1、1 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 2 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 3 4 5 6 7 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 8 它说明空间各处对物理定律是一样的 称为空
2、间的均匀性 9 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 10 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 N ther 定律 11 四 对称性原理原因中的对称性必然反映在结果中结果中
3、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 12 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 13 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 14 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
4、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 15 根据对称 物理学的各个分支逐渐走向统一 夭折了 16 2004年诺贝尔物理学奖 17 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 18 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 19 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
5、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 20 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 21 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 22 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 23 对牛顿力学进行概括和总结总结一下 概念上的提高方法上的提高体会一下 大学物理的味道调整一下心态 大学物理课是必要的也是重要的知道总比不知道好听一点总比孤陋寡闻好今天的文化人和上个世纪的文化人的知识结构已全然不同 爱因斯坦又是一个令人兴奋的人物
