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数学世界的探奇之旅 [:1701011756]
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数学世界的探奇之旅 第14章 诺特：对称之美与隐形恶龙
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科学界和数学界涌现出的伟大女性屈指可数，这不是因为她们在这两个领域的成就比不上男性，而是因为长期以来人们一直认为这两个领域极具挑战性，不适合女性。在这种奇怪观念的影响下，女性被科学和数学拒之门外。如果问20世纪上半叶及之前有哪些女性在数学或科学领域取得过伟大的成就，任何人都有可能提到玛丽·居里、埃达·洛夫莱斯。如果继续追问，他们可能还会提到卡罗琳·赫舍尔，但是他们不大可能说出艾米·诺特。然而，这位德国女数学家仅凭一己之力，就创立了抽象代数理论。具体来讲，诺特明确了对称的重要性。她发现，不仅自然界有大量的对称结构，在很多物理法则的背后也有数学对称的身影。
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如今，在数学的指引下，寻找现实中的匹配对象的研究并不少见。诺特发现对称可以推导出能量守恒定律，她的发现使这个由麦克斯韦开创的方法趋于完美。我们借助模型研究构成宇宙万物的基本粒子，但是这些标准模型并非源于那些别出心裁的实验，例如大型强子对撞机，而是得益于诺特及其追随者的数学推演。事实证明，这种方法在很多方面都取得了显著的成绩，但是有时候你又会觉得整个推演过程似乎走得太远了。
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如果说导致艾米·诺特名声不那么显赫的唯一原因在于她是一位女性，也许会显得有些偏激。但是，如果你请公众随便说出几个20世纪的数学家，他们说出的人可能都是科学家，而不是数学家。实际上，从诺特近期的受关注程度来看，人们很有可能会提到她的名字。但是，鉴于她的研究对物理学的发展具有非常重要的意义，我们有理由相信她的名气应该不亚于薛定谔与海森堡。
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1882年，诺特出生于巴伐利亚，她的父亲是受人尊敬的数学家马克斯·诺特。父母给她起的名字是艾米莉，但是年幼的诺特喜欢称呼自己艾米，并很快让大家接受了她的这个新名字。与很多大数学家、大科学家不同的是，诺特上学时对数学并不感兴趣。她先是取得了语言教师资格，1903年她考入埃尔朗根大学，并于1907年成为德国有史以来第二位女数学博士。
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1909年，诺特在爱因斯坦的挑战者希尔伯特的建议下，来到哥廷根大学。1915年，希尔伯特提议学校授予诺特特许任教资格（在德国申请任教资格需要满足一个独特的条件，即写一篇类似于博士后论文的文章）。但是这个资格只对男性开放，因此希尔伯特及其支持者向政府请愿，希望他们特事特办。最初的请愿遭到了拒绝，直到1919年诺特才获得了特许任教资格，但她始终没有成为一名教授。同众多数学家一样，她最重要的研究成果都是在年轻时完成的。诺特定理（我们马上就会讨论）是她刚到哥廷根大学的时候提出来的。诺特还有一些非常重要的数学发现，但是一旦超出纯粹的数学圈子，这些发现的影响力就比不上诺特定理了。
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1933年，刚刚掌权的纳粹剥夺了诺特的任教资格，终结了她相对平静的教学生活。人们通常认为这件事主要归因于她的犹太血统，但这可能只是其中一个原因。诺特与几名不是犹太人却同样遭到驱逐的同事有一个共同点，那就是她也同情共产党，并且于1928年接受了莫斯科一所大学的客座教授称号。同莫斯科的这种联系更有可能起到导火索的作用，因为她的命运很快就变得坎坷起来。诺特试图回到莫斯科，但是事实证明，在那个动荡不安的年代，她的这个想法很难实现。于是，诺特搬到了美国。1935年，她在美国去世，年仅53岁。
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要理解诺特定理及其对理论物理学家的重要性，我们就必须知道什么是对称，对称为什么会产生这些重要的结果，这种方法对数学和现实之间的关系有哪些拓展作用。在日常英语中，我们所说的对称是指反射对称，也就是镜像对称。很多生物身上都存在这种对称。如果有机体有“左”、“右”两侧，我们就知道它们是镜像对称。实际上，这种对称性在人类对美的理解中占十分重要的地位。
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对美的判断标准可能因人而异，但是我们通常都会根据某些特点来判断一个人的外表是否美丽，对称是其中最重要的标准之一。多次测试的结果表明，人类通常觉得对称的脸比不对称的脸更吸引人（奇怪的是，鸡也有同样的特点）。人们认为，这可能是因为显著的不对称往往是疾病导致的。如果美的主要作用是帮助吸引潜在配偶，缺失对称性就可能意味着生殖能力的降低。对对称美的追求因此成为一种进化特征。
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除了简单的镜像对称，数学家还发现了各种各样的对称。一般而言，如果某个物体发生某种变化之后没有出现可以辨别的不同，我们就说这个物体是对称的。比如，对于左右镜像对称，我们可以将镜像的左右两边对调，得到的镜像没有任何变化。借助简单图形，我们可以更方便地理解对称。将矩形或正方形的左半边与右半边对调，将会得到无法区分的镜像结果。
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旋转对称是另外一种简单的对称。将正方形旋转90度后得到的图形与原来的正方形一模一样，没有任何不同（矩形则不适合这个操作）。但是，如果将正方形旋转45度，情况就不一样了。我们可以看出发生了某种变化，因为旋转后的图形与之前不同了。圆与正方形不同。圆的旋转对称性是最强的。将圆旋转任意角度，哪怕是不到一度，得到的圆都与原来一模一样。
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除了这些简单的对称，其他对称需要稍微拓宽对称性的应用范围。例如，我们可以考虑时间上的对称。如果经过一段时间之后，我们看到的情景没有发生变化，我们就可以认为在那段时间里该情景关于时间对称。静止物体看起来总是不变，因此它们在时间上的对称性最强。发生周期性变化的物体（例如钟表的分针）在时间上具有有限的对称性，这一点与正方形的旋转对称性比较相似。
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在研究时间上的对称性时，我们从某些非常明显的例子中看出相对性会影响对称。我们可以说完全静止的物体对称性最强，但是“静止”是一个相对概念，而不是绝对概念。例如，我们考虑一下宇宙飞船在时间上的对称性。从飞船乘客的视角来看，飞船是静止的，因此它的对称性最强。在他们看来，飞船的外表（仅考虑飞船的外壳，而不考虑任何磨损情况）没有发生任何变化。但是，飞船外面的人看到飞船一掠而过，时间上的对称性就遭到破坏。
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另外一种对称——平移对称，只有数学家才会觉得它理所当然。在研究平移对称时，我们不会考虑时间，而是比较两张“照片”，看看它们有没有不同之处。例如，如果将正方形向右方移动一个边长的距离，那么在现实世界中，我能看出这个正方形的位置发生了变化，因此这个操作显然不具有对称性。但数学家却在脑海中想象这个正方形通过不断重复的方式形成一个无限延伸的表面，正方形本身就是这个表面的一部分。然后，他们问道：在这种情况下，发生这种移动后你能看出它有任何不同吗？答案是“不能”。也就是说，纯粹的数学世界中存在平移对称。然而，如果正方形移动的距离不等于边长，而是小于边长，最后得到的图形就有了变化，对称将不复存在。
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毫无疑问，自然界中近似对称的现象比比皆是。很多物理结构都近似对称，这并不是因为对称有某种魔力，而是因为它是一种效率很高的发展方式，或者因为形成这种结构的作用力在各个方向上都相同。大多数动物都具有某种对称性，例如，我们已经讨论过的左右对称，或者像海星那样更加吸引人的旋转对称。雨滴、鸡蛋、草的叶子、星体都表现出对称性。这些事物在现实世界中的对称性可能并不完美，但至少它们投射在柏拉图的山洞中的影子是对称的。在对称性上能达到这种程度的唯一“实物”可能就是黑洞的事件视界吧（假设黑洞真实存在）？
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此外，物理学中也有很多对称，除了牛顿第三定律的反射对称——“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”，我们还发现某些法则在时间、空间上发生位移或者旋转后仍然适用。如果我们转过身，面朝另一个方向时，力与加速度之间的关系就会发生变化，我们这个世界将十分精彩，但是这种不一致性会导致我们很难有效地开展科学研究。
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同理，我们必须假设物理定律不会因为时间或位置的变化而改变，否则物理研究就无法进行下去。值得庆幸的是，迄今为止的经验告诉我们这个假设可能是正确的，尽管我们可能永远无法给出证明。如果重力不断变化，那么所有涉及重力的物理学都将失去意义。几乎所有科学模型的出发点都是一条公理：物理定律和常数都具有对称性。但是，这条公理纯粹是一种基于实用主义的判断，也几乎是所有科学模型的出发点。比如，如果光速不断变化，宇宙学和天文学就会手忙脚乱，因为在观察远处的天体时，我们需要在光速恒定的基础上推算我们看到的是多久之前的情景。
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偶尔也有一些习惯于反传统的人会对这条公理指手画脚。比如，物理学家安德里斯·阿尔布雷切特与若奥·马奎荷就曾指出，自宇宙诞生以来，光速已经发生了显著变化，因此不需要引入宇宙膨胀这个概念。（宇宙膨胀说认为，宇宙肯定在一段时间里发生过突如其来且原因不明的大幅度膨胀，从人们推断的诞生之日起就因为距离过远而彼此从无接触的宇宙的各个部分，通过这个膨胀过程达到了均衡状态。）但是，在大多数时间里，没有人会质疑这条公理，因为如果没有这个假设，我们几乎不可能进行物理研究。
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这个方法与科学家们口中流传的那个关于找钥匙的古老笑话有点儿相似。丢钥匙的那个人知道在他走到家门口的那条大街之前，钥匙就已经丢了。但是，他却一直在那条大街上寻觅。朋友问他：“你为什么要这么做呢？你肯定找不到钥匙的。”答案很简单，因为在他回家的路上，只有这条大街上有路灯。其他地方都是黑漆漆的，即使去那些地方寻找也毫无意义。同样道理，尽管假设物理定律与常数不会随着时间、空间的变化而改变的做法可能大错特错，但是离开这条公理的“灯光”，试图从事科学研究的努力也将毫无意义。
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虽然如此，我们还是找到了一些证据，至少可以证明某些物理定律与常数在时间上具有对称性，从而增加了这个假设的可信度。证据之一就是电荷的大小。借助1972年在西非加蓬奥克劳发现的一些引人注目的天然核反应堆，我们可以证明至少20亿年以来，电荷大小在时间上具有对称性。当这些天然反应堆形成的时候，铀238的含量远远多于裂变反应堆所需要的量。由于含量充足，所以当这些同位素在奥克劳聚集起来之后，核链式反应就开始了，并产生了大量的热和辐射。
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实际上，如果钐的原子核质量稍有不同，这些核反应堆就不会形成钐这种产物。但是，我们知道，由于质能等效，所以原子核的质量取决于原子核中的质子携带的电荷。根据在这些年代遥远的反应堆中发现的钐，我们可以推断现在测量的质子电荷与当时的质子电荷相比，相差不到千万分之一，否则，这些钐根本就不会存在。诸如此类的测量结果至少可以确定某些常用的物理定律与常数在几十亿年时间里几乎不会发生变化。有必要指出，即使存在差异，也可能只发生在宇宙刚刚形成的时候，也就是说，在130多亿年（其实这个数字也是在相关假设的基础上推算出来的）前，而不是20亿年前。
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诺特定理具有突破性意义，证明了在对称与能量守恒定律之间存在一种不可分割的联系。比如，如果实践证明某些物理定律不会随着时间的推移而发生改变，能量就必然在一个封闭系统中守恒。反之，如果我们发现能量是守恒的，这些物理定律就必然在时间上具有对称性。这个特点同样适用于其他对称性。如果旋转之后，系统的表现没有任何变化，那么角动量必然是守恒的。如果空间位移不会导致变化，就说明线动量守恒。
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在此之前，能量守恒定律在某种程度上一直是以假设的形式存在的。对称不仅可以帮助我们理解其中的原因，在量子电动力学等量子场论显著改变了微观物理学之后，对称还为我们选择新的研究方向创造了条件。此外，在对称性的帮助下，构成宇宙万物的粒子的复杂本质进一步展现在我们眼前。
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