第13章科学背景下的微观世界2.ppt

 三、 因果关系与对称性原理 对称性与自然规律之间是什么关系? ——自然规律反映了事物之间的因果关系，其对称性即： 等价的原因 ? 等价的结果 对称的原因 ? 对称的结果 对称性原理(皮埃尔·居里)： ? 原因中的对称性必反映在结果中，即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多； ? 结果中的不对称性必在原因中有所反映，即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多； ? 在不存在唯一性的情况下,原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中,即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多。 因果关系与对称原理  所有对称性都是基于某些基本量不可观测的假设。 镜象反射对称 —— 左右是相对的 空间平移对称 —— 宇宙没有中心 空间旋转对称 —— 空间没有绝对方向 一旦一个不可观测量变成可观测量——对称性破缺 时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。 2. 对称性破缺与自然界的进化 宇宙极早期（完全对称统一）—— 体积膨胀，温度降低（对称破缺），产生时空 —— 粒子、原子 —— 物质(物质世界来源于不对称性)。 对称性的自发破缺  2. 对称性是现代物理中重要的思想方法 ? 由数学变换（对称操作），猜测物理系统的对称性 ? 预言相应的守恒量和守恒定律 ? 实验检验。 ? 实验中发现守恒量 ? 寻找物理系统的对称性 ? 建立理论。 例：狄拉克从他的Dirac方程的对称性，预言了正电子的存在 ? 对反粒子、反物质的探索。 爱因斯坦从物理定律对参考系的不变性出发，建立狭义相对论和广义相对论。 对称性思想方法的重要意义  3. 对称性体现物理学简单、和谐、统一的审美原则 “我想知道上帝是如何创造这个世界的。我对诸种现象并不感兴趣，我想知道的是他的思想,其它的都只是细节问题。” ——爱因斯坦 什么是上帝创造世界的原则? 自然的基本法则一定是简单的，自然的基本设计充满对称。—— 对称性越高越美。 对称性指导着学科的交叉、渗透、整合。 对称性思想方法的重要意义 五、对称性的自发破缺 原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低, 对称性自发破缺。 1.对称性的自发破缺 例1.贝纳德对流 液体 均匀加热 T2 T1 T2 T1 Q 对称性的自发破缺 对称性的自发破缺 例2. 弱作用中宇称不守恒 强作用下宇称守恒得到实验证实。但对? 和? 粒子的衰变，它们质量相等，电荷相同，寿命也一样。但它们衰变的产物却不相同： 1956年，李政道 杨振宁为解决“? - ?”难题，提出弱作用中宇称可以不守恒 。 或 对称性的自发破缺 1957年，吴健雄在10-2 K下做 60Co ? 衰变实验，用核磁共振技术使 60Co 核自旋按确定方向排列，观察?衰变后的电子数分布，发现无镜像对称性 —— 证明了弱作用的宇称不守恒性。 李政道 杨振宁获1957年诺贝尔物理奖。 对称性的自发破缺 例3. 生命物质的手征性 DNA分子的双螺旋结构：大部分为右旋的。 对称性的自发破缺 六、对称性思想方法的重要意义 1. 对称性是科学理论必须具备的基本特征 现代物理：建立在“假说”基础上的理论体系 其正确性需要检验：证实或证伪 要求实验行为可以重复，实验结果可以再现： 不因地而异 —— 空间平移、旋转对称性 不因时而异 —— 时间平移对称性 不因人而异 —— 相对论的对称性 参考系 对称性思想方法的重要意义 * * “物理学在二十世纪取得了令人惊讶的成功，它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法，在这个新的宇宙观中物质已失去了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。” —— 斯蒂芬.温伯格 美是探求物理学中重要结果的一个指导原则 。 —— H. 邦迪 审美事实上已经成了当代物理学的驱动力。 —— 阿.热 对称性与对称破缺 对称性概念源于生活 对称性的基本概念 因果性与对称性原理 对称性与守恒定律 对称性的自发破缺 对称性与对称破缺 对称性思想方法的重要意义 对称性与对称破缺 一、对称性的概念源于生活 日常生活中常说的对称性，是指物体 或一个系统各部分 之间的适当比例、平衡、协调一致， 从而产生一种简单性和美感。 这种美来源于几何确定性， 来源于群体与个体的有机结合。 对称性概念源于生活 人体、动植物结