對稱性與守恒定律

對稱性與守恒定律1第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日對稱性與守恒定律symmetryandconservationLaw我們已知：牛頓定律有局限性；但,又知：由牛頓定律得出的動量守恒定律和角動量守恒定律

卻具有普遍性這說明：守恒定律超越力學理論我們有理由提出問題：守恒定律比力學理論具有更深厚的基礎(chǔ)嗎?一、問題的提出2第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日回答是:守恒定律與宇宙中某種對稱性相聯(lián)系對稱性是統(tǒng)治物理規(guī)律的規(guī)律愛因斯坦1907年提出疑問：“為什么我們不能將這樣的過程倒過來？為什么我們不能從對稱性出發(fā)建立符合對稱性原則的基本方程，并由此得到和方程符合的實驗結(jié)果？”這種思維方式的轉(zhuǎn)變開創(chuàng)了用對稱性構(gòu)建物理學理論的新的研究方法。3第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日二、什么是對稱性

對稱性是指對象在某種變換下的不變性。這里的“對象”可以是“事物”，也可以是“物理定律”。如：牛頓定律具有伽利略變換下的不變性。對稱性的概念來源于生活，是指圖形在空間中有規(guī)律的重現(xiàn)4第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日對鏡象反射加上黑白置換也許還要加上必要的平移操作才構(gòu)成對稱操作。5第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日三、介紹幾種對稱操作1、空間對稱操作---空間變換

1)平移2)旋轉(zhuǎn)3)鏡象反射4)空間反演2、時間變換

1)時間平移2)時間反演3、時空聯(lián)合操作伽利略變換---力學定律具有不變性洛侖茲變換---物理定律具有不變性6第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日例文學創(chuàng)作中的鏡象對稱

霧窗寒對遙天暮暮天遙對寒窗霧花落正啼鴉鴉啼正落花袖羅垂影瘦瘦影垂羅袖風剪一絲紅紅絲一剪風7第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日2.時間操作與時間對稱性①時間平移：▲

靜止物體對時間平移具有對稱性；▲勻速運動物體的速度對時間平移具有對稱性；▲周期系統(tǒng)對時間平移整數(shù)周期具有對稱性。②時間反演：8第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日時間反演

(t-t)

相當于時間倒流物理上:運動方向反向即:速度對時間反演變號牛頓第二定律對保守系統(tǒng)（內(nèi)部只存在保守力的系統(tǒng)）--時間反演不變v上拋-v下落9第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日四、對稱性與守恒定律德國女數(shù)學家諾特1918年建立的諾特定理，指出：每個守恒定律都相應于一種對稱性(變換不變性)由分析力學、量子力學嚴格證明：

三大守恒定律源于時空的對稱性1、空間平移對稱性與動量守恒定律2、空間各向同性與角動量守恒定律3、時間平移對稱性與能量守恒定律10第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日對稱性與守恒定律

對稱操作

不可觀測量守恒定律空間平移絕對空間位置

動量P空間轉(zhuǎn)動絕對空間方向角動量L時間平移絕對時間能量E空間反演絕對左（或右）

宇稱時間反演時間的絕對符號時間反演電荷共軛電荷的絕對符號電荷守恒11第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日1956年李政道和楊振寧提出，1957年吳健雄通過精密實驗證實，為此楊、李獲得1957年的諾貝爾物理學獎。空間反演操作（對應宇稱守恒），就是把所有的坐標改變符號（），其等價于對鏡面的反射加上繞鏡面法線旋轉(zhuǎn)180°。極化核衰變實驗的鏡象過程。設(shè)想一個自旋向上的核，它在鏡象中的自旋是向下的。如果衰變過程是宇稱守恒的，則在順著和逆著自旋方向的兩個方向上發(fā)射電子的概率就應該相同分析宇稱是否守恒的方法：以平面鏡來反射真實的實驗。在弱相互作用過程中宇稱不守恒。12第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日吳健雄的實驗是用一個非常強的磁場，并在很低的溫度下使原子核的自旋按一定的取向排列起來并極化，測量的結(jié)果是逆著自旋方向發(fā)射電子的概率大于沿著自旋方向發(fā)射電子的概率，從而令人信服地證明了衰變中宇稱是不守恒的。后來發(fā)現(xiàn)：作鏡象反射的同時，還需將所有粒子都變成相應的反粒子，則弱相互作用的規(guī)律保持不變。為什么？此外，衰變和衰變實驗都表明，在弱相互作用過程中宇稱不守恒。13第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日隨著物理學的發(fā)展，人們認識的對稱性和守恒量也越來越多。除能量、動量和角動量外還有電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)、宇稱等守恒量。五、對稱性在物理學中的重要性由于對稱的作用，在未涉及一些具體定律之前，往往有可能依據(jù)對稱性原理和守恒定律作出定性的判斷，得到有用的信息來指導探索未知的規(guī)律。14第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日所以，一種對稱性的發(fā)現(xiàn)比一種特定的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)意義還大。對反粒子反物質(zhì)的探索例：正電子的預言

1931年，狄拉克從他的Dirac方程是對稱的，預言了正電子的存在15第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日對稱性的自發(fā)破缺

系統(tǒng)原本是對稱的，由于偶然的不確定因素導致系統(tǒng)進入一個不對稱的狀態(tài)。-自發(fā)破缺。人們相信，正是由于宇宙大爆炸的初始階段出現(xiàn)了對稱性的自發(fā)破缺，才形成了“正物質(zhì)”和“反物質(zhì)”數(shù)量上的不相等。16第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日2008年諾貝爾物理學獎

2008年度諾貝爾物理學獎授予授予美國科學家南部陽一郎和兩位日本科學家小林誠、利川敏英。研究對稱性自發(fā)破缺機制和來源17第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日

20世紀末，李政道先生指出,物理學晴朗的天空中也有兩朵烏云:

對稱性的丟失

夸克的禁閉物理學最基本的規(guī)律中存在的這兩大疑難，預示著新的有重大意義的物理規(guī)律的誕生。自然界的不對稱現(xiàn)象1）生物界的不對稱性－手性2）粒子、反粒子不對稱性18第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日