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对称性决定相互作用:一场关于宇宙基本法则的优雅“涌现” 当理论物理学家用数学写下最精炼的宇宙诗篇,那些看似神奇的力与场,不过是时空为了守护某种内在对称性而自然绽放的花朵 清晨的阳光穿过窗棂,洒在书桌一角。你是否曾凝视光线中浮动的微尘,好奇支撑这纷繁万象的背后,究竟遵循着怎样简洁而深刻的法则? 三张看似艰深的科普截图,实则为我们勾勒了一幅现代理论物理的壮丽图景:从对称性中自然“涌现”出的整个相互作用宇宙。 01 道与器:当物理学家谈论“对称性”,他们在谈什么 “形而上者谓之道,形而下者谓之器”。 开篇引言中这句来自《易经》的话,精准地道出了理论物理学的追求:透过现象(器)看本质(道)。 在我们日常经验中,世界变化万千。但物理学告诉我们,在变化中寻找不变,便是通向本质的道路。 这个“不变”的东西,就是对称性。比如,无论你在北京还是上海做同一个物理实验,只要条件相同,结果就应该一样。这叫作“空间平移对称性”,它直接导致了一个深刻的守恒律——动量守恒。 物理学家诺特证明了一条优美定理:每一种连续对称性,都对应一个守恒量。时间平移对称对应能量守恒,空间旋转对称对应角动量守恒。 而现代物理的顶峰发现之一是:我们宇宙中所有基本相互作用(力),都是为了“维护”某种内在对称性而不得不存在的“补救措施”。这,便是“规范对称性”思想的精髓。 02 用数学写诗:宇宙的“作用量”与统一的起源 如何用数学描述整个宇宙的运行?理论物理学家找到了一个核心概念:作用量。 你可以把它想象成宇宙的“开销函数”。宇宙中发生的任何过程,似乎总是选择让这个“总开销”最小的那条路径。这被称为“最小作用量原理”,是物理学的最高指导原则。 从第二张图中,我们看到了一个近乎神奇的公式,它是一个统一的作用量: 这个公式像一首精炼的史诗,仅仅三行,却编码了弯曲时空中引力、电子与光子的全部动力学: 第一项描述了时空的弯曲(爱因斯坦的广义相对论)。 第二项描述了电子场的运动(狄拉克方程)。 第三项描述了电子与光子的相互作用。 这个统一作用量的美妙在于,我们不需要凭空“发明”各种力。我们只需要写下描述自由粒子(如电子)的理论,然后要求这个理论在某种局部对称变换下保持不变。
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5.1、客观世界的三大基本构成:物质(实物与场)、能量、信息。 客观世界的存在基础由物质、能量与信息共同构筑:物质以实体与场的形态构建了世界的物理基础,能量驱动着物质运动与形态转化,而信息则编织出万物间的内在关联。物质不仅包含可感知的固态、液态、气态实体,还涵盖电磁场、引力场等无形却客观存在的场形态,二者通过量子场论实现了统一诠释——场作为基态量子的激发态,以波粒二象性编织出物质世界的底层结构。能量作为物质运动的量度,既以动能、势能、化学能等经典形式显化于宏观世界,又在微观层面通过质能方程揭示出质量与能量的本质统一,更通过量子涨落驱动着真空中的粒子生成与湮灭,构成了宇宙永恒运动的动力源泉。 信息则超越物质与能量的存在维度,是对客观世界的描述和记录,它既是粒子运动轨迹的记录者,也是宇宙演化规律的承载者,也传递着人类的知识、指令和意义。香农信息理论提出的“消除不确定性”定义揭示了信息对物质运动的观测价值,从DNA编码的生命蓝图到电磁波传递的星际信号,信息始终渗透在能量转化与物质重组的过程中。在更本质的层面,这三元结构揭示了存在的一体多面性——物质是凝固的能量,能量是活跃的物质,而信息则是它们组织与演化的内在法则。 中国古代哲学中的“炁”(读音同“气”,qì)与现代物理学的暗能量假说,都暗示着物质、能量、信息实为同一本质的不同显现面——物质承载能量形态,能量驱动信息流动,而信息又定义着物质存在的本质特性。正如《道德经》所述“混而为一”的宇宙观,这三者在量子涨落中交融,在时空曲率里统一,共同编织出客观世界的存在网络。 “AI哲学一吴怀宇”(中科院博士、北大博士后)作者主页:www.OpenDAI.org;邮件:huaiyuwu@sina.com 视频号/公众号:AI哲学一吴怀宇中国科学院(人工智能哲学)
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