圆弧,所以形成各种六角形。因冰中水分子连接保持六角旋转对称,最终形成的雪花维持六角旋转对称。
在冷兵器战争年代,战争经常围绕着城墙进行。进攻一方采用各种手段破坏城墙,最易选择的地方就是城墙的薄弱位置。而这个薄弱位置正是城墙防御平移对称性的破缺点。
按照木桶理论,一个木桶能装水的容量取决于最短的木板。木桶本身是旋转对称,每个木板长度都应该是一致的。但出现了对称破缺,导致整体性能下降。类似的情况是产品的寿命,当产品到了寿命终点,每个器件都应当处于同样状态。当出现对称破缺,某个器件还可以坚持使用,就出现了资源浪费。
实际系统中出现的对称破缺可能是局部微小的扰动放大到全局。一个环状多米诺骨牌组,保持平移和旋转对称。某个骨牌倒下,导致骨牌全倒。倒下的骨牌正面向上,则所有骨牌都正面向上,反之亦然。以法国人benad的名字命名的一种对流,也是对称破缺放大到全局的事例。在扁平器皿中放置薄层(相对器皿等尺寸非常小)水,在底部均匀加热。器皿底部水和上层水形成温差。因为加热均匀,整个器皿内水保持水平平移对称,在水的上下有均匀温差,热以传导的形式传递。当上下温差达到一定程度时,对流突然发生!从液体上空来看,出现六角形花纹,如同蜂窝。水的对流是从六角形中心上升,边缘下降。对流发生时,某点的扰动影响突然扩展到全部液体。和多米诺骨牌相同(有条件时,可尝试进行对流实验,体验导、火索的出现,事实上,大气中经常出现benad对流)。
前面提到过惯性,惯性必然涉及外因的出现。宇宙中的事物总是相互联系的(马赫惯性系),对称的事物及其外因是绑定的。当考察某事物对称性变化时,外因的集合(外因的总体)是否满足对称,或外因与事物的关联方式是否满足对称,都会对事物的演变、对称破缺产生影响。而对影响结果的分析,可在不了解事物演变规律的情况下,进行粗略评估。
在上述阐述中,因导致果,是缺省说明的内在要求。称这种关系为因果关系。佛教里面跨越时空的因果关系不在讨论范围内。我们讨论的都是可以重复进行、反复验证的因果关系。
以马格努斯效应为例,如右图。球向左飞行,如果球不旋转,则球保持上下镜像对称,对称中心线就是穿过球心的左右水平线。而球保持旋转。则球的两侧相对空气的速度有差异,破坏了上下对称,即便不了解空气压力,也可知道球偏离原始的单纯向左运动。至于向上还是下偏移,则需要了解运动规则细节才能知道。旋转导致上下对称破缺,产生轨迹偏移。因=对称破缺,果=轨迹偏移,偏移方向位于对称破缺的方向上,即上下方向(而不是垂直纸平面方向)。
法国人居里(他的妻子就是居里夫人)提出对称性原理:原因中的对称性反映在结果中,结果中的对称性不少于原因中的对称性。(对应的逆否定理自己给出)
同样是球的飞行,现在方向变为从纸里向外垂直于纸面飞行,从球的正面观察,球保持旋转对称,对称轴是穿过球心的垂直于纸面的直线。现在球存在旋转,但旋转轴和球的旋转对称轴重合!那么球的旋转没有破坏球在前进方向上的旋转对称性,因此不会对球的飞行轨迹产生任何影响。火器发展到十九世纪,出现线膛枪,射出的子弹就带有旋转,旋转轴和子弹飞行轨迹重合。这种旋转对空气的干扰有很强的抵抗能力,准确度大大高于滑膛枪,现代的枪支都是线膛枪。
思考:
水是良好的溶剂,但是无法溶解油脂。因为水的分子结构对称性低,虽然整体不带电性,却使得分子的某个方向产生电负性,相反方向是电正性。而油脂的分子对称性高,整体和局部都不存在电性。水这样的分子称为极性分子,油脂类型的称为非极性分子。可以想象,水能溶解的物质,都存在和水分子一样的状况,要么是极性分子,要么可以分离为电正性、电负性两部分。而油脂类型的分子也可以做溶剂,比如汽油。可以溶解的分子也必然是对称性程度接近,都是极性分子。比如手上沾了油漆,需要用汽油清洗。酒精,既可溶解极性分子(水),也能和非极性分子混合(香精)。从分子的结构来看,局部是极性分子,局部是非极性分子。但对极性分子和非极性分子的溶解能力都低于极性溶剂和非极性溶剂。洗洁精,使用的溶剂就和酒精类似,同时存在极性部分和非极性部分,可以洗涤油脂,并溶解于水。
平行四边形,满足镜像对称(穿过对角线交点的直线都是对称中心线)、旋