谈物理学的对称性.ppt

力学小论文 谈物理学的对称性 P于海波 人类和自然界都很喜欢对称。 对称性广泛地存在于世间万物中，但又不是所有物质都具有对称性。其实对称性是非常奇妙的。下面我以浅薄的物理学知识跟大家来讨论一下物理学的对称性与不对称性。 对称美 对称是形象美的重要因素之一。 人类在长期的保存个体、繁衍种族这种极为低下的生产水平和生活水平的斗争中不断发展；随着生产水平和生活水平不断提高，逐渐发展起对美和美感的追求，并逐惭开始去思考美和探索美。对称性就是人类对美的思考和探索之一。 对称美 人们把对于对称性的感受形成了美学。 天坛的建筑、天安门的建筑、颐和园长廊的建筑以及各种花瓶、古人饮酒的爵和各种花边等等是旋转对称、左右对称和平移对称的典型例子。 不对称美 这些对称美给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受，因而体现着一种娴静、稳重、庄严，但却也显得有些平淡、单调、缺乏生机和妙趣横生，这是因为对称性并没有包揽美的全部。人们发现，美除了对称之外，还需要蜿蜒曲折、错落有致、此起彼伏，美是对称与不对称结合的表现。你看那起伏于山峦间蜿蜒曲折层层叠起的长城峰火台构成的美景不是给人以宏伟、博大、气势磅礴而又峰回路转、巧夺天工的美的感觉吗！ 物理学中的形体对称性 物理学的研究中也注意到形体上的对称性。形体上的对称性常常使得我们可以不必精确地去求解就可以获得一些知识，使问题得以简化，甚至使得某些颇难解的问题迎刃而解。例如一个无阻力的单摆摆动起来，其左右是对称的，不必求解就可以知道，向左边摆动的高度与右边摆边的高度一定是相等的，从中间平衡位置向左摆到最高点的时间一定等于从中间平衡位置向右摆到最高点的时间，平衡位置两边等当位置处摆球的速度和加速度的大小必定是相等的，等等。 物理定律的对称性 物理定律的对称性是指经过一定的操作之后，物理定律的形式保持不变。因此物理定律的对称性又叫不变性。 物理定律的对称性 设想我们在空间某处做一个实验，然后将该套实验装置（连同影响该实验条件的一切外部因素）平移到另一处。如果给以同样的起始条件，实验将以完全相同的方式进行。这说明物理定律没有因平移而发生变化。这就是物理定律的空间平移对称性。由于它表明空间各处对物理定律是一样的，所以又叫空间的均匀性。 物理定律的对称性 如果在空间某从处做实验后，把整套仪器（连同影响实验的一切外部因素）转一个角度，则在相同的起始条件下，实验也会以完全相同的方式进行。这就说明物理定律没有因转动而发生变化。这就是物理定律的转动对称性。由于它表明空间的各个方向对物理定律是一样的，所以又叫空间的各向同性。 物理定律的对称性 关于物理定律的对称性有一条很重要的定律：对应于每一种对称性都有一条守恒定律。 例如，对于空间均匀性的是动量守恒定律，对应于空间的各向同性的是角动量守恒定律，对应于空间反演对称的是宇称守恒定律，对应于量子力学相移对称的是电荷守恒定律。 宇称守恒与不守恒 和空间反演对称性相对应的守恒量叫宇称。在经典物理中不曾用到宇称的概念，在量子力学中宇称概念的应用给出关于微观粒子相互作用的很重要的定律——宇称守恒定律。（因本人知识有限，暂不深入讨论。） 宇称守恒与不守恒 宇称守恒定律原来被认为和动量守恒定律一样是自然界的普遍定律，但后来发现并非如此。1956年夏天，李政道和杨振宁在审查粒子相互作用中宇称守恒的实验根据时，发现并没有关于弱相互作用服从宇称守恒的实验根据。经过进一步实验验证，宇称守恒定律不是对所有自然过程都适用的。 由宇称不守恒的发现可认识到有些守恒定律是“绝对的”，如动量守恒、角动量守恒、能量守恒等，任何自然过程都要服从这些定律；有些守恒定律则有局限性，只适用于某些过程，如宇称守恒定律只适用于强相互作用和电磁相互作用引起的变化，而在弱相互作用中则不成立。 谢谢观看 参考文献：《大学物理学 力学》 三慧主编，清华大学出版社。 * * * * *