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对称性和守恒定律

近代物理学中的重要观念。如果运动规律具有一种对称性,必相应地存在一条守恒定律。

对称性和守恒定律

symmetry and law of conservation

对称性是人们观察客观事物形体上的特征而形成的认识,例如正六边形具有六角对称,一个平面圆形具有轴对称,人体具有左右对称,一条连续的花边具有平移对称,其他还有镜像对称等等。这些对称性被看作自然界的一项美学原则,广泛应用于建筑、造型艺术和工艺美术中。物理学移植对称性概念用于研究物理规律的特征,并给以精确化,把它与变换联系起来。通常把两种情况通过确定的规则对应起来的关系叫做从一种情况到另一种情况的变换,例如旋转某一角度或旋转任意角度,平移一段距离或平移一段时间等等都是变换的规则。对称性则定义为某一情形在某个变换下保持不变的性质。对称性意味着某种不可分辨性或不可测量性。例如物理规律具有空间平移变换对称性,表明空间没有绝对的原点,可以任意选择空间的一点作为坐标原点,物理规律保持形式不变,即绝对位置是不可测量的;同样物理规律具有时间平移变换对称性,表明时间也不存在绝对的零点。

物理学关于对称性探索的一个重要进展是建立诺特定理,定理指出,如果运动定律在某一变换下具有不变性,必相应地存在一条守恒定律。简言之,物理定律的一种对称性,对应地存在一条守恒定律。例如,运动定律的空间平移对称性导致动量守恒定律,时间平移对称性导致能量守恒定律,空间旋转对称性(空间各向同性)导致角动量守恒定律。上述经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广,在量子力学范围内也成立。在量子力学和粒子物理学中,又引入了一些新的内部自由度,认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律。

对称性和守恒定律取决于相互作用的性质,相互作用类型不同有不同的结果。例如强相互作用和电磁相互作用下,粒子的运动具有空间反演对称性。空间反演是指空间坐标相对于坐标原点的变换,即将坐标 x、y、z 换成-x、-y、-z的变换。空间反演对称性导致宇称守恒。然而在弱相互作用下,粒子的运动不存在空间反演对称性和宇称守恒。这个曾经使物理学家们确信无疑普遍成立的宇称守恒定律于1956年经李政道和杨振宁仔细分析当时的实验资料,指出弱作用下宇称守恒定律不成立,不久被吴健雄等人以确凿的实验所证实。

表中给出对称性和守恒定律之间的联系以及不同相互作用下的表现。

对物质运动基本规律的探索中,对称性和守恒定律的研究占有重要的地位。从历史发展过程来看,无论是经典物理学还是近代物理学,一些重要的守恒定律常常早于普遍的运动规律而被认识。质量守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒就是人们最早认识的一批守恒定律。这些守恒定律的确立为后来认识普遍运动规律提供了线索和启示。对称性和守恒定律之间的联系,提供了从分析对称性入手来研究守恒定律。


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