大学物理：对称性与守恒定律

1、自然界中存在多种守恒定律,动量守恒定律 能量守恒定律 角动量守恒定律,电荷守恒定律 质量守恒定律 宇称守恒定律等,2,对称性与守恒定律,物理学家梦想对自然作统一的描述 对称性以它强大的力 量把物理学中那些看上去 毫不相关的方面连接起来,3,雪花六角形花样,场离子显微镜下 的针尖图形,一.自然界中的种种对称性,4,5,6,7,8,二.物理定理的对称性,经过一定的操作后，物理定律的形式保持不变， 称作物理定律的对称性。又叫不变性,例1 物理定理空间平移的不变性,在某处作一实验，然后将实验设备（连同影响 实验的一切外部因素）平移到空间的另一地方， 如果初始条件相同，实验将以完全相同的方式进 行，此称

2、为物理定律空间平移的对称性,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,9,它说明空间各处对物理定律是一样的， 称为空间的均匀性,10,例2 物理定理空间转动的对称性,在某处作一实验，然后将实验设备（连同影响 实验的一切外部因素）在空间转过一个角度， 则在初始条件相同的条件下，实验将以完全 相同的方式进行，这说明物理定律没有因转动而 发生变化。这就是物理学定律对空间转动的对称 性。-空间的各向同性,I,11,三.对称性与守恒定律 物理规律的某一种对称性（不变性) 通常都属于一种守恒定律,由分析力学、量子力学 严格证明： 空间平移不变性 对应 动量守恒定律 空间转动不变性 对应

3、 角动量守恒定律 时间平移不变性 对应 能量守恒定律 等等（赵凯华新概念力学中有普物推导,诺特尔(E.Nther)定律,12,四.对称性原理 原因中的对称性必然反映在结果中 结果中的对称性至少和原因中的对称性一样多 结果中的不对称性必然出自原因中的不对称性 原因中的不对称性至少 和结果中的不对称性一样多 对称性原理是凌驾于物理规律之上的自然界的一条基本规律,13,例： 均匀带电球面电场的分布 原因- 球对称性,结果-至少具有球对称性 径向,14,五.物理规律的对称性在物理学中的重要性 1. 对称性对应着守恒定律 若数学上提供一种数学变换（对称) 物理上 应去 寻找 相应的守恒定律 2.对称性提

4、供更深层次的认识 以普遍的对称性为指引 去探索和解决未知的 物理世界 实现理论大统一 或有新的发现,15,例：正电子的预言 狄拉克从他的 Dirac 方程是对称的 预言了 正电子的存在,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,与外星人握手要小心噢,科学家谈物理丛书值得一读,16,根据对称， 物理学的各个分支逐渐走向统一,夭折了,17,2004年诺贝尔物理学奖,18,六.自然界中的种种不对称性 有些还是个谜 不断去探索 但可利用,19,1.动植物蛋白质的分子的不对称性,蛋白质是生命的基本物质，它是由多种氨基酸 组成，每种氨基酸都有两种互为镜象的异构体,丙氨酸

5、的两种异构体,用人工合成的方法，总是得到左型和右型各占一半，如用人工合成的蔗糖也是由左、右两型的分子组成,20,如用人工合成的蔗糖也是由左、右两型的分子组 成。但用种的甘蔗榨出来的蔗糖分子则只有左型 的。现代生化实验确认：生物体内蛋白质几乎都 是由左型蛋白质组成，对高等的生物尤其如此,有人做过如下 实验：将人工合 成的糖液(含等量 左右型糖分子） 作细菌培养,为什么只剩 下右型的,人工合成 的糖液,21,有意思的是：左型蛋白质的动物只能吃左型蛋白质的植物。利用这一点，人们通过生物技术培育出一种右型蛋白质的棉花，棉花害虫是左型的，吃了右型蛋白质的棉花就自然死掉。因此不用打农药，棉花仍长得很好,如

6、果由于某种原因产生了一只右型猫，它和左型 猫一样活动，但由于现实世界中没有右型食物， 而很快饿死，腐化后回归自然。化为无机物,自然界生物在分子水平上的不对称性的存在，至今是个谜,22,2.宇称守恒与不守恒,凡在现实世界中的一种运动（或过程）只要它 的镜像（空间反演）中的运动可以实现，那么这 种运动就称为是宇称守恒的。或者说对应空间反 演的守恒量是“宇称”。 （“P宇称”,前面我们介绍过 微观粒子的几率密 度是左右对称的,镜 面,23,对称性是物理规律的整体特性，通过诺特尔 定理。我们可以寻找各种守恒量及粒子之间的 各种相互作用,而对称性自发破缺的起源和机制，属于目前 理论物理最前沿的疑难问题。被称为二十一世纪 的乌云之一,24,总结一下： 概念上的提高 方法上的提高 体会