当科学家们通过望远镜观察外太空遥远的恒星，或者使用粒子加速器分析物质的最小组成部分时，他们发现，在任何时候、任何地点，同样的物理定律支配着整个宇宙。物理学家称这种永恒的、无处不在的物理定律为对称性。对称性是一种基本原理，它定义了自然法则，从而控制了宇宙。这一极为重要的发现是现代物理学概念上的重大突破之一，也是当代探索解释所有物理定律的大统一理论的基础。

这种宇宙的对称性之美令人着迷，甚至令人陶醉。利昂· M.莱德曼和克里斯托弗·T.希尔从对称性出发，不断深入，探讨了对称性对美术、音乐和地球生命的深远影响，从夸克到整个宇宙。这部雄辩而通俗易懂的科普作品揭示了一些通常只有物理学家和数学家才能理解的概念，这些概念与宇宙大爆炸、爱因斯坦的相对论、量子力学和许多其他物理学领域有着广泛的联系。通过巧妙的类比和插图，他们将这些惊人的概念带入生活，让普通读者也能获得对宇宙内在设计之美的深刻欣赏。

这是一本令人惊叹的书，解释了隐藏在所有物理学基础之上的非常简单的“统一”概念——对称性。《韦氏词典》对“对称性”的解释从一个诗意的定义开始：“由平衡的比例产生的形式美。”但当我们说它是“事物之间等价的表达”时，它还有更实际的含义。科学家们将对称性的这些诗意和平淡的含义重新表述为以下数学上精确的定义：“对称性是变换的不变性。”

在书中，作者解释了宇宙本质上是对称的这一事实的惊人结果。物理定律对于平移、旋转、运动、时间流逝等是不变的。这是我们的宇宙没有中心这一概念直接而直观的结果。从大爆炸开始，它在空间和时间上也没有一个明确的点。大爆炸的残余物仍能在宇宙微波背景辐射中被观测到。

对称理论的核心人物是一位默默无闻、朴实无华却极具天赋的德国女数学家埃米·诺特（Emmy Noether）。虽然如今她并不为大众所知，但在上个世纪，她已经享有很高的学术声誉，并给阿尔伯特·爱因斯坦这样的科学家留下了深刻的印象，爱因斯坦称赞她“具有深刻的数学思维”。

在诺特早期的一些工作中，她就发现了守恒定律与对称性的概念有关，提出并证明了理论物理学中最基本的定理：“对于物理定律的每一种连续对称性，都必定存在一个守恒定律，反过来，对于每一个守恒定律，都必定存在一种连续对称性。”这条定理现在称为诺特定理，为现代物理学中最重要的概念奠定了数学基础。

由此，所有的基本概念，如动量守恒、能量守恒、伽利略相对论、惯性、牛顿定律、角动量守恒、开普勒轨道定律等，都可以得到解释和联系。当你随后将光速不变性的终极对称性添加到任何参考系中，无论它是在运动，旋转还是加速，通过爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论，一切都发生了根本性的变化。突然间，时间不再是线性的，我们必须把“奇点”（黑洞）包括到我们的方程中，但“时间”仍然是一个奇怪的东西。当我们看“镜子”时，反射对称或宇称对称被引入，在这里，事情开始瓦解，为了保持时间反转对称，像熵这样的概念甚至更多的反物质的外来概念需要被引入。理查德·费曼（Richard Feynman）已经把反粒子称为在时间中运动的粒子。这本身就创造了一种新的粒子形式——反粒子对称，也称为电荷共轭。在亚原子水平上，对称性似乎被打破了。弱相互作用力就是一个例子，它不遵守反射或宇称对称的规则。后来人们假设宇称对称和电荷共轭的结合可能是一种适用于弱力的对称，但这后来通过实验（用一种叫作K介子的特殊亚原子粒子）证明是不正确的。有趣的是，如果这是真的，我们的宇宙中就会有相同数量的物质和反物质，那么我们所知道的宇宙就不可能存在！ 

莱德曼是1988年诺贝尔物理学奖得主，伊利诺斯州数学与科学院“伟大思想计划”的常驻学者，费米国家加速器实验室的名誉主任，伊利诺斯州理工学院的普利兹克科学教授，欧洲强子对撞机研究中心的顾问，以及广受好评的《上帝粒子》一书的作者。他不仅是著名的物理学家，也是一名极其优秀的科普作家，他能够将非常复杂的物理知识通过“减少”概念，融入大众的文化中，其写作风格很精彩，以一种近乎幽默的方式传达深奥的概念，使阅读既有益又有趣。这本《对称与美丽宇宙》完全体现了他的这种写作风格。

我在1997年2月参加芝加哥国际会议时结识了莱德曼。我询问他如果中国邀请他参加科普活动是否愿意，他非常爽快就答应了。2000年11月7日中国科协、中国科学院和国家自然科学基金委在千禧年之际联合在北京召开了国际会议“北京中国国际科学传播学术研讨会”。恰好那时莱德曼被教育部邀请参加教育系统的会议。我到他下榻的宾馆找到他，邀请他参加我们第二天的科学传播学术研讨会，他非常高兴地答应了。第二天我委托同事接他到中国科协会议厅参加会议并演讲。那时还没有PPT，而是胶片复印件，通过投影仪进行放映。那时的投影仪设备不是很好，演讲刚开始，投影仪就出故障，只好在舞台中央一个椅子上用替换的投影仪继续演讲。但是，椅子很低，他毫不犹豫地跪在地上继续演讲。一个世界著名的诺奖科学家居然跪着给中国公众进行科普演讲，令全场听众感动。

莱德曼在中国做科普报告。图片来源：中国国际科普论坛会议文集 【《科学时报》（现《中国科学报》）记者张苏拍摄】

时间过去了25年，一个世纪的四分之一时间倏忽而过。当我们今天能够阅读这位物理学大师的著作的时候，让我们记住：宇宙是平衡而美丽的，世界是和谐的，自然万物是均匀存在的，我们的生活只有在这种美满的对称中才会幸福。

作者简介：

李大光，中国科学院大学人文学院教授。

对称性无处不在，它是美术、音乐、舞蹈、诗歌和建筑中的关键元素，也渗透于所有科学领域——遍及物质结构的内部世界，宇宙的外部世界，甚至数学本身的抽象世界。诺贝尔物理学奖获得者莱德曼和物理学家希尔以对称性为向导，通俗易懂地解释了对称性及它对地球乃至宇宙的深远影响。他们不仅清晰地阐明了通常为物理学家和数学家所知的概念，而且循序渐进地引导读者学习如何欣赏宇宙浑然天成的美丽与曼妙。这将是一次现代物理学和宇宙学的启蒙之旅。

本书作者简介：

利昂·M.莱德曼（Leon M. Lederman），美国著名实验物理学家，费米国家加速器实验室名誉主任，美国科学促进会理事会主席。1988年，莱德曼因在中微子方面的研究获得诺贝尔物理学奖。著有《上帝粒子》《超越上帝粒子》《莱德曼量子物理通识讲义》。

克里斯托弗·希尔（Christopher Hill），美国理论物理学家，师从1969年诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼。著有《超越上帝粒子》《莱德曼量子物理通识讲义》。