對(duì)稱性破缺（跨物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的概念）
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對(duì)稱性破缺
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項(xiàng)
跨物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的概念
對(duì)稱性破缺是一個(gè)跨物理學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)與系統(tǒng)論等學(xué)科的概念，狹義簡單理解為對(duì)稱元素的喪失；也可理解為原來具有較高對(duì)稱性的系統(tǒng)，出現(xiàn)不對(duì)稱因素，其對(duì)稱程度自發(fā)降低的現(xiàn)象。對(duì)稱破缺是事物差異性的方式，任何的對(duì)稱都一定存在對(duì)稱破缺。對(duì)稱性是普遍存在于各個(gè)尺度下的系統(tǒng)中，有對(duì)稱性的存在，就必然存在對(duì)稱性的破缺。對(duì)稱性破缺也是量子場(chǎng)論的重要概念，指理論的對(duì)稱性為真空所破壞，對(duì)探索宇宙的本原有重要意義。它包含“自發(fā)對(duì)稱性破缺”和“動(dòng)力學(xué)對(duì)稱性破缺”兩種情形。
基本信息
| 中文名 | 對(duì)稱性破缺 |
| 外文名 | Symmetry Breaking |
基本介紹
李政道認(rèn)為對(duì)稱性原理均根植于“不可觀測(cè)量”的理論假設(shè)上；不可觀測(cè)就意味著對(duì)稱性，任何不對(duì)稱性的發(fā)現(xiàn)必定意味著存在某種可觀測(cè)量。李政道說：“這些‘不可觀測(cè)量’中，有一些只是由于我們目前測(cè)量能力的限制。當(dāng)我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到改進(jìn)時(shí)，我們的觀測(cè)范圍自然要擴(kuò)大。因而，完全有可能到某種時(shí)候，我們能夠探測(cè)到某個(gè)假設(shè)的‘不可觀測(cè)量’，而這正是對(duì)稱破壞的根源。
這和“對(duì)稱性破缺則是由‘宏觀’走向‘微觀’而展現(xiàn)事物差異性的方式”哲學(xué)觀點(diǎn)是一致的。
物理
物理學(xué)中幾何對(duì)稱與抽象對(duì)稱
對(duì)稱性破缺可以理解為原來具有較高對(duì)稱性的系統(tǒng)，出現(xiàn)不對(duì)稱因素，其對(duì)稱程度自發(fā)降低的現(xiàn)象。或者用物理語言敘述為：控制參量λ跨越某臨界值時(shí)，系統(tǒng)原有對(duì)稱性較高的狀態(tài)失穩(wěn)，新出現(xiàn)若干個(gè)等價(jià)的、對(duì)稱性較低的穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)將向其中之一過渡。和前面群論提到幾何對(duì)稱操作中旋轉(zhuǎn)、反映、反演相似，在物理學(xué)中則是電荷對(duì)稱、時(shí)間反演、空間反映，的對(duì)稱操作就是C、T、P。CTP也存在對(duì)稱與破缺。
按照諾特定理，守恒量意味著對(duì)稱性；在物理學(xué)上不僅僅有幾何的對(duì)稱還有抽象的對(duì)稱。比如：電荷守恒定律涉及抽象的性質(zhì)而非動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)，它對(duì)應(yīng)著抽象的對(duì)稱性；還有保守力在保守場(chǎng)中的做功，這些就是規(guī)范對(duì)稱。在尋求各種相互作用力的理想的量子理論中，規(guī)范對(duì)稱性在起著核心的作用；而且統(tǒng)一力的理論嘗試也是在規(guī)范對(duì)稱性的范圍之內(nèi)的。
 對(duì)稱性破缺 |
超對(duì)稱
在70 年代早期，理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)比旋轉(zhuǎn)和平移這種操作更深刻，更有效的幾何對(duì)稱性，這就是超對(duì)稱。比如具有1/2 費(fèi)米子必須轉(zhuǎn)動(dòng)720°才能回復(fù)到原先的位置，這種雙值性決定了它的幾何對(duì)稱操作玻色子完全不同。這樣的性質(zhì)在通常空間的幾何操作的框架內(nèi)是不能處理的。在超對(duì)稱理論中，在通常的四維時(shí)空上附加另外的四維，稱為超空間，目的是為了容納費(fèi)米子奇異的幾何性質(zhì)。因此這些附加的“費(fèi)米維數(shù)”不是我們所知的空間或時(shí)間的維數(shù)。超對(duì)稱操作能從通常空間轉(zhuǎn)到附加的費(fèi)米維數(shù)，即能把玻色子變?yōu)橘M(fèi)米子，把費(fèi)米子變?yōu)椴Ｉ印Ｋ晕覀兛梢园奄M(fèi)米子和玻色子看成一個(gè)幾何存在的兩個(gè)不同的投影。
對(duì)稱粒子。 |
按照這個(gè)理論，費(fèi)米子和玻色子具有直接的物理聯(lián)系，費(fèi)米子與玻色子相互對(duì)應(yīng)，即每個(gè)粒子都有其超對(duì)稱伴侶；但從現(xiàn)在已知的玻色子和費(fèi)米子來看，這種對(duì)稱性似乎不成立的。有觀點(diǎn)認(rèn)為，現(xiàn)在物理學(xué)中系統(tǒng)的對(duì)稱性破缺，是因?yàn)楦顚哟蔚膶?duì)稱性是隱藏著的，也許自然本身是超對(duì)稱的；同樣，超對(duì)稱也會(huì)出現(xiàn)真空自發(fā)破缺。
德國數(shù)學(xué)家卡魯扎（Kaluza）提出，通過附加一維額外的虛空間自由度來寫出五維而不是四維的愛因斯坦引力場(chǎng)方程；五維的愛因斯坦場(chǎng)方程不但給出了通常的四維引力方程，還給出另外一組方程，而這正好就是電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組。按照這個(gè)理論電磁作用和引力作用都不是單獨(dú)的力，而是在不可見的更高維空間自由度的世界里。奧斯卡·克萊因（O.Klein）認(rèn)為我們沒能察覺到那一維額外自由度的原因是，在某種意義上它“卷縮”到一個(gè)非常小的尺度，就好比一個(gè)水管在遠(yuǎn)處看就會(huì)把它當(dāng)成一個(gè)曲線。這個(gè)尺度就是普朗克尺度，10*（-35）米是空間被分割的最小距離。
弱作用規(guī)范
斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜斯·薩拉姆（Abdus Salam）各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)有可能在不破壞弱作用內(nèi)在的規(guī)范對(duì)稱性的情況下使弱“媒介”粒子獲得質(zhì)量。這一質(zhì)量可以通過弱作用場(chǎng)內(nèi)部一定的相互作用來自發(fā)地產(chǎn)生，弱作用的規(guī)范對(duì)稱性可能是自發(fā)破壞而不是動(dòng)力學(xué)破壞。整體對(duì)稱性是一個(gè)連續(xù)變換群，整體對(duì)稱性自發(fā)破缺，零自旋、零質(zhì)量粒子就會(huì)產(chǎn)生，稱為戈德斯通（Goldstone）玻色子，如果局部對(duì)稱規(guī)范群自發(fā)破缺，部分戈德斯通玻色子將會(huì)得到質(zhì)量，即希格斯機(jī)制。溫伯格和薩拉姆提出W 和Z 粒子（弱作用的“媒介”粒子）是通過弱作用希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量的。希格斯場(chǎng)量子是有質(zhì)量無自旋的玻色子，它與電磁－弱作用場(chǎng)相耦合，在這種耦合的作用下，系統(tǒng)選擇了最低能量狀態(tài)，使得W 和Z 獲得大質(zhì)量。
對(duì)規(guī)范對(duì)稱的描述也要用到數(shù)學(xué)的群論，描述這種連續(xù)對(duì)稱的稱為李群。例如圓環(huán)上的對(duì)稱性，一個(gè)圓環(huán)在繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)任何角度時(shí)保持對(duì)稱。這些轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)群，稱為U（1），其中U 代表“幺正”的意思，是一種特定的數(shù)學(xué)性質(zhì)。碰巧電磁場(chǎng)的規(guī)范對(duì)稱性正是這種U（1）對(duì)稱，為Able 群；不過是在某一抽象空間中，而非真實(shí)的空間。弱力和電磁力可由SU(2)xU(1)非阿貝爾規(guī)范理論來統(tǒng)一描述，S 代表“特殊”；已有標(biāo)準(zhǔn)模型：SU(3)x SU(2) x U(1)（非阿貝爾規(guī)范理論）來描述強(qiáng)、弱、電磁三種力，我們?cè)谶@里并不關(guān)心它在數(shù)學(xué)上的具體含義。
11維空間
M-理論中11維空間示意圖
11 維空間能否成立？弱作用的一個(gè)明顯特征是它破壞左右鏡象對(duì)稱，這意味著基本粒子具有‘手性’，確定的手征性只存在于單數(shù)維的空間中；也就是說，空間的維數(shù)是奇數(shù)，因而時(shí)空的維數(shù)必定是偶數(shù)。這是11 維空間遇到的難題。
生物
對(duì)稱性破缺與生物起源
二次迭代Mandelbrot 集與分子填充為組織的迭代比較。他們?cè)从诓煌姆蔷€性過程，諸多分形結(jié)構(gòu)都具有M 集的類似特征。這個(gè)過程是高度非線性的，依賴這樣的非線性使得結(jié)構(gòu)具有自相似性。生物源于宇宙對(duì)稱性破缺，分子系統(tǒng)豐富多彩的結(jié)構(gòu)也通過對(duì)稱破缺而發(fā)展。
 對(duì)稱性破缺 |
那么從宇宙物質(zhì)產(chǎn)生到產(chǎn)生生命要經(jīng)歷那些不對(duì)稱的過程呢？
宇宙形成過程就是對(duì)稱性破缺，最初的宇宙為對(duì)稱真空態(tài)（作為奇點(diǎn)的量子真空以指數(shù)方式膨脹，即暴漲），宇宙的對(duì)稱性逐步喪失。隨著宇宙的膨脹和降溫，原真空態(tài)發(fā)生一系列相變:10-44s 時(shí)，引力作用分化出來，夸克和輕子可相互轉(zhuǎn)變。
 對(duì)稱性破缺 用力又能統(tǒng)一為超力。 |
10*（-36）s 時(shí)強(qiáng)相互作用同電，弱作用分離，開始出現(xiàn)物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱;10*（-10）s 后，弱作用與電磁作用分離。要產(chǎn)生物質(zhì)構(gòu)成的世界，就必須正反物質(zhì)不對(duì)稱；否則就會(huì)湮滅。最初宇宙正反物質(zhì)幾乎一樣多，不對(duì)稱度僅為A=3×10*（-8）。宇宙演化產(chǎn)生不對(duì)稱機(jī)制，使得重子數(shù)不對(duì)稱；這就要求CP的對(duì)稱破缺，打破了重子數(shù)的守恒，從而形成現(xiàn)在物質(zhì)占主要的世界。物質(zhì)在四種作用力下分層次演化。通過復(fù)雜的核合成過程形成早期的原子核，再形成原子和分子。
手性弱力提供了對(duì)稱破缺的擾動(dòng)
奧克蘭大學(xué)的Chris C. King 在宇宙生物學(xué)論文中提到在Murchison 隕石（1969 年落于澳大利亞）上非生物氨基酸往往傾向于左手構(gòu)型。這說明，在生物產(chǎn)生以前這種不對(duì)稱機(jī)制就可能已經(jīng)存在。
手性破缺
宇稱不守恒弱相互作用對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生手性分子有兩種假說。一種是以帶電電流宇稱不守恒（Charged Current－Parity Non conservation:CC－PNC）為基礎(chǔ)的假說，認(rèn)為由于CC－PNC，β衰變產(chǎn)生徑向極化電子，進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生圓偏振光輻射，導(dǎo)致底物分子立體選擇合成或分解，從而產(chǎn)生手性分子。
另一種以弱中性流宇稱不守恒（Neutral Current－Parity Non conservation:NC－PNC）為基礎(chǔ)的假說，認(rèn)為NC－PNC 造成對(duì)映體之間微小的能差叫宇稱破缺能差（Parity Violating Energy Difference, PVED），PVED 進(jìn)一步在對(duì)映體分子的物理性質(zhì)及反應(yīng)速率上形成差別，經(jīng)過放大可以產(chǎn)生均一的手性。
Vester-Ulbricht機(jī)理一個(gè)基本粒子（電子或正電子）靜止時(shí)是球?qū)ΨQ的，因此是非手征性的。但一個(gè)自旋粒子沿著自旋軸的任一方向移動(dòng)時(shí)，它就成為手征性的。β-電子為左手螺旋電子，β+電子為右手螺旋電子。Goldharber 在1957 年發(fā)現(xiàn)，從某一輻射核? 衰變中產(chǎn)生的電子是徑向偏振的，由此電子產(chǎn)生的韌致輻射產(chǎn)生圓偏振光。
1959年Vester 和Ulbricht首先將β衰變的不對(duì)稱性和生物分子的不對(duì)稱性聯(lián)系起來，提出Vester-Ulbricht機(jī)制。不對(duì)稱性可從基本粒子水平轉(zhuǎn)移到分子水平，? 衰變所表現(xiàn)的手性與自然界生物分子的手性間有因果關(guān)系。? 衰變中產(chǎn)生的偏振電子，對(duì)外消旋分子或前手性分子產(chǎn)生非對(duì)稱性影響，最后由不對(duì)稱合成或分解產(chǎn)生手性分子。β衰變→縱向偏振電子→園偏振電子→不對(duì)稱光化學(xué)作用→手性的。
Vester-Ulbricht機(jī)理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)1968 年，Garay 將1.33e7Bq 的SrCl2，分別加入到L 與D 型酪氨酸的堿性溶液中，在室溫放置18 個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)D-酪氨酸分解比L 型顯著，并認(rèn)為這是由于發(fā)生偏振光的? 射線作用，是D-酪氨酸進(jìn)行了立體有擇性分解。1975 年Bonner 用120keV 的線性加速器，來產(chǎn)生天然的自然反平行（AP）“左手性”電子，也可產(chǎn)生非天然的自旋平行（P）“右手性”電子，進(jìn)行輻解D-和L-亮氨酸的實(shí)驗(yàn)。在53%-76%樣品分解后，AP 電子產(chǎn)生0.60%-1.42%過量的L-亮氨酸，P 電子可產(chǎn)生0.74%-1.14%過量的D-氨基酸。1976年Darge 等將標(biāo)記32P 的磷酸鹽加入到消旋的D、L-色氨酸水溶液中，在-25℃下放置12 周后測(cè)定紫外光譜，發(fā)現(xiàn)色氨酸的分解率為33%，必旋光度為+（0.7±0.4）e-3 度。由此可見L-色氨酸比D-色氨酸優(yōu)先分解，造成了大約19%的D-色氨酸的濃集。這一結(jié)果與Garay的結(jié)果矛盾。但Bonner重復(fù)Garay和Darge的實(shí)驗(yàn),Hodge重復(fù)Bonner的實(shí)驗(yàn)，都沒得到立體選擇的結(jié)果，使得這一假說爭(zhēng)論了近半個(gè)世紀(jì)。
王文清認(rèn)為γ射線無手性選擇分解；β電子對(duì)氨基酸的不對(duì)稱分解只有在低溫、初始階段遠(yuǎn)離平衡態(tài)，即在開放體系才能得到，如無放大機(jī)制，達(dá)到熱力學(xué)平衡差別消失。王文清根據(jù)王建英、羅遼復(fù)理論研究，以量子力學(xué)的理論方法，從β電子與手性分子的電磁作用出發(fā)，探討了β電子和正電子在不對(duì)稱分子上的非彈性碰撞，證明了對(duì)于對(duì)映異構(gòu)體D－和L－氨基酸分子，碰撞截面的相對(duì)差值。差值F與旋光強(qiáng)度和和偶極強(qiáng)度的比值成比例，數(shù)值上為10－6量級(jí)，通過運(yùn)算得到，當(dāng)L型分子旋光強(qiáng)度大于零時(shí)，極化電子優(yōu)先分解D型分子，反之當(dāng)旋光強(qiáng)度小于零時(shí)，極化電子優(yōu)先分解L型分子。1993 年王文清、羅遼復(fù)在意大利國際生命起源會(huì)議上指出：長期以來，人們忽視了構(gòu)型和旋光興并不是同一概念，? 粒子是對(duì)氨基酸的旋光性（左旋Rn<0,，右旋Rn>0）有選擇，而不是對(duì)構(gòu)型（D，L）有選擇。
β電子和手性分子左右不對(duì)稱碰撞，導(dǎo)致某些特定的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)的不對(duì)稱為10*(－6)量級(jí)，并且對(duì)于每一確定的化學(xué)反應(yīng)都有確定的符號(hào)。速率常數(shù)的不對(duì)稱性將在反應(yīng)擴(kuò)散方程中加入不對(duì)稱的外力項(xiàng)，在反應(yīng)擴(kuò)散方程的解－L和D型分子的濃度中，這種不對(duì)稱效應(yīng)被明顯放大。根據(jù)丁達(dá)夫、徐京華分析，如果不對(duì)稱外力為η量級(jí)，則解的不對(duì)稱性可達(dá)η1/3的量級(jí)。因此，在β電子照射下，通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)可使D和L型氨基酸分子的相對(duì)濃度差別達(dá)到10*(－2)～10*(－3)。另一方面，如果這種化學(xué)反應(yīng)與多聚鏈的形成有關(guān)，當(dāng)鏈長為10*(2)～10*(3)個(gè)分子時(shí)，L和D型分子鏈的濃度差別將達(dá)到0(1)的量級(jí)。這就有可能解釋為什么很多生物大分子都具有確定的手性。
Salam 假說
1991 年Salam 提出：Salam認(rèn)為電磁力不是唯一引起化學(xué)反應(yīng)力，電弱Z0也在化學(xué)效應(yīng)中期作用。由于Z0相互作用，電子與電子耦合成庫柏對(duì)，借助量子力學(xué)協(xié)同效應(yīng)，由于玻色凝聚，在某一臨界低溫Tc 下引起二級(jí)相變，包括D 型氨基酸向L性相變。一般來說，Tc 是個(gè)低溫值，地球作為L-氨基酸形成之地太熱了。所以他設(shè)想，在低溫、原始宇宙空間早在地球形成前氨基酸的手性選擇就已進(jìn)行（這和隕石發(fā)現(xiàn)吻合）。S.F.Mason G.E.Trantar 對(duì)若干個(gè)L 型和D 型氨基酸的能量進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并考慮了不對(duì)稱的Z力，預(yù)料中的對(duì)映體之間的能量分裂出現(xiàn)了。在所有情形下，生物學(xué)上占優(yōu)勢(shì)的L-氨基酸和D-核糖都具有較低的能量。計(jì)算結(jié)果如下：(L-D)Ala：
-3.0×10-19ev；(L-D)Val：-6.2×10-19ev；(L-D)Ser：-2.3×10-19ev；(L-D)Asp：-4.8×10-19ev；(L-D)核糖：+1.8×10-19ev可見，對(duì)映體分子間的能量差數(shù)量級(jí)為10-19ev。300K 時(shí)，L型比D 性氨基酸數(shù)量多1/107。
1994 年4 月王文清、盛湘蓉與楊宏順、陳兆甲科研組合作，利用搽粉絕熱連續(xù)加熱量法在77.35K 到300K 區(qū)間，以0.5K/min升溫速率（或降溫速率）測(cè)定D-纈氨酸和L-纈氨酸的比熱容與T 圖，發(fā)現(xiàn)D-纈氨酸在270±1K 有明顯λ相變，而L-纈氨酸則無。經(jīng)多次熱循環(huán)及以L-纈氨酸作參比樣品，D-纈氨酸在同一溫度均重復(fù)出現(xiàn)比熱容尖峰。D-纈氨酸單晶X 衍射晶格數(shù)據(jù)顯示，在臨界溫度Tc 前后，無明顯晶格變化。試探排除了水汽、結(jié)晶水及晶格變化對(duì)比熱容的貢獻(xiàn)，王文清等人認(rèn)為比熱容異常是由于電子耦合成庫柏對(duì)及協(xié)同效應(yīng)的S電子比熱容貢獻(xiàn)，并認(rèn)為D-纈氨酸的相變可能是D 型向L 型轉(zhuǎn)變的二級(jí)相變。同樣，對(duì)于D-丙氨酸單晶分子，在低溫200K 到300K 出現(xiàn)了磁相變，這與比熱容測(cè)出的λ相變溫度一致，人們認(rèn)為，該溫度也許就是D-丙氨酸向L-型轉(zhuǎn)變的二級(jí)相變。
Salam 假說：1.亞原子水平上表現(xiàn)出的Z 力結(jié)合電磁相互作用，在凝聚態(tài)氨基酸單晶D 和L 型分子中被首次檢測(cè)到，這在理論上有重大意義；2.D-丙氨酸和D-纈氨酸均在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了比熱容的λ相變，這將有助于證明Salam 假說中提到的D 型氨基酸向L-型轉(zhuǎn)變的二級(jí)相變。
局限性
首先Garay等人的實(shí)驗(yàn)都不能嚴(yán)密地證明V-U機(jī)理，Bonner 的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電子能量為60eV 時(shí)，選擇分解消失。而且，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的一些重復(fù)也往往既得不到肯定也得不到否定的結(jié)果。按照王文清提出的構(gòu)型和旋光興并不是同一概念，? 粒子是對(duì)氨基酸的旋光性有選擇，而不是對(duì)構(gòu)型（D，L）有選擇。因此不能解釋生命分子構(gòu)型的手性單一性。而在Salam 假說中10-19ev如此微小的概率差異，能否成為生命選擇單一手性機(jī)制的原因？就算二級(jí)相變存在，從氨基酸混消旋體轉(zhuǎn)變成某種手性單一的氨基酸分子的過程，需要越過一個(gè)大的活化能勢(shì)壘。如果這個(gè)相變發(fā)生，將導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂。顯然，這兩種學(xué)說及相關(guān)實(shí)驗(yàn)只證明了手性分子極其微小的對(duì)稱差異，這不是生命手性分子起源的根本。隕石分子的發(fā)現(xiàn)和這些實(shí)驗(yàn)說明在生命產(chǎn)生之前，手性分子在數(shù)量上微小的差異就已經(jīng)存在；但這樣的差異必定要通過一個(gè)放大機(jī)制給予放大，才能形成現(xiàn)在生物分子的單一手性。
耗散分岔
耗散理論在解釋生命分子手性起源中取得了較大成功，這也是筆者所擁護(hù)的觀點(diǎn)；近些年也得到更多的實(shí)驗(yàn)支持。普利高津(Prigogine)認(rèn)為，在遠(yuǎn)離平衡的條件下，一個(gè)開放的物理化學(xué)體系可以通過分支現(xiàn)象，從原先空間均勻的各向同性狀態(tài)發(fā)展到集中都是穩(wěn)定的但時(shí)空特性可能不同的有序狀態(tài)，即由無序中產(chǎn)生有序。這兩種空間有序狀態(tài)唯一的差別可能僅僅在于其對(duì)稱性，體系遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)在分支點(diǎn)附近對(duì)微小擾動(dòng)是敏感的。1998年Kenso Soai和他的小組證實(shí)了分叉結(jié)構(gòu)（bifurcation framework）。他們采用了混合了對(duì)映異構(gòu)的亮氨酸，其中一種構(gòu)型少量過剩。在這不均衡的溶液中反應(yīng)形成的嘧啶醇也有一種對(duì)映體少量過剩。這種分子在自身形成過程中能起催化作用，因而占主導(dǎo)地位。因?yàn)樽源呋难h(huán)反應(yīng)結(jié)構(gòu)放大了這個(gè)細(xì)微手性破缺效應(yīng)，這使得生命分子為擇單一手性。
1995 年3 月，美國《科學(xué)》雜志報(bào)道在洛杉磯召開的“生物分子手性均一起源”的國際會(huì)議上，與會(huì)的物理、化學(xué)、天文學(xué)家大多數(shù)認(rèn)為，“沒有手性就沒有生命”，“手性起源先于生命”而不是生命自然選擇了手性。
2006 年6 月1 日出版的《Nature》7093 期第621 頁一篇題為“Thermodynamic control of asymmetric amplification in amino acid catalysis”的文章，Martin Klussmann 等人提出了手性分子不對(duì)稱擴(kuò)增的另一種解釋，這是對(duì)自催化機(jī)制的一種替代機(jī)制。與傳統(tǒng)手性藥物合成不同的是，這是一種動(dòng)力學(xué)控制下的不對(duì)稱擴(kuò)增。
總的來說分子的手性根源來自于弱相互作用，這說明電磁作用力并不是化學(xué)尺度上唯一影響化學(xué)分子的作用力。弱相互作用所誘發(fā)的費(fèi)米子的手征性，主要通過反饋特征的自催化效應(yīng)及其它某種放大機(jī)制，放大到分子尺度，從而成為生命形成重要的驅(qū)動(dòng)因素。
反饋機(jī)制
我們知道生命分子的產(chǎn)生是源于反饋的自催化機(jī)制通過循環(huán)結(jié)構(gòu)將微小的差距放大；而我們的社會(huì)也是一個(gè)充滿張力的循環(huán)結(jié)構(gòu)。自然界存在各式各樣的不對(duì)稱差異，能夠放大這樣差異的則是事物自身反饋效應(yīng)。在達(dá)爾文進(jìn)化論中性別選擇是一個(gè)很重要的部分，這可以理解為物種自身對(duì)自身的一個(gè)選擇力，也具有反饋特征。
舉例
宇稱不守恒
對(duì)稱性破缺
1956年，李政道和楊振寧解決了這個(gè)難題。他們提出弱相互作用過程中宇稱不守恒的設(shè)想，吳健雄的鈷60原子核b 蛻變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)設(shè)想。1957年，吳健雄在10-2 K下做原子核b 衰變實(shí)驗(yàn)，用核磁共振技術(shù)使核自旋按確定方向排列，觀察b 衰變后的電子數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)無鏡像對(duì)稱性 —— 證明了弱作用的宇稱不守恒性。
1957年李政道和楊振寧獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。
對(duì)稱性破缺
1900年法國學(xué)者貝納爾 (H.Benard)發(fā)現(xiàn)：從下面均勻加熱水平容器中薄層液體時(shí)，若上下溫差超過一臨界值, 液體中突現(xiàn)類似蜂房的六邊形網(wǎng)格, 液體的傳熱方式由熱傳導(dǎo)過渡到了對(duì)流，每個(gè)六角形中心的液體向上流動(dòng)，邊界處液體向下流動(dòng)。這是對(duì)流與抑止因素(黏性和熱擴(kuò)散)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
對(duì)稱性破缺
這是1443年 Paolo Uccello繪制的24小時(shí)逆時(shí)針方向運(yùn)行的“怪鐘”（如圖）。經(jīng)濟(jì)學(xué)家Arthur Brian以此鐘為例，論述經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的正反饋現(xiàn)象。他說，1443年鐘的設(shè)計(jì)尚未定型。一種表盤的設(shè)計(jì)用得愈多，就有更多人習(xí)慣于讀它，以后它就被采用得愈多。最后形成現(xiàn)在的慣例。這就是從 正反饋到失穩(wěn)，再從失穩(wěn)到對(duì)稱破缺的過程。
重子與反重子
1933年Dirac理論預(yù)言: 每種粒子都有自己的反粒子, 正反粒子完全對(duì)稱，也許在遙遠(yuǎn)的地方存在“反物質(zhì)世界（anti-world）”。按照粒子物理學(xué)的分類，質(zhì)子、中子以及它們的反粒子都屬于重子，重子數(shù)B 是個(gè)守恒量。重子數(shù) B 的定義是：每個(gè)重子的B =1, 每個(gè)反重子的B =-1。于是，在重子對(duì)產(chǎn)生和湮滅的過程中，重子數(shù)總和保持為零。各種天文觀測(cè)表明：宇宙線中反質(zhì)子與質(zhì)子數(shù)量之比< ；無論在太陽系內(nèi)、銀河系內(nèi)、還是整個(gè)星系團(tuán)的更大范圍內(nèi)，都未觀察到湮沒引起的強(qiáng)大g 射線。如果認(rèn)為重子數(shù)守恒是一條在任何情況下都顛撲不破的定理，就只好認(rèn)為，宇宙從它誕生時(shí)刻起就存在現(xiàn)今那樣多的不為零的重子數(shù)，即重子與反重子一開始就不對(duì)稱。目前，對(duì)正、反重子不對(duì)稱比較可能的解釋是，早期極高溫的宇宙中存在著違反重子數(shù)守恒的過程。
生物界應(yīng)用
對(duì)稱性破缺
現(xiàn)代生物化學(xué)指出：有機(jī)化合物的旋光異構(gòu)現(xiàn)象與有機(jī)分子中碳原子四個(gè)鍵的空間構(gòu)形有關(guān)。用L(livo)和D(dextro)分別表示左、右型旋光異構(gòu)體，(+)、(-)代表該物質(zhì)的溶液的旋光方向，（-）表示左旋，（+）代表右旋。碳四面體的左右兩種構(gòu)型、甘油醛中四個(gè)基團(tuán)L、D兩種構(gòu)型以及丙氨酸的旋光異構(gòu)體簡要圖示如左圖，它明顯地反映出了其結(jié)構(gòu)的左右不對(duì)稱性。生命的基本物質(zhì)是生物大分子，它包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類。其中蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者，其分子是右氨基酸組成的長鏈。每種氨基酸都應(yīng)有L、D兩種旋光異構(gòu)體。但實(shí)驗(yàn)證明組成生物蛋白質(zhì)的20種氨基酸都是L型的，D型氨基酸只存在于細(xì)菌細(xì)胞壁和其它細(xì)菌產(chǎn)物中。核酸是遺傳信息的攜帶者和傳遞者，分為核糖核酸(RNA)和脫氧核酸(DNA)兩種。右下圖是DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，通常是右旋的。這正是生物大分子的手性特征。生物體內(nèi)化合物的這種左右不對(duì)稱性正是生命力的體現(xiàn)。維持這種左右不平衡狀態(tài)的是生物體內(nèi)的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化學(xué)反應(yīng)也就停止了。由此可見，生命與分子的不對(duì)稱性息息相關(guān)。問題是地球上生命發(fā)源之初，左右對(duì)稱性的破缺是怎樣開始的？即分子手性的起源是什么？生物的起源是什么？這些都是有待人們?nèi)パ芯康闹i。
總之，時(shí)空、不同種類的粒子、不同種類的相互作用、整個(gè)復(fù)雜紛紜的自然界，包括人類自身，都是對(duì)稱性自發(fā)破缺的產(chǎn)物。對(duì)稱性破缺的機(jī)制是什么？實(shí)在現(xiàn)象中的對(duì)稱性破缺與基本物理規(guī)律的對(duì)稱性是否相容？不同層次的非對(duì)稱性間如何關(guān)聯(lián)？這些都是現(xiàn)代物理尚未解決的重要課題。
真空不空
宇宙廣大區(qū)域的真空中運(yùn)行著光速的光子、中微子，超光速的引力子、反引力子，用E1=ma2方程計(jì)算，真空中蘊(yùn)藏著的能量是很大的，而且不同區(qū)域的真空蘊(yùn)藏的能量差異極大，如黑洞奇點(diǎn)的真空區(qū)和宇宙奇點(diǎn)的真空區(qū)與宇宙廣大區(qū)域的真空相比較。
宇宙真空充滿了引力子和反引力子，而且由于純引力的黑洞存在，宇宙總體上已出現(xiàn)了引力子和反引力子的不對(duì)稱，即引力子總量多于反引力子。對(duì)稱性破缺的本質(zhì)來自于宇宙真空的不對(duì)稱性產(chǎn)生真空對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制。
如果系統(tǒng)受到一個(gè)小擾動(dòng)破壞了它的對(duì)稱性，我們說它的對(duì)稱性破缺，比如，原子中的這樣一個(gè)擾動(dòng)可以由電場(chǎng)引起，由于擾動(dòng)的作用，原子將不再停留在它原先的定態(tài)上，而從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并發(fā)射或吸收一個(gè)可見光光子。對(duì)稱性破缺同樣出現(xiàn)在粒子中，這時(shí)的干擾因素就是宇宙中無所不在的引力子和反引力子。之所以出現(xiàn)“宇稱不守恒”，是因有些粒子在真空中的引力子、反引力子的干擾下，必然會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，而且較易出現(xiàn)在有弱核力參與的粒子轉(zhuǎn)化過程中，因?yàn)檫@種力較弱，即反引力場(chǎng)較弱，較易受到外界的引力子或反引力子的干擾。
對(duì)稱性破缺也叫CP破缺
對(duì)稱性破缺
社會(huì)
反饋機(jī)制與社會(huì)
生命分子的產(chǎn)生是源于反饋的自催化機(jī)制通過循環(huán)結(jié)構(gòu)將微小的差距放大，社會(huì)也是一個(gè)充滿張力的循環(huán)結(jié)構(gòu)。自然界存在各式各樣的不對(duì)稱差異，能夠放大這樣差異的則是事物自身選擇。同樣在達(dá)爾文進(jìn)化論中性別選擇是一個(gè)很重要的部分，這可以理解為物種自身對(duì)自身的一個(gè)選擇力，也具有反饋特征。
高等動(dòng)物進(jìn)化出來的互相扶持以及護(hù)幼行為等都是基于群體意識(shí)，這也是物種對(duì)自身的反饋，簡單的說就是“自我選擇力”。中國儒家傳統(tǒng)思想所尊崇的信條就是以自我完善為基礎(chǔ)，在《禮記·大學(xué)》中就有“心正而后身修，身修而后家齊，家齊而后國治，國治而后天下平。”這樣的思想是符合生物哲學(xué)的，人的修身必須從自我反饋開始。這讓我想起，美國電視《越獄》中有一句話“欲變世界，先變其身”。然而現(xiàn)今中國的教育，卻沒有教會(huì)人，適應(yīng)和反饋這最重要的東西。引用卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授藍(lán)迪的“最后一課”的演講中的一句話“一個(gè)教育工作者能給的最好禮物，就是讓人能自我反省”。
生活中學(xué)會(huì)總結(jié)，是人生自我反饋的開始。社會(huì)上每個(gè)人都是不同的，自然屬性賦予了人差異性的一面，只有自身對(duì)自身的反饋來放大這種差異，人生才會(huì)精彩（這包括自我修養(yǎng)和自我超越）。自古封建君王們都鼓吹‘君權(quán)神授’；也是企圖放大，人的的差異，將自我比作神。而現(xiàn)代社會(huì)人在置身于物欲世界的同時(shí)，忽略了自我對(duì)自我的反饋，盛行的卻是類似斯賓塞弱肉強(qiáng)食的“社會(huì)達(dá)爾文主義”。
社會(huì)達(dá)爾文主義忽略了社會(huì)中事物發(fā)展自身反饋也是重要重要驅(qū)動(dòng)，具有局限性，因此被后現(xiàn)代主義稱為“現(xiàn)代性罪狀”。在這樣的扭曲的社會(huì)結(jié)構(gòu)中，人們追求自我實(shí)現(xiàn)，不是通過自我修養(yǎng)和超越的反饋來完成；而以掌握物質(zhì)財(cái)富和社會(huì)地位來衡量，力求成為社會(huì)“食物鏈”的頂端。同時(shí)，在張力的社會(huì)中人們文化的困境與內(nèi)心的掙扎也是推動(dòng)其發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素。在霍妮的文化心理病理學(xué)指出自我的掙扎是人與自我關(guān)系的失調(diào)。人有天賦的潛能和引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)潛能的建設(shè)性力量，體現(xiàn)為創(chuàng)造和奉獻(xiàn)；這種力量的激發(fā)則需要人自身的“自催化”，其過程是通過學(xué)習(xí)、經(jīng)歷、以及自我認(rèn)識(shí)來完成。
同時(shí)人的天賦中還具有一種破壞性力量，體現(xiàn)為貪婪、權(quán)利與欲望的膨脹等等。為確保社會(huì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要社會(huì)機(jī)制的約束和自我反饋加以調(diào)節(jié)，這表現(xiàn)為法律與道德。一些人認(rèn)為這種破壞的力量歸結(jié)為人類的本能，其實(shí)這是片面的，人類的本性是兩種力量的綜合，而不是單純某一方面。就以‘性’來說，弗洛伊德的人性論是性惡論，并持悲觀論調(diào)；但我們知道‘性’又意味著生命的誕生，意味著創(chuàng)造，意味著美，具有積極的一面。
人能夠調(diào)節(jié)這兩種力量的就是自我的反饋，并體現(xiàn)為適應(yīng)性。生物要適應(yīng)環(huán)境得以生存，就首先要求自身的改變，這個(gè)變化過程就是自身反饋機(jī)制的體現(xiàn)。反社會(huì)人格以及神經(jīng)癥患者內(nèi)心的掙扎以及自我異化等，在我看來是社會(huì)適應(yīng)力低下的表現(xiàn)，可能是自身反饋出現(xiàn)了問題；按照這個(gè)思想，極度自卑或自傲都可能滋生反社會(huì)行為；我相信運(yùn)用這個(gè)思想是可以找到減少社會(huì)暴力的方法。當(dāng)然，社會(huì)是多元化整體，事物的發(fā)展既取決于自身反饋又取決于環(huán)境的選擇。假如社會(huì)環(huán)境變化總采取突變式，或者說環(huán)境選擇的跳躍變化總大于自我反饋的能力，那么這樣的反饋機(jī)制就可能遭到破壞。所以在社會(huì)學(xué)中人自我的反饋機(jī)制往往具有強(qiáng)烈的環(huán)境依賴性。
假如構(gòu)成社會(huì)的人，都具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，都在不斷的變通；那么這個(gè)社會(huì)是不穩(wěn)定的，比如可能社會(huì)缺乏誠信、缺乏價(jià)值判斷等等。所以社會(huì)本身是人社會(huì)適應(yīng)性與社會(huì)穩(wěn)定性的妥協(xié)。而在生態(tài)學(xué)中生物與環(huán)境本身就是一個(gè)整體，是協(xié)同進(jìn)化的。一個(gè)物種的進(jìn)化，既有來自外界的自然選擇驅(qū)動(dòng)；又有物種內(nèi)的性別選擇自身反饋。環(huán)境的變化必定帶來物種自身反饋的變化，所有物種自身的變化又會(huì)積累從而改變環(huán)境。環(huán)境是超循環(huán)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性與物種的多樣性密切相關(guān)，因此多樣性的環(huán)境是有能力抵御少數(shù)物種突變對(duì)環(huán)境的改變。生物圈本身就是一個(gè)物種適應(yīng)性與環(huán)境穩(wěn)定性的妥協(xié)；而生物個(gè)體就是自我適應(yīng)于自我結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的妥協(xié)。
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