宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

問你一個問題,現在有一套新的科學理論,雖然它包含了舊理論中的某些思想,但是它做出的預測卻沒有舊理論來的精確,而且它也沒有提出可被證偽的預言。

那麼你願意相信這套新理論嗎?肯定不願意,這就是哥白尼的日心說,所面臨的情況,在它的模型中有托勒密的輪子,唯一的亮點是它把太陽放到了宇宙的中心,但是它的理論卻沒有托勒密的精確,而且也沒有做出任何的預言。

所以我們說,哥白尼的體系只是給人類帶來了一個新思想,我們不一定非要把地球放在宇宙的中心,太陽也行呀。

這個思想就對後來的第谷·布拉赫,和開普勒產生了深遠的影響,這兩個人就比較有意思了,他倆即是師徒的關係,也是上下級的關係,在一起待了好幾年的時間,按理來說應該是亦師亦友,如兄如父的,但他們卻各自心懷鬼胎,互相利用,第谷就看上了人家開普勒的數學能力,那開普勒就看上了人家第谷那幾麻袋的觀測資料,但兩個人都不說。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

好,我們先說第谷·布拉赫。第谷這個人給人的第一印象就是它的鼻子和整個臉看起來不協調,因為第谷的鼻子是金屬的,看起來就非常不自然。那麼他原來的鼻子去哪了?

他年輕的時候,在跟別人決鬥的過程中,鼻子就被人給砍掉了,你想這沒有鼻子多難看呀,所以第谷就給自己裝了一個金屬鼻子。

那麼他跟別人決鬥可不是為了女人,更不是為了錢,因為人家是貴族,啥也不缺,而決鬥的原因是,他跟別人在爭論誰才是這個世界上最牛的數學家。

你看,這說明了啥,第谷不是鍵盤俠,敢愛敢恨,這也說明了第谷的性格非常的偏執,非常的怪,非常犟。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

這種性格要是喜歡上一件東西,那就不用管了,他肯定能幹好。幸運的是第谷從小就喜歡天文學,而上天也給他賜了一件寶物,明亮的雙眼。據說他是裸眼觀天時代最牛的天文學家了。

巧的是,當時丹麥國王也喜歡天文學,所以他就給第谷撥錢,圈地,在汶島上整了兩座天文臺,第谷在這個島上一待就是20幾年的時間,這將近是一個人生命的1/3,在這麼長的時間內,第谷就記錄了五大行星時間跨度最長、最為精確的觀測資料。

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那麼有了這些資料,第谷就想,要不我也建立一個宇宙模型吧。他就認為日心說和地心說都不對,在他的想法裡,除了地球以外,其他的行星都繞著太陽轉,而太陽就帶著兄弟們又繞著地球轉。不得不佩服第谷的想象力。

俗話說得好,上帝為你打開了一扇窗,可能會為你關上一扇門,第谷就是一個例子,他的眼睛很好,但是數學不行,很明顯他的物理直覺也很差,他空有一大堆的資料,卻無法證明自己想法。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

那麼在機緣巧合之下,他就認識了開普勒,開普勒完全就是第谷的反面版本。開普勒一生的命運都很悲慘,他的眼睛不好,但卻是一個數學天才。

第谷正是看到了這一點,才讓開普勒當了自己的助手,當然開普勒也知道自己需要第谷的觀測資料,但是第谷每天就像擠牙膏一樣,一點一點的給開普勒關於火星的資料。

沒想到2年後,也就是1601年,55歲的第谷沒等到自己想法被證實,就突然離世了,在臨終前,他就把30歲的開普勒叫道床邊交代了後事,讓開普勒拿著自己的資料完成自己的心願。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

這時的開普勒估計心裡是即喜又悲,他高興的是終於得手了,他其實關於行星運動的模型一直有自己的想法,只不過從來沒有給第谷說過,而且他相信哥白尼所說的太陽位於宇宙的中心,根本就不信第谷的那一套。

還有一個傳言是這樣的,說開普勒是主動找的人家第谷,他知道第谷手裡有資料,只有接近第谷,才能驗證自己的想法。

所以拿到資料以後的開普勒當然不會去完成第谷遺願了,事實證明也完成不了,第谷的那一套是錯的。

好,下面我們說下, 開普勒對宇宙模型的想法。絕對能驚掉你的下巴。這簡直是把和諧宇宙論發展到了極致。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

開普勒一開始認為,太陽處在宇宙的中心,行星繞太陽的軌道是圓形的,這個和哥白尼的一樣,但是開普的圓形軌道更為精妙。

他認為自然界有5個正多面體,分別為:正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、和正二十面體。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

而每個行星的軌道所在的球面,都會內切和外切一個正多面體。這裡我解釋一下,比如水星的軌道處在內切與正八面體的球面上,也就是一個球現在內切與正八面體,水星的軌道現在處在這個球上,可以理解吧。那麼金星的軌道就會處在外切與這個正八面體的球面上,同時金星的軌道所在的球面還必須內切與一個正十二面體,那麼以此類推就是地球,正二十面體,火星,正四面體,木星,正六面體,然後是土星。開普勒的這個想法寫進了他的第一本著作《宇宙的奧秘》。

神奇吧!前面的文章我已經說了,畢達哥拉斯的強迫症跨越千年的時間,遺傳到了17世紀,這也體現了人類對對稱之美的追求。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

我們一直認為宇宙存在著深刻的對稱性,上帝在創造宇宙的過程中是按照對稱性來設計的,那麼對稱性不僅是物理學之美的重要體現,也是藝術之美的要求,比如說,在近代物理學中,有三個重要的對稱性,C-對稱,也稱為正反粒子對稱或電荷共軛,說的是正反粒子可以相互轉化,並且他倆的具有相同的物理特性。

P-對稱,也叫宇稱守恆或者映象對稱,說的是物理規律不分左右,比如一個粒子和它的映象粒子,物理行為是一致的。

T-對稱,也叫時間反演對稱,這個很好理解,那麼時間反演對稱帶來的結果就是能量守恆。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

那麼除了這三個重要的對稱性以外,在我們的物理理論中也表現出了宇宙深層次的對稱性,比如,在麥克斯韋方程組體現了兩種對稱性,洛倫茲協變性,由此我們得到了狹義相對論,規範對稱性,也就是楊-米爾斯規範場論,由此我們得出了粒子物理的標準模型。

甚至在弦論中也有超對稱理論,認為現今所有的粒子都有自己的超對稱夥伴粒子。你看,我們的宇宙就是一個對稱之美的體現,但是它真的就是處處對稱、完美對稱嗎?

很明顯不是的,宇稱守恆在弱相互作用中就出現了破缺,這是楊振寧發現的,那麼宇宙在誕生之初正反粒子數量的不對稱,就要求了某些粒子在強相互作用中的CP破缺,這個目前我們還沒發現,同時也要求了更多的粒子需要在弱相互作用中CP-破缺。關於這個問題,我們後面在說到反物質的時候,會詳細地說。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

所以說宇宙不是完美對稱的,它需要對稱性的破缺。而開普勒接下來的發現,將是人類認識自然過程中,對稱性的第一次破缺。

好,我們接著說開普勒,他拿到第谷的資料以後,很快就發現了自己的想法跟觀測資料對不上,很明顯行星的軌道並不是圓形,那是啥形狀?

開普勒他也不知道,但好處是他有資料,數學能力也強,所以就把能夠想到的合理的形狀都拿來試,結果就發現了橢圓跟觀測資料吻合的很好。

宇宙(5)在楊振寧的宇稱破缺之前,開普勒第一次打破了對稱之美

這就是開普勒第一定律,行星繞太陽運動的軌道是一個橢圓,太陽位於橢圓的一個焦點上。連同第二定律,行星與太陽的連線在相同的時間內,掃過的面積是相等的。在1609年就寫進了《新天文學》一書中。

第三定律,行星公轉週期的平方與橢圓軌道半長軸的立方成正比。這是10年後,也就是1619年發現的。寫進了他的著作《世界的和諧》中。

那麼開普了的三大定律就完美地描述了行星的運動規律,簡潔優美,從更高的層面來看。他打破了人類幾千年來的幻想,也讓人類認識到了自然對稱性的第一次破缺,這說明了畢達哥拉斯雖然是一個強迫症患者,但上帝不是。對稱和破缺都是自然界最深層次的真理。

但說到底,開普勒三大定律依舊只是對自然表象規律的一種總結,因為他不能解釋為什麼行星的軌道是橢圓的?為什麼週期的平方和半長軸的立方成正比?

那麼當時還有人問,你怎樣證明太陽就是宇宙的中心?這些問題都不是開普勒能夠回答的。好了,今天的內容就到這裡,接下來我們將迎來近代科學的兩位鼻祖,伽利略和牛頓。他們兩個就一人解決了一個問題。