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显微观察与对称性的研究
显微观察与对称性的研究
摘要
摘要:
本论文首先从考察对称性的历史渊源出发,从自然科学和哲学多个角度界定了对称性的内涵。
然后通过显微实验观察典型的关于对称性与对称破缺的现象,再通过进一步收集、整理自然科学包括物理、生物、地理等多个学科领域中典型的关于对称性与对称破缺现象的案例,尤其是从哲学角度分析了守恒与不守恒、平衡与非平衡、无序与有序和对称性与对称破缺等几对范畴,从而阐明了对称和对称破缺二者之间的辩证关系。
同时在最后,本文又分析了对称性与非对称、与最小作用原理的关系等,表明了作者对这些问题的一些独到看法,从而更加凸现出探讨与对称相关的哲学问题的重要意义和价值。
对称和对称破缺反映了事物的统一性和多样性。
通过这种案例分析法和归纳法相结合的研究,本文不仅为今后的科学研究提供了借鉴和依据,而且为科学认识和科学理论的创建提供了一种新的认识模式。
更重要的是,它为现代科学发展和科学预见提供了方法论的原则和启示。
事物发展的一般规律是:
对称到对称破缺再到新的对称破缺如此无限循环的发展过程。
关键词:
显微观察;对称性;对称破缺;守恒律;最小作用原理;
MicroscopicobservationandResearch
ofsymmetry
ABSTRACT
Thispaperstudiedthehistoryofthesymmetryandsymmetry-breaking,andexplainedthemfromtheapproachesofnaturalsciencesandphilosophy.Thenthroughmicroscopicobservationofatypicalexperimentonthesymmetryandasymmetricphenomenon,andthenbyfurthercollectingandreorganizingthesecasesfromnaturalsciences,includingphysics,biology,geographyetc..Inparticular,itfromthisapproachofphilosophyanalyzedthreepairsofsimilarcategories:
theconservationandthenon-conservation,thebalanceandthenon-balance,thedisorderandtheorder,clarifythedialecticalrelationshipbetweenthesymmetryandsymmetry-breaking.Atthesametimeinthefinal,thepaperalsoanalyzedthesymmetryandasymmetrical,withthesmallestroleandtherelationshipbetweentheprinciplethattheauthorofsomeoftheseissuesuniqueviews,thusmorehighlightedwiththesymmetryofthephilosophicalissuesrelatedtothesignificanceandvalue.
Thesymmetryandsymmetry-breakingreflectedtheunityandthemultiplicityofthings.Bythemethodsofanalyticcasesandinduction,thispaperprovidedthebasisforourscientificresearchandonekindofunderstandingpatterntoknowthediscoveriesandtocreatethetheoriesofthesciences,moreimportantly,itofferedtheprinciplesofthemethodologyandtheenlightenmentforthedevelopmentofthemodemsciencesandtheforesightofthescience.Theprocessofthedevelopmentofthethingisthatthecycleofsymmetry-symmetry-breaking-newsymmetry-breaking.
Keywords:
Microscopicobservation;symmetry;symmetry-breaking;conservationlaws;theleastactionprinciple
目录
摘要1
ABSTRACT2
1绪论1
1.1选题背景与意义1
1.2研究现状1
1.3研究思路2
2对称和对称破缺3
2.1 对称的基本含义3
2.1.1 人类对对称及对称性破缺现象认识的发展历史3
2.1.2 自然科学中对称的含义5
2.1.3哲学中对称的基本含义7
2.2 对称和对称破缺的关系7
2.2.1 对称破缺的含义7
2.2.2 对称性破缺的分类8
2.2.3对称和对称性破缺的辩证关系8
3显微观察实验9
3.1显微观察的材料9
3.1.1海螺9
3.1.2雨花石10
3.2显微观察的仪器10
3.2.1生物显微镜10
3.2.2金相显微镜12
3.3显微观察的结果13
3.3.1显微观察的结果记录13
3.2.2显微观察的结果分析17
4对称性破缺存在的普遍性17
4.1物理学中的对称性破缺19
4.1.2平衡与非平衡20
4.1.3无序与有序21
4.2生物学中的对称性破缺22
4.2.1生物学的左右不对称22
4.2.2遗传和变异23
4.3地理学中的对称性破缺25
4.3.1 地震25
5对称性、对称性破缺的本质及其方法论意义26
5.1对称性的本质特征及方法论意义26
5.1.1本质特征26
5.1.2对称在物理学中的方法论意义27
5.2对称性破缺的意义28
5.2.1为科学认识和科学理论的创建提供了一种模式28
5.2.2为现代科学发展和科学预见提供了方法论原则29
6小结:
最小作用原理与对对称性的理解30
参考文献32
致谢33
1绪论
1.1选题背景与意义
作为人类认知世界的结晶,对称性与人类的文明历史一样久远,它普适于人类生活的各个方面。
我们的先人首先从认识自然界的形象对称开始,如树叶的左右对称、月圆时的中轴对称等,并把这种对称外化为人工自然当中。
在古人类的遗址中发现的陶器和青铜器,古代的壁画和丝织品的花纹等,都以图案的对称性为主旋律。
它对人类的审美意念产生了重大的影响,中世纪的美学家把对称理解为美,将对称与完整、和谐相关联。
不仅如此,对称性的触角自古代开始就向自然科学中延伸。
著名的古希腊数学家欧几里德在其《几何原本》中就研究几何图形的对称性。
近代的数学还进一步创立了关于对称性的数学理论———群论。
近现代的化学和矿物学家从对称性上把晶体划分为晶系和对称类型。
生物学家发现和研究了低等生物的辐射对称和高等生物的两侧对称。
对称性的研究对物理学的贡献卓著,丁肇中证实了根据粒子之间的对称性而大胆预言的Ψ/j粒子存在。
对称最初是作为一个重要的美学原则而广泛应用于日常生活,尤其是建筑、绘画、音乐、文学等艺术形式中。
随着自然科学的产生,对称的概念进入了科学的视野。
特别是在近代科学诞生以后,对称方法在各门自然科学的发展中,发挥出了许多不可替代的启发作用,对称性自然也就成为人们注目的焦点问题之一。
但从目前已有的关于对称性的研究看,虽然人们发现了深藏在不同领域的对称性的各种表现,但其中大部分研究为视野或范围较窄的专业性研究,简单的描述式的成分太多,且很少涉猎有关对称性的哲学分析的内容,因此,本文努力的方向之一,就是着重挖掘对称性的哲学意蕴,即对称与对称破缺之间的关系,以利其在世界观、方法论方面的进一步推广。
1.2研究现状
与对称性相关的哲学问题,古今中外很多人都进行过系统的研究,但对对称研究的多一些,对对称破缺的研究相对逊色。
现在国内外对对称破缺的研究仅限于在个别学科或对个别案例分析论证,相对来讲在物理学上的研究稍微多一点,在哲学上仅限在自然辩证法这门学科中把对称和非对称作为一对范畴进行论证。
90年代,杨振宁、李政道提出的“弱作用中宇称不守恒”中对对称破缺稍有阐述。
本世纪初美国的阿.热(AnthonyZee)在《可怕的对称》(《FearfulSymmetyr》)一书中,第一次阐述了对称性是如何奠定现代物理学上的思想和美学的基础。
正入爱因斯坦所说:
’我想知道上帝是怎样创造这个世界的,我对诸现象并不感兴趣,我想知道上帝的思想,其他均属细节。
’,他在书中讲叙的是当代理论物理学家们怎样效法爱因斯坦对大自然的美和质朴进行探索的故事。
2007.2008年,吴国林,孙显耀以及赵凯华也分别在《物理学哲学导论》《定性与半定量物理学》这两本书中对对称及对称破缺的相关问题进行了一定论述。
但是无论是科学界还是哲学界总是谈对称比较多一些,对对称与对称破缺,非对称以及它们和最小原理之间的关系的论述较少。
1.3研究思路
首先,本文考察了对称和对称破缺这对范畴产生的历史渊源,从自然科学和哲学多个角度,也就是说从广义的角度界定了这对范畴,从对称和对称破缺这对范畴的比较当中研究了对称性。
其次,本文通过在显微镜下观察大量关于对称与非对称的实例,然后收集并整理自然科学包括物理、生物、地理、化学、天文学等的有关对称性的典型案例,系统阐述了对称性极其理论框架。
再次,本文从哲学角度和科学角度,对对称性进行了系统的阐述和论证,尤其是运用马克思主义哲学原理对其进行了分析、论证,从自然科学的普遍现象抽象出哲学理论,以此作为一种方法论来指导科学研究。
本文尝试通过物理、生物、地理、化学、天文学等学科的多个案例的分析、论证,运用不完全归纳法得出科学结论,这种研究方法作为对科学技术哲学研究的一种研究模式是值得借鉴的。
最后,通过论文的写作研究,提出我自己一点不太成熟的见解:
自然界在本质上是不对称的,对称正是不对称的一个表现形式。
正如必然和偶然,大量的偶然后面体现着必然的事实。
同时对称向不对称转化的过程,即对称性破缺的存在,才使得事物不断发展、不断向前运动,也可以说正是因为有了它才有了我们这个丰富多彩的世界。
2对称和对称破缺
人们习惯上喜欢追求完美,偏爱平衡和对称。
完美是一种简单,也意味着秩序,而自然界看上去似乎也是完美的,也常常能如人所愿。
但当人们为发现自然界中某些对称而得意之时,自然却又会露出点瑕疵,它似乎并不总是那么听话。
很有可能自然本身就不那么对称、完美,是人们把对称的外衣加到自然身上去的,使自然看上去完美。
如果真是这样的话,漏点瑕疵也就很正常了。
不过人们要找出自然的规律,不借助对称也很难。
也许正是因为这样,自然才一次次地打破人们先前找到的对称,因此对称性破缺便应运而生了。
2.1 对称的基本含义
日常生活中常说的对称,是指物体或一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协调一致,从而产生一种简单性和美感。
这种美来源于几何确定性,来源于群体与个体的有机结合。
因此,在我们的日常生活中到处可以见到具有对称美的实例。
人体、动植物结构对称、建筑物(宫殿、寺庙、陵墓、教堂)左右对称、建筑群中的对称、文学艺术的镜像对称、中国文化独特的修辞方法对仗实际上也是一种对称。
2.1.1 人类对对称及对称性破缺现象认识的发展历史
人类对对称的认识,几乎和人类文明一样古老。
但是对对称性破缺的认识相对就逊色的多了,历史上很多伟大的人物无论在有意和无意中都曾涉及对对称现象的研究和应用。
在古人类遗址中发现的装饰品和其它手工制品,有许多就显示出完美的形象对称。
中国也是较早应用对称造型的国家之一。
我国一些古老的陶瓷和青铜器,都普遍地考虑到对称造型。
我国的象形文字以及绘画中,也体现出不同程度的对称性。
如敦煌壁画中就有许多美妙的对称花纹。
马王堆挖掘出来的汉代丝织品有非常美妙的对称图案,这些都是古人认识对称和应用对称的生动事例的例证,给后人研究对称现象和应用对称提供了历史的依据。
古希腊人也很早就把对称性与事物性质联系起来,并进行了多学科的研究。
古希腊亚历山大学派的赫伦,曾在《反射光学》中,描述过镜像对称,阿波罗乌斯在《圆锥曲线》一书中,曾描述过抛物线、双曲线、椭圆的对称性。
古希腊的著名雕塑家波里克勒在《法规》一书中写道:
“身体美确实在于各部分之间的比例对称。
”总之,在古希腊人那里,把对称性理解为保持比例的平衡和由这种比例构成的形式完美性。
随着人类社会的发展和人的认识的不断深入,对对称的理解也在不断深入,尤其是在美学方面有了新的认识。
中世纪的美学家把对称与和谐理解为美。
圣·托马斯认为,完整、匀称和显明是美的“三要素”。
在中世纪的美学中,把“对称和平衡的观念”看成“是统治一切的”。
圣.奥古斯丁认为:
“建筑物细部上的任何不必要的不对称都会使我们感到很不舒服。
”
由此可以看出,古代对对称性的认识一般停留在猜测和直观的层面上,只是到了近代,人们对对称性的认识才真正上升到理性抽象阶段。
历史跨入近代以后,对称的概念就进入了自然科学。
1595年,天文学家开普勒设想用几何对称来解释太阳系各行星轨道的直径比例。
伽利略、牛顿开始注意到了物理定律在形式上的抽象对称性。
随着18世纪分析力学的兴起,人们对物理定律形式上的完美性有了更明确的追求,如电磁学中的法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程等的得出,都是人们追求对称性的产物。
随着
物理学的发展,对称性的内涵变得越来越丰富和深刻了,对称性意指在某些变换操作下的不变性,“伽利略变换不变性”就是一个很好的例子,它揭示出人们在很早就意识到与空间反射和旋转有关的对称性。
后来随着各种守恒定律的发现,对称性又与守恒定律联系在一起了,1918年德国女数学家内特尔证明了:
每一种对称性都对应于一个物理量的守恒定律,反之亦然。
nor随着守恒定律在现代物理学中逐渐成为一切物理规律的基础而居于核心地位,人们对对称性的追求也变得越来越执著。
在现代物理学中,爱因斯坦充分认识到对称性的重要,并创造性地应用了对称性原理。
他的妇孺皆知的狭义相对论以及广义相对论的创立也都应归功于对称性原理。
对对称性认识的深化,促使了自然科学飞速发展。
化学以及矿物学也对对称性进行了研究,发现了一些关于对称性的重要性质,提出了对称轴和晶系的概念,并对对称性本身进行了分类研究。
在现代数学中,首先是伽罗瓦提出了群论,ft27使人们对对称性的描述上升到系统的、抽象的定量阶段,从而超越了以往形象直观的局限而充分发挥人的逻辑思维的深刻性。
后来分形理论的提出,它揭示出分形无以复加的无穷嵌套自相似的结构,使人们对对称性的理解,进入到了新的境界。
此外,生物学关于对称性如动植物形态、氨基酸的属性问题的研究,也拓展了人们对对称性的认识。
较早从哲学高度研究对称的是黑格尔。
黑格尔是辩证法大师,也是美学大师,他能在对称和非对称的辩证统一中把握美。
他指出:
“平衡对称是和整齐一律相关联的。
”“一致性与不一致性相结合,差异闯进这种单纯的一里来破坏它,于是就产生了平衡对称。
平衡对称并不只是重复一种抽象的一致的形式,而是结合到同样性质的另一种形式,这另一种形式单就它本身来看也还是一致的,但是和原来的形式比较起来却不一致。
由于这种结合,就必然有了一种新的、得到更多定性的、更复杂的一致性和统一性。
”黑格尔精深地把对称理解为包含差异的变换中的不变性,这种不变性是包含差异的不变性,是“一致性与不一致性相结合”,这样就会有“更复杂的一致性和统一性”。
他注意到了对称和非对称的联系和转化,并把这对范畴跟同一和差异的范畴联系了起来。
黑格尔还把对称和非对称辩证统一的平衡对称的美学思想,从空间形象的造型艺术中,推广到具有时间流动性的艺术形式中。
他认为,在音乐和诗歌中,同样存在着对称和非对称的和谐统一美。
他说:
“在绘画里,整齐一律和平衡对称也有它们的地位”,在音乐和诗里,整齐一律和平衡对称又变成了重要的原则。
这两种艺术所有的音调是在时间上绵延的,它们具有一种单纯的外在性,不是用其它具体表现方式可以表现出来的。
恩格斯在《自然辩证法》中,研究过平衡、非平衡,并把这对范畴与稳定和不稳定的范畴联系了起来,蕴涵了对称和非对称的哲学思想,他的研究成为后人研究这三对范畴的指导思想。
九十年代初,随着人们研究哲学范畴的兴起,沈小峰在范畴论中将对称和非对称作为一对范畴从自然科学和哲学两个角度进行了研究,并提出非对称又叫对称性破缺。
此后的研究都是追随着沈先生的足迹进行研究的。
2005年郭金彬、徐梦秋也是将它们作为一对范畴进行研究,并提出非对称是对称破损。
而对称性破缺一词大约是在90年代才提出来的,在此之前人们只谈非对称、不对称,不谈对称性破缺。
对对称性破缺的研究值得一提的是杨振宁、李政道提出的“弱作用中宇称不守恒”,它是对称性破缺研究的一个典范。
近年来,物理学中的混沌学、耗散结构理论也或多或少涉猎了一点对称性破缺的研究。
而本人认为生物学中的基因突变理论,地理学中的地震、岩石的风化以及天文学中的恒星演化、超行星爆发等都是值得研究对称性破缺的新方向。
2.1.2 自然科学中对称的含义
首先,做一个简单的实验,向1000个人提这样一个问题:
有三种几何图形分别是圆、正方形和长方形,你感觉哪种图形最美,哪种图形最能引起你的美感?
答案可能不尽相同,但是最后会发现绝大多数人选择的是圆。
在这方面我们的想法是和古希腊人的想法是一样的,他们在两千多年前就认为在平面图形里面,圆是最美的图形,在立体图形里面,球是最美的图形。
物理学家的解释是这样的:
圆和球是最美的,因为它们具有最多的对称性。
对称是什么?
“对称”,照字面来说,就是两个东西相对又相称,因此把这两个东西对换一下,好像没有动过一样。
按照韦氏字典的注释,symmetry的意思是“均衡比例”,或“由这种均衡比例产生的形状美”。
在汉语中,symmetry的意思是“对称”。
在我们日常生活中是在以下两种意义上使用对称性一词的。
第一种意义是匀称的,主要意味着像良好的比例、良好的平衡这种东西;另一种则表示结合成一个整体的几部分的那种协调。
赫尔曼·费尔曾说过“美和对称性紧密相关”。
fis7总之,对称性,不管是按广义还是按狭义来定义其含义,总是多少世代以来人们试图用以领悟和创造秩序、美和完善性的一种观念。
如果想要利用美作为在描述自然界物理定律的研究中的指南,物理学家必须把他所研究的系统中的对称性挖掘出来。
因此,他们需要引入对称性的精确而实用的定义,即一个物体当人们使它经受某些变换时并不改变其形状(所谓的它不变),就可以说这物体是对称的。
因此,当自然科学从哲学分化出来以后,各门学科都要形成自己的学术共同体,建立自己的“常规科学”,因此那些为人们所公认的科学成就在一段时间内是进一步实践的基础。
也正因为如此,可以通过各门自然科学对对称的分类来理解对称一词。
(1)空间对称
①镜像对称
当把圆、球等物体切成两半,仅留一半并把这一半反射在镜面中,并不改变其形状。
即物像以镜面为对称轴的左右反射对称就叫做镜像对称。
这种镜像对称就是来自于物理实验,而且一经确证以后也是最广泛应用于物理学当中的。
“水月镜花”体现的就是这种镜像对称。
②平移对称
所谓“平移”实际上是数学当中的一种坐标变换,因此平移对称是数学中对对称的理解。
如拉链具有一维平移对称性,将之沿长度方向平行移动一个单元(小齿),其形状保持不变。
而墙纸和瓷砖的图案具有二维平移对称性,可以沿两个方向平行移动一个单元而形状保持不变。
③结构对称
指事物内在结构的对称性。
例如高等动物的两侧神经系统的对称分布。
所以结构对称在生物学中得到了广泛的应用。
(2)时间对称性
旧事物的重演,历史惊人的相似,都在一定维度和程度上表现了事物时间上的对称性。
例如,单摆的循环往复,就表明时间周期的对称性。
(3)逻辑对称
总之,在自然科学当中,数学、物理学中的对称性是比具体事物的对称性更深层次的对称。
为了理解这种更深层次的对称,首先需要引入一些基本概念。
德国数学家魏尔(H.Weyl)关于对称性的定义如下:
客观事物的对称,反映到主观思维中,就形成了逻辑概念的对称。
在逻辑学中,就有逻辑关系对称性的内容。
概念的对称性,引申到文学和诗歌中,尤其是对联中,就构成了排比和对仗的修辞方法。
如“无边落木萧萧下,不尽长江滚滚来”,“横眉冷对千夫指,俯首甘为孺子牛。
”我国古代的回文诗更是体现出很强的对称性。
当然,在文学艺术中也离不开对称性。
体系(系统)一讨论的对象。
状态一对体系(系统)的描述。
系统可处在不同的状态:
不同的状态可“等价”,也可“不等价”。
操作(变换)一把系统从一个状态变到另一个状态。
若变换前后系统状态相同,则称两状态“等价”或“不变”。
对称操作一如果一个操作能使某体系从一个状态变换到另一个与之等价的状态,即体系的状态在此操作下保持不变,则该体系对这一操作对称,这一操作称为该体系的一个对称操作。
对称群一体系的所有对称操作的集合。
另一种对称性的定义是根据李政道先生的书总结的:
如果一个物理量具有这样的性质:
在相对意义上,即相对一个基准可以测量,而在绝对意义上不可测量,则称改变这个量绝对的值的变换为一个对称性变换。
2.1.3哲学中对称的基本含义
对称具有多样性,最直观最普遍的形式是形象的对称。
生活中,我们只要稍微注意一下,就会发现自己生活在一个充满对称的世界里:
每片雪花的晶体是对称的;一只蝴蝶的双翼是对称的;雨滴和星球是球形的对称;星系呈螺旋形的对称;海浪的起伏在空间上是对称的;大多数动物,如鹰、鲜鱼、大象则是呈左右两边对称的。
人类认识了自然界物质结构的形象对称以后,就向大自然学会了制造形象对称的人造结构。
因为哲学是系统化、理论化的世界观。
因此它能够通过事物的表面现象,把握事物的本质,因此从自然界中的对称现象中抽象出了共同的特征,上升到哲学的高度来理解对称的内涵。
哲学上对对称的界定是把对称作为一个范畴来实现的。
从哲学的高度来讲,对称是指事物通过某种中介而变换时出现的同一性,这种同一不是绝对的同一,而是包含差异的同一。
这里强调了对称的相对性。
2.2 对称和对称破缺的关系
2.2.1 对称破缺的含义
对称性破缺就是在事物自身或外力作用下,打破事物原有对称、平衡、稳定状态使事物出现非对称、不平衡、不稳定的动态发展过程。
对对称性破缺的理解一般都是在一个系统中理解。
比如一个均匀的、对称的系统变为不均匀的和不对称的系统,是因为物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构,这种结构的形成和维持是由于系统中各个组分以及与外界相互作用的非线性的性质才能实现。
一旦各组分以及与外界的相互作用发生变化它们就可能解体、消失。
这种解体和消失就实现了对称性的破缺。
既然自然科学源于哲学,哲学是自然科学的抽象的概括,是抽象出各门具体自然科学中共性的东西。
那么无论是对称,还是对称性破缺,在哲学上对其的理解都是最一般的
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