宇宙（5）在杨振宁的宇称破缺之前，开普勒第一次打破了对称之美
李论科学2021-08-16 13:20
问你一个问题，现在有一套新的科学理论，虽然它包含了旧理论中的某些思想，但是它做出的预测却没有旧理论来的精确，而且它也没有提出可被证伪的预言。
那么你愿意相信这套新理论吗？肯定不愿意，这就是哥白尼的日心说，所面临的情况，在它的模型中有托勒密的轮子，唯一的亮点是它把太阳放到了宇宙的中心，但是它的理论却没有托勒密的精确，而且也没有做出任何的预言。
所以我们说，哥白尼的体系只是给人类带来了一个新思想，我们不一定非要把地球放在宇宙的中心，太阳也行呀。
这个思想就对后来的第谷·布拉赫，和开普勒产生了深远的影响，这两个人就比较有意思了，他俩即是师徒的关系，也是上下级的关系，在一起待了好几年的时间，按理来说应该是亦师亦友，如兄如父的，但他们却各自心怀鬼胎，互相利用，第谷就看上了人家开普勒的数学能力，那开普勒就看上了人家第谷那几麻袋的观测数据，但两个人都不说。
好，我们先说第谷·布拉赫。第谷这个人给人的第一印象就是它的鼻子和整个脸看起来不协调，因为第谷的鼻子是金属的，看起来就非常不自然。那么他原来的鼻子去哪了？
他年轻的时候，在跟别人决斗的过程中，鼻子就被人给砍掉了，你想这没有鼻子多难看呀，所以第谷就给自己装了一个金属鼻子。
那么他跟别人决斗可不是为了女人，更不是为了钱，因为人家是贵族，啥也不缺，而决斗的原因是，他跟别人在争论谁才是这个世界上最牛的数学家。
你看，这说明了啥，第谷不是键盘侠，敢爱敢恨，这也说明了第谷的性格非常的偏执，非常的怪，非常犟。
这种性格要是喜欢上一件东西，那就不用管了，他肯定能干好。幸运的是第谷从小就喜欢天文学，而上天也给他赐了一件宝物，明亮的双眼。据说他是裸眼观天时代最牛的天文学家了。
巧的是，当时丹麦国王也喜欢天文学，所以他就给第谷拨钱，圈地，在汶岛上整了两座天文台，第谷在这个岛上一待就是20几年的时间，这将近是一个人生命的1/3，在这么长的时间内，第谷就记录了五大行星时间跨度最长、最为精确的观测数据。
那么有了这些数据，第谷就想，要不我也建立一个宇宙模型吧。他就认为日心说和地心说都不对，在他的想法里，除了地球以外，其他的行星都绕着太阳转，而太阳就带着兄弟们又绕着地球转。不得不佩服第谷的想象力。
俗话说得好，上帝为你打开了一扇窗，可能会为你关上一扇门，第谷就是一个例子，他的眼睛很好，但是数学不行，很明显他的物理直觉也很差，他空有一大堆的数据，却无法证明自己想法。
那么在机缘巧合之下，他就认识了开普勒，开普勒完全就是第谷的反面版本。开普勒一生的命运都很悲惨，他的眼睛不好，但却是一个数学天才。
第谷正是看到了这一点，才让开普勒当了自己的助手，当然开普勒也知道自己需要第谷的观测数据，但是第谷每天就像挤牙膏一样，一点一点的给开普勒关于火星的数据。
没想到2年后，也就是1601年，55岁的第谷没等到自己想法被证实，就突然离世了，在临终前，他就把30岁的开普勒叫道床边交代了后事，让开普勒拿着自己的数据完成自己的心愿。
这时的开普勒估计心里是即喜又悲，他高兴的是终于得手了，他其实关于行星运动的模型一直有自己的想法，只不过从来没有给第谷说过，而且他相信哥白尼所说的太阳位于宇宙的中心，根本就不信第谷的那一套。
还有一个传言是这样的，说开普勒是主动找的人家第谷，他知道第谷手里有数据，只有接近第谷，才能验证自己的想法。
所以拿到数据以后的开普勒当然不会去完成第谷遗愿了，事实证明也完成不了，第谷的那一套是错的。
好，下面我们说下， 开普勒对宇宙模型的想法。绝对能惊掉你的下巴。这简直是把和谐宇宙论发展到了极致。
开普勒一开始认为，太阳处在宇宙的中心，行星绕太阳的轨道是圆形的，这个和哥白尼的一样，但是开普的圆形轨道更为精妙。
他认为自然界有5个正多面体，分别为：正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、和正二十面体。
而每个行星的轨道所在的球面，都会内切和外切一个正多面体。这里我解释一下，比如水星的轨道处在内切与正八面体的球面上，也就是一个球现在内切与正八面体，水星的轨道现在处在这个球上，可以理解吧。那么金星的轨道就会处在外切与这个正八面体的球面上，同时金星的轨道所在的球面还必须内切与一个正十二面体，那么以此类推就是地球，正二十面体，火星，正四面体，木星，正六面体，然后是土星。开普勒的这个想法写进了他的第一本著作《宇宙的奥秘》。
神奇吧！前面的文章我已经说了，毕达哥拉斯的强迫症跨越千年的时间，遗传到了17世纪，这也体现了人类对对称之美的追求。
我们一直认为宇宙存在着深刻的对称性，上帝在创造宇宙的过程中是按照对称性来设计的，那么对称性不仅是物理学之美的重要体现，也是艺术之美的要求，比如说，在近代物理学中，有三个重要的对称性，C-对称，也称为正反粒子对称或电荷共轭，说的是正反粒子可以相互转化，并且他俩的具有相同的物理特性。
P-对称，也叫宇称守恒或者镜像对称，说的是物理规律不分左右，比如一个粒子和它的镜像粒子，物理行为是一致的。
T-对称，也叫时间反演对称，这个很好理解，那么时间反演对称带来的结果就是能量守恒。
那么除了这三个重要的对称性以外，在我们的物理理论中也表现出了宇宙深层次的对称性，比如，在麦克斯韦方程组体现了两种对称性，洛伦兹协变性，由此我们得到了狭义相对论，规范对称性，也就是杨-米尔斯规范场论，由此我们得出了粒子物理的标准模型。
甚至在弦论中也有超对称理论，认为现今所有的粒子都有自己的超对称伙伴粒子。你看，我们的宇宙就是一个对称之美的体现，但是它真的就是处处对称、完美对称吗？
很明显不是的，宇称守恒在弱相互作用中就出现了破缺，这是杨振宁发现的，那么宇宙在诞生之初正反粒子数量的不对称，就要求了某些粒子在强相互作用中的CP破缺，这个目前我们还没发现，同时也要求了更多的粒子需要在弱相互作用中CP-破缺。关于这个问题，我们后面在说到反物质的时候，会详细地说。
所以说宇宙不是完美对称的，它需要对称性的破缺。而开普勒接下来的发现，将是人类认识自然过程中，对称性的第一次破缺。
好，我们接着说开普勒，他拿到第谷的数据以后，很快就发现了自己的想法跟观测数据对不上，很明显行星的轨道并不是圆形，那是啥形状？
开普勒他也不知道，但好处是他有数据，数学能力也强，所以就把能够想到的合理的形状都拿来试，结果就发现了椭圆跟观测数据吻合的很好。
这就是开普勒第一定律，行星绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。连同第二定律，行星与太阳的连线在相同的时间内，扫过的面积是相等的。在1609年就写进了《新天文学》一书中。
第三定律，行星公转周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比。这是10年后，也就是1619年发现的。写进了他的著作《世界的和谐》中。
那么开普了的三大定律就完美地描述了行星的运动规律，简洁优美，从更高的层面来看。他打破了人类几千年来的幻想，也让人类认识到了自然对称性的第一次破缺，这说明了毕达哥拉斯虽然是一个强迫症患者，但上帝不是。对称和破缺都是自然界最深层次的真理。
但说到底，开普勒三大定律依旧只是对自然表象规律的一种总结，因为他不能解释为什么行星的轨道是椭圆的？为什么周期的平方和半长轴的立方成正比？
那么当时还有人问，你怎样证明太阳就是宇宙的中心？这些问题都不是开普勒能够回答的。好了，今天的内容就到这里，接下来我们将迎来近代科学的两位鼻祖，伽利略和牛顿。他们两个就一人解决了一个问题。
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