对称性原理在物理学中的重要性.doc

6、对称性原理在物理学中的重要性自然杂志卷期的探索物理学难题的科学意义的个悬而未决的难题：自然界是否存在七种对称性晶体？不守恒难题只能在中性介子衰变中见到吗？引起对称性破坏的力是什么？是否存在中性，稳性，质量至少大于的超对称粒子？美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题。这些问题都于对称性原理存在着密切的联系。近代科学表明，自然界的所有重要的规律均与某种对称性有关，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某种特殊的对称性所谓“规范对称性”。实际上，对称性的研究日趋深入，已越来越广泛的应用到物理学的各个分支：量子论、高能物理、相对论、原子分子物理、晶体物理、原子核物理，以及化学（分子轨道理论、配位场理论等）、生物（DNA的构型对称性等）和工程技术。杨振宁（C.N.Yang）讲：“从十分复杂的实验中引导出来的一些对称性，有高度的单纯与美丽 ，这些发展给了物理工作者以鼓励和启示。他们渐渐了解到了自然现象有着美妙的规律，而且是他们可以希望了解的规律。”“三十年来，我进行的物理研究工作，都同对称性原理和统计物理两大题目有关”。“对称性决定相互作用”。当年数学家韦尔（H.Weyl）在讨论艺术作品中的对称性时，提到西方艺术像其生活一样，倾向于缓解、放宽、修正，甚至打破严格的对称性，接着有一名句：“但是不对称很少是仅仅由于对称的不存在。” 【1】杨振宁引用了韦尔的话，并加上一句评论：“这句话在物理学中似乎也是正确的。” 【2】“我们则又加一句，无论对于科学还是艺术，“同样，找到对称也绝对不是仅仅由于非对称的不存在。” 【3】著名的数学物理学家韦尔认为：“对称是一个广阔的主题，在艺术和自然两方面都意义重大，很难找到可以论证数学智慧作用的更好的主题。”现代对称性原理已经渗透到自然科学的很多领域，它支配着理论物理学家创造的数学表达形式，在物理学的前沿探索中发挥着越来越大的作用，它使我们懂得应该怎样创立理论，才能精确地描述自然界，科学家不只是求真，也在求美。对称性无所不在，是宇宙的普遍规律。宇宙和宇宙中一切事物的基元都是对称与不对称(对称缺损)构成“基本”相互对称的概念，并统一为“对称偶基”的 概念|量，其演化过程发生的变换都是上述“对称偶基”概念|量的多维多次双螺旋变换。对称性的规律具有极大的普遍性和可靠性，它是统治物理规律的规律。对称性分析在物理学中占有重要地位。物理学家温伯格相信，自然定律具有简单性和必然发生性（inevitability）。由于简单性，基本的的自然定律是有限的。由于必然发生性，一个定律的性质必须与整体联系，并受其他定律的性质制约。于是，他把这两个标准用来定义美：“完善的结构之美，万物完全适应之美，无事物是可变的之美，逻辑严格性之美。”可是，简单性和必然发生性能够被对称性原理俘获，这就是许多物理学家和其他人欢迎该原理的原因。由此我们也可以看到，鉴于自然是简单的和相互关联的，而美是简单性和必然发生性，因此美是自然定律的向导。现代物理学是以对称性、守恒性、数学形式的变换不变性为基础的正统方法。对称性,从辩证唯物主义观点看来,是一种特殊形式的对立统一;从数理观点看来,就是变换出不变性,守恒性。反过来也可以说,变换不变性反映了自然界的一种对称性,一种守恒律。Einstein渴望看到自然的先定的和谐，孜孜不倦地追求科学理论的统一。对于没有任何经验体系的不对称性与之对应的这样一种理论结构的不对称性，他是无法容忍的。他把逻辑简单性视为科学的目标。就其本质而言，它们都是从不同角度对科学理论的探索与评价，实际上说的是一个意思。“和谐”、“统一”似乎是就理论的内容来说的，“对称”似乎是就形式而讲的，至于“简单性”则是针对逻辑前提而言的。Poincare讲过：物理学定律揭示事件的结构和相互联系，对称性原理在阐发物理学理论中，我们将重新发现它披着新的外衣出现。通常定义物理量的对称性是：如果某一现象或系统在某一变换下不改变，则说该现象或系统具有该变换所对应的对称性。任何物理理论的相对性都以使这个理论的定律保持不变的变换群来标志，因而该变换群描述某种对称性，例如描述这个理论所涉及的空间范围的对称性。这样，正如我们看到的那样：牛顿力学具有所谓伽利略群的相对性，狭义相对论具有彭加勒群（或“广义”洛伦兹群）的相对性，广义相对论具有光滑的、一一对应的完全变换群的相对性。即使某理论仅在绝对欧几里得空间成立，但只要此空间在物理上是均匀的和各向同性的，它就具有转动和平动群的相对性。相对论有着惊人的数学美而让人信服，而且远比其它可能的方案更为简单。在现代物理学中，对称性已经成为一个重要思想方法，即对称性指引物理学研究。如果说Maxwell是从直接可见的关于电和磁的对称性以及数学形式的对称性方面建立了电磁学理论的话，那么Einstein是通过对深层次的直接经验无法觉察的对称性规范不变性深刻的理性思考而建立了他的狭义相对论，Einstein的对称性制约物理定律的思想可以说是20世纪物理学研究方法上的一大飞跃。 一、从宏观上看：在物理学中它起着重要的作用，通过对系统所具有的对称性的分析，可以得到系统相应的守恒量，这些守恒量的存在对于了解系统的物理状态和性质就十分重要。 二、在微观世界中，特别是在粒子物理学中，对称性就更为重要了。 首先，从对称性原理出发，可以唯象地构造系统的拉氏量的形式，或者从规范（不变）原理出发，所构造的拉氏量自动地给出了相互作用的形式。其次对称性还可以判断一个过程能否发生及粒子的寿命。粒子的衰变是由相互作用引起的，相互作用越强，粒子衰变越快，寿命越短。强相互作用满足的对称性最多，由对称性导致的守恒律也最多，是许多过程不能发生。因而不是所有的粒子都能作强衰变。电磁作用有较小的对称性，所以当粒子不能发生强衰变时，它可以发生电