宇宙是对称结构?宇宙的尽头到底在哪
对称性在生活中随处可见,它具有内在的和谐性与平衡性,给人以美的感觉。而在物理学中,对称性在各种理论中发挥着核心的作用。物理学中的对称性,指的是一个物理系统在某种变换条件下的所具有的不变性质。
不过,大自然往往喜欢隐藏其对称性,表现出的非对称性的一面。物理学家感到奇怪:大自然为什么要这么做呢?
不对称的生命
生命,就是建立在隐形对称性的基础之上的。例如人类的身体,乍一看是镜像对称的,但其身体内部的器官却不是镜像对称的。例如心脏就是打破镜像对称的一员。心脏的左心室要把富含氧气的血液压送到全身各处,这需要强大的输血能力。而心脏的右心室要把接收氧气的血液传送到肺部,而肺部就在它旁边。所以说心脏的左边要比右边有更强大的输血能力,这种输血能力的不对称使得心脏偏向左侧,并给了我们心脏处在左侧的感觉。
在微观层次上,形成生命的分子也是非对称性的。我们知道,构成生命最基本的元素是碳,它有4个化学键,也就是说一个碳原子可以连接4个原子或原子团,完全可以形成一个对称性结构。一个最为简单的例子就是甲烷,化学式为CH4,它的结构是对称的:碳原子在中间,氢原子在4个角,形成一个正四面体。生命中多数的碳原子连接的都是不一样的原子或原子团,多数情况下不具有旋转对称性,其镜像结构与原结构具有不同的化学性质。其中,结构上镜像对称而又不能完全重合的分子,称为手性分子。就如同左手和右手镜像对称却不能重合一样。
手性分子可分为左手性分子和右手性分子,我们经常喝的乳酸,都是左手性乳酸,事实上绝大多数生命体内产生的乳酸都是左手性的,而且人体内只能代谢左手性乳酸。所以说,生命偏爱左手性乳酸。那么包含右手性乳酸的牛奶是否适合饮用呢?由于人体很难代谢右手性乳酸,所以如果人摄入过多的右手性乳酸,会引起代谢紊乱甚至酸中毒。
构成生命最为基础的分子为氨基酸。它们同样具有4面体结构,而且每一种氨基酸同样可分为左手性分子和右手性分子。惊人的是,组成地球生命的氨基酸几乎都是左手性分子,而不是右手性分子。而且因为地球生命很难代谢右手性氨基酸,所以右手性氨基酸往往会对生命造成损害。
,在分子水平上来说,生命是非对称性的。尽管大自然法则允许分子有左手性分子和右手性分子,但生命基本偏爱其中一种分子而不是另一种分子。可能是某种因素的作用,最终使得生命分子的对称性被隐藏起来了。