物理学史与基本物理概念简介-第十讲

1、第十章 物理亦文化,10-1 现代物理学的认识论,认识论要是不同科学接触，就会成为一个空架子。科学要是没有认识论只要这一点是可以设想的就是原始的混乱的东西。,一、认识论的相对性原理,二、 什么实验最美,物理学是一门实验科学，几乎所有的物理知识都来自实验的观测。,2002年5月物理杂志Physics World 上一位科学哲学家Crease发出一个投票活动：“物理学中最美的实验是什么？”同年9月份，投票结果，前十名是,1、用单电子做的杨氏双缝干涉实验（1961） 2、伽利略的落体实验（1600左右） 3、密立根油滴实验（1909） 4、牛顿用棱镜将日光分解为七色的实验（1665-1666） 5、

2、杨氏用光作的干涉实验（1801） 6、卡文迪许用扭杆测定万有引力常数的实验（1798） 7、埃拉托色尼用阳光测定地球周长的实验（公元前300） 8、伽利略的斜面实验（1600） 9、卢瑟福用 粒子散射发现原子核的实验 10、傅科摆的实验,10-2 现代物理学的方法论,一、模型方法的实质,优点：简单而直观，能为研究更深入层次的理论探索方向，开辟道路。 建立模型：通过一个具体的实例来抓住问题的主要矛盾，建立一个简单而直观的模型。,物理学各个领域里有那么多定理、定律和法则，但它们的地位并不是平等的，而是有层次的。,统帅整个经典力学的是牛顿定律，统帅整个电磁学的是麦克斯韦方程，他们都是物理学中整整一个

3、领域中的基本规律，层次要高得多。,二 对称性在物理学中的地位,例如：力学中的胡克定律，热学中的物态方程，电学中的欧姆定律，都是经验性的定律，仅在 一定的参量范围内对于一定的物质或材料适用。这些都是较低层次的规律。,凌驾于这些基本规律之上更高层次的法则是：,对称性,对称性,对称性的概念最初来源于生活。在艺术、建筑等领域中，所谓“对称”，通常指左右对称。人体本身就有近似的左右对称性。,各类艺术、建筑都有较高的对称性,中国文化独特的对称与反对称,烟霞映水碧迢迢， 暮色秋色一雁遥。前岭落晖残照晚， 边城古树冷萧萧。,萧萧冷树古城边， 晚照残晖落岭前。遥雁一色秋色暮， 迢迢碧水映霞烟。,回文诗,晚秋即景

4、,在科学中什么是对称？,如果系统的状态在某种操作下保持不变，则该系统对这一操作具有对称性。,德国数学家魏尔（H. Weyl, 1885-1955）的定义。,操作：系统从一个状态变到另一个状态的过程称为变换，或操作。,物理学中的对称性: 一个变换使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态，则称该系统对这一变换(操作)是对称的。这个变换(操作)叫该系统的一个对称操作。,由于变换(操作)的方式不同,可有各种不同的对称性，最常见的对称操作是时空操作，相应的对称性为时空对称性。,空间操作平移、转动、镜像反射、空间反演、标度变换(尺度的放大或缩小)等等。,时间操作时间平移，时间反演等。,牛顿力学中的伽利略变

5、换和相对论的洛仑兹变换都是一种时空联合操作。,除时空操作外物理学还涉及到其它操作全同粒子置换、规范变换、正反粒子共轭变换等。还可以有几种不同类型变换的复合变换。,物理学存在两类不同性质的对称性：,二. 物理规律的对称性,例如：均匀带电圆球的静电场具有球对称性,例如：牛顿定律经伽利略变换具有形式不变性， 称为具有对称性或伽利略变换不变性。,经一定的变换(操作)，物理规律的形式保持不变。,一. 某个系统或某具体事物的对称性;,物理规律的对称性又叫做不变性。,对这类对称性的研究是为了方便解决具体问题。,对这类对称性的研究往往涉及整个物理学的原理。,二. 物理定律的对称性,研究物理定律的对称性，即物理

6、定律在某种操作下的不变性。这些操作包括时间平移、时间反演，空间平移、空间转动、空间镜像，惯性系坐标变换等。,1. 物理定律时间平移不变性在同宇宙演化时间相比短的多的有限时间中，物理规律在任何时间平移操作后的某一时刻，物理定律的形式都不会改变。称为物理定律时间平移不变性或物理定律对时间的均匀性不改变实验条件的情况下，今天与明天应得到相同的结果。,2. 物理定律空间平移不变性在宇宙空间的有限范 围内, 物理定律在空间任何位置都相同。即不管在地球的何处，还是在遥远的星系中的某处，物理定律都具有相同的形式。称为物理定律空间平移不变性或空间具有对称性。不同地点做实验，应得到相同的结果。,3. 物理定律空

7、间转动不变性物理定律在空间所有方向上都相同, 不管将物理实验仪器在空间如何转向,只要实验条件相同, 就应得到相同的实验结果. 称之为物理定律空间转动不变性或对物理定律而言, 空间各向同性。,5. 物理定律的惯性系变换不变性惯性系之间是完全对称的。低速下，牛顿定律在伽利略变换下具有形式不变性；高速下，在洛伦兹变换下，牛顿定律不具有形式不变性，故需将它改造为相对论力学规律。,4. 物理定律的镜像不变性: 镜像也是一种变换, 它与平移和转动不同. 费曼: 镜子前面放一只钟. 若制出与镜子中相同的钟, 则这两只钟将以相同的速率走动即服从相同的力学规律. 若制出两个互为镜像的电动机, 它们服从相同的电磁

8、学规律.可见, 物理定律在镜像变换下具有不变性. 或对物理定律而言, 空间是左右对称的.,问题：是不是所有物理规律都是左右对称的？,NO！,物理定律的对称性可用一种否定形式来叙述：我们不可能通过任何的物理实验来确定我们所处的时间的绝对值（时间平移不变性），所在空间的绝对位置（空间平移不变性）和空间的绝对方向（空间转动不变性），在某个参考系内所做的物理实验也不可能确定该参考系在空间的绝对的速度（惯性系变换不变性）。,物理定律的对称性反映时空特性。,讨论两个有趣的时空变换：,1. 时间反演；,2. 空间镜像；,时间反演相当于时间倒流,牛顿第二定律对保守系统时间反演不变。,时间反演,如无阻尼的单摆,

9、时间反演不变,非保守系统？,武打片 动作的真实性,紧身衣 大袍,不真实,真实,非保守系统不具有 时间反演不变性！,时间 反演 下变 了,镜象对称性（反映左右对称）,物理学中称为宇称,问题：物理规律是不是左右对称的？,物理规律不总是左右对称的。,弱相互作用下左右不对称的宇称不守恒。,1956年杨振宁和李政道从理论上提出弱相互作用下，宇称（左右对称）不守恒。,李政道（T. D. Lee，左边）与杨振宁（C. N. Yang，右边）,守恒定律与物理规律在一定变换(操作)下的不变性密切相连。,诺特定理(1918)如果物理规律在某一个不明显依赖时间的连续变换下具有不变性，必然有一个守恒定律存在。,三、对

10、称性与守恒定律,Emmy Noether （18821935）,诺特定理的意义： 它对某一个运动规律在某一个变化下的形式不变性直接与守恒定律的存在联系起来了。而且指出：若运动规律在某一个变换群中所有变换都具有不变性,则: 守恒定律数=变换群中变换数。,下面讨论动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律与时空对称性的关系。,如果运动定律对某一个对称不严格成立而有破缺，相应的守恒量就变为近似守恒量。其不守恒部分所占的比例将随破缺所占的比例而定。,根据上述结论，可指导物理学家去探测未知领域，去寻求物质结构更深层次的奥秘。,物理系统,由时空对称性导出的能量、动量等守恒定律，也是跨越物理学各个领域的普遍

11、法则。这就是为什么在不涉及一些具体定律之前，我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断，得到一些有用的信息。,目前，当代物理学家(特别是粒子物理学家)正高度自觉的运用对称性法则和与之相应的守恒定律，去寻求物质结构更深层次的奥秘。,原子分子光谱学：原子分子结构的对称性,高能物理：相互作用的对称性,固体物理：晶体对称性,以下是一些守恒律及与其对应的对称性,古希腊哲学家关于对称性的直觉概念是正确的方向，这个概念在数学和物理学中的演变导致两个学科的深远发展，而现在依然悬而未解的基本物理的最深奥的秘密与这个概念好象全都纠缠在一起，等待未来的进一步的发展。在理解物理世界的过程中，下一个世纪会目睹对称概念的新方面吗？我的回答是，十分可能。 杨振宁,物理学在20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界的基本语言。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