对称性与守恒定律-2.ppt

* * 对称性与守恒定律 * symmetry and conservation law 对称性与守恒定律 symmetry and conservation Law 我们已知： 牛顿定律有局限性； 但, 又知： 由牛顿定律得出的动量守恒定律 和角动量守恒定律 却具有普遍性 这说明： 守恒定律超越力学理论 我们有理由提出问题： 守恒定律比力学理论具有更深厚的基础吗 ? 一、问题的提出 回答是:守恒定律与宇宙中某种对称性相联系 对称性是统治物理规律的规律 爱因斯坦1907年提出疑问： “为什么我们不能将这样的过程倒过来？为什么我们不能从对称性出发建立符合对称性原则的基本方程，并由此得到和方程符合的实验结果？” 这种思维方式的转变开创了用对称性构建物理学理论的新的研究方法。 二、什么是对称性 对称性是指对象在某种变换下的不变性。 这里的“对象”可以是“事物”，也可以是“物理定律”。 如：牛顿定律具有伽利略变换下的不变性。 对称性的概念来源于生活， 是指图形在空间中有规律的重现 对镜象反射加上黑白置换也许还要加上必要的平移操作才构成对称操作。 三、介绍几种对称操作 1、空间对称操作--- 空间变换 1)平移 2)旋转 3)镜象反射 4)空间反演 2、时间变换 1)时间平移 2)时间反演 3、时空联合操作 伽利略变换--- 力学定律具有不变性 洛仑兹变换--- 物理定律具有不变性 例 文学创作中的镜象对称 雾窗寒对遥天暮 暮天遥对寒窗雾 花落正啼鸦 鸦啼正落花 袖罗垂影瘦 瘦影垂罗袖 风剪一丝红 红丝一剪风 2. 时间操作与时间对称性 ①时间平移： ▲ 静止物体对时间平移具有对称性； ▲ 匀速运动物体的速度对时间平移具有对称性； ▲ 周期系统对时间平移整数周期具有对称性。 ②时间反演： 时间反演 (t ? -t) 相当于时间倒流 物理上:运动方向反向 即: 速度对时间反演变号 牛顿第二定律 对保守系统（内部只存在保守力的系统）--时间反演不变 v 上抛 -v 下落 四、对称性与守恒定律 德国女数学家诺特1918年建立的诺特定理，指出：每个守恒定律都相应于一种对称性(变换不变性) 由分析力学、量子力学 严格证明： 三大守恒定律源于时空的对称性 1、空间平移对称性与动量守恒定律 2、空间各向同性与角动量守恒定律 3、时间平移对称性与能量守恒定律 对称性与守恒定律 电荷守恒 电荷的绝对符号 电荷共轭 时间反演 时间的绝对符号 时间反演 宇称 绝对左（或右） 空间反演 能量E 绝对时间 时间平移 角动量L 绝对空间方向 空间转动 动量P 绝对空间位置 空间平移 守恒定律 不可观测量 对称操作 1956年李政道和杨振宁提出，1957年吴健雄通过精密实验证实，为此杨、李获得1957年的诺贝尔物理学奖。 空间反演操作（对应宇称守恒），就是把所有的坐标改变符号（ ），其等价于对镜面的反射加上绕镜面法线旋转180°。 极化核 衰变实验的镜象过程。 设想一个自旋向上的 核，它在镜象中的自旋是 向下的。如果 衰变过程是宇称守恒的，则在顺着和 逆着自旋方向的两个方向上发射电子的概率就应该相同 分析宇称是否守恒的方法：以平面镜来反射真实的实验。 在弱相互作用过程中宇称不守恒。 吴健雄的实验是用一个非常强的磁场，并在很低的温度下使原子核的自旋按一定的取向排列起来并极化，测量的结果是逆着自旋方向发射电子的概率大于沿着自旋方向发射电子的概率，从而令人信服地证明了 衰变中宇称是不守恒的。 后来发现：作镜象反射的同时，还需将所有粒子都 变成相应的反粒子，则弱相互作用的规律保持不变。 为什么？ 此外， 衰变和 衰变实验都表明，在弱相互作用过程中宇称不守恒。 随着物理学的发展，人们认识的对称性和守恒量也越来越多。除能量、动量和角动量外还 有电荷、轻子数、重子数、宇称等守恒量。 五、对称性在物理学中的重要性 由于对称的作用，在未涉及一些具体定律之前，往往有可能依据对称性原理和守恒定律作出定性的判断，得到有用的信息来指导探索未知的规律。 所以，一种对称性的发现比一种特定的现象的发现意义还大。 ? 对反粒子反物质的探索 例：正电子的预言 1931年，狄拉克从他的 Dirac 方程是对称的，