1、自然界中存在多種守恒定律自然界中存在多種守恒定律2 動量守恒定律動量守恒定律2能量守恒定律能量守恒定律2角動量守恒定律角動量守恒定律2電荷守恒定律電荷守恒定律2質量守恒定律質量守恒定律2宇稱守恒定律等宇稱守恒定律等2點評點評3雪花六角形花樣雪花六角形花樣場離子顯微鏡下場離子顯微鏡下的針尖圖形的針尖圖形一一.自然界中的種種對稱性自然界中的種種對稱性4567Xx1-x1x2-x2x3-x3鏡面鏡面8二二. .物理定理的對稱性物理定理的對稱性經過一定的操作后，物理定律的形式保持不變，經過一定的操作后，物理定律的形式保持不變，稱作物理定律的對稱性。又叫不變性。稱作物理定律的對稱性。又叫不變性。例例1

2、物理定理空間平移的不變性物理定理空間平移的不變性在某處作一實驗，然后將實驗設備（連同影響在某處作一實驗，然后將實驗設備（連同影響實驗的一切外部因素）平移到空間的另一地方，實驗的一切外部因素）平移到空間的另一地方，如果初始條件相同，實驗將以完全相同的方式進如果初始條件相同，實驗將以完全相同的方式進行，此稱為物理定律空間平移的對稱性行，此稱為物理定律空間平移的對稱性 守恒定律與宇宙中某種對稱性相聯系守恒定律與宇宙中某種對稱性相聯系 對稱性是統治物理規律的規律對稱性是統治物理規律的規律9NSNS它說明空間各處對物理定律是一樣的，它說明空間各處對物理定律是一樣的， 稱為空間的均勻性稱為空間的均勻性NS

3、NSFIFI10F例例2 物理定理空間轉動的對稱性物理定理空間轉動的對稱性 - -在某處作一實驗，然后將實驗設備（連同影響在某處作一實驗，然后將實驗設備（連同影響 實驗的一切外部因素）在空間轉過一個角度，實驗的一切外部因素）在空間轉過一個角度， 則在初始條件相同的條件下，實驗將以完全則在初始條件相同的條件下，實驗將以完全 相同的方式進行，這說明物理定律沒有因轉動而相同的方式進行，這說明物理定律沒有因轉動而 發生變化。這就是物理學定律對空間轉動的對稱發生變化。這就是物理學定律對空間轉動的對稱 性。性。-空間的各向同性空間的各向同性NSNSFI+-INS11三三.對稱性與守恒定律對稱性與守恒定律物

4、理規律的某一種對稱性（不變性物理規律的某一種對稱性（不變性) )通常都屬于一種守恒定律通常都屬于一種守恒定律由分析力學、量子力學由分析力學、量子力學 嚴格證明：嚴格證明： 空間平移不變性空間平移不變性 對應對應 動量守恒定律動量守恒定律 空間轉動不變性空間轉動不變性 對應對應 角動量守恒定律角動量守恒定律 時間平移不變性時間平移不變性 對應對應 能量守恒定律能量守恒定律 等等（等等（趙凱華新概念力學中有趙凱華新概念力學中有普物普物推導推導）諾特爾諾特爾( (E.Nther) )定律定律12四四.對稱性原理對稱性原理 原因原因中的對稱性必然反映在中的對稱性必然反映在結果結果中中 結果中的對稱性至

5、少和原因中的對稱性一樣多結果中的對稱性至少和原因中的對稱性一樣多結果中的不對稱性必然出自原因中的不對稱性結果中的不對稱性必然出自原因中的不對稱性 原因中的不對稱性至少原因中的不對稱性至少 和結果中的不對稱性一樣多和結果中的不對稱性一樣多 對稱性原理是凌駕于物理規律之上的自然界的對稱性原理是凌駕于物理規律之上的自然界的一條一條基本規律基本規律13例：例：均勻帶電球面電場的分布均勻帶電球面電場的分布原因原因- 球對稱性球對稱性結果結果-至少具有球對稱性至少具有球對稱性 徑向徑向EErQ14五五.物理規律的對稱性在物理學中的重要性物理規律的對稱性在物理學中的重要性1. 對稱性對應著守恒定律對稱性對應

6、著守恒定律 若數學上提供一種數學變換（對稱若數學上提供一種數學變換（對稱) ) 物理上物理上 應去應去 尋找尋找 相應的守恒定律相應的守恒定律2.對稱性提供更深層次的認識對稱性提供更深層次的認識 以普遍的對稱性為指引以普遍的對稱性為指引 去探索和解決未知的去探索和解決未知的 物理世界物理世界 實現理論大統一實現理論大統一 或有新的發現或有新的發現15例：正電子的預言例：正電子的預言 狄拉克從他的狄拉克從他的 Dirac 方程是對稱的方程是對稱的 預言了預言了 正電子的存在正電子的存在所以所以 一種對稱性的發現比一種一種對稱性的發現比一種 特定的現象的發現意義還大特定的現象的發現意義還大 對對反

7、粒子反物反粒子反物質的探索質的探索與外星人握手要小心噢！與外星人握手要小心噢！可怕的可怕的對稱性對稱性科學家談物理科學家談物理叢書叢書值得一讀值得一讀16 根據對稱，根據對稱， 物理學的各個分支逐漸走向統一物理學的各個分支逐漸走向統一 萬有引力萬有引力天上的天上的地上的地上的 聲學聲學熱學熱學 光學光學電學電學磁學磁學力學力學19世紀末世紀末 愛因斯坦想愛因斯坦想把萬有引力和電磁學統把萬有引力和電磁學統一起來的嘗試一起來的嘗試 由于當由于當時不知道還有強作用和時不知道還有強作用和弱作用弱作用 夭折了夭折了17萬有引力萬有引力天上的天上的地上的地上的 聲學聲學熱學熱學光學光學電學電學磁學磁學力學

8、力學放射性放射性弱弱核動力核動力 強強20世紀世紀向大統一向大統一的行進的行進 超弦超弦 是最后嗎？是最后嗎？2004年諾年諾貝爾物理貝爾物理學獎學獎18六六.自然界中的種種不對稱性自然界中的種種不對稱性有些還是個謎有些還是個謎不斷去探索不斷去探索但可利用但可利用191.動植物蛋白質的分子的不對稱性動植物蛋白質的分子的不對稱性 蛋白質是生命的基本物質，它是由多種氨基酸蛋白質是生命的基本物質，它是由多種氨基酸組成，每種氨基酸都有兩種互為鏡象的異構體。組成，每種氨基酸都有兩種互為鏡象的異構體。丙氨酸的兩種異構體丙氨酸的兩種異構體NHCOa、左型（、左型（L）NHCO b、右型（、右型（D）用人工合

9、成的方法，總是得到左型和右型各占一半，如用人工合成的方法，總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、右兩型的分子組成。用人工合成的蔗糖也是由左、右兩型的分子組成。20如用人工合成的蔗糖也是由左、右兩型的分子組如用人工合成的蔗糖也是由左、右兩型的分子組成。但用種的甘蔗榨出來的蔗糖分子則只有左型成。但用種的甘蔗榨出來的蔗糖分子則只有左型的。現代生化實驗確認：生物體內蛋白質幾乎都的。現代生化實驗確認：生物體內蛋白質幾乎都是由左型蛋白質組成，對高等的生物尤其如此。是由左型蛋白質組成，對高等的生物尤其如此。 有人做過如下有人做過如下實驗：將人工合實驗：將人工合成的糖液成的糖液(含等量含等量

10、左右型糖分子）左右型糖分子）作細菌培養作細菌培養為什么只剩為什么只剩下右型的？下右型的？原來為了自己的生原來為了自己的生命，動植物只吃與命，動植物只吃與自己對路的左型蛋自己對路的左型蛋白。白。人工合成人工合成的糖液的糖液21 有意思的是：左型蛋白質有意思的是：左型蛋白質的動物只能吃左型蛋白質的的動物只能吃左型蛋白質的植物。利用這一點，人們通植物。利用這一點，人們通過生物技術培育出一種右型過生物技術培育出一種右型蛋白質的棉花，棉花害蟲是蛋白質的棉花，棉花害蟲是左型的，吃了右型蛋白質的左型的，吃了右型蛋白質的棉花就自然死掉。因此不用棉花就自然死掉。因此不用打農藥，棉花仍長得很好。打農藥，棉花仍長得

11、很好。右右型型棉棉花花如果由于某種原因產生了一只右型貓，它和左型如果由于某種原因產生了一只右型貓，它和左型貓一樣活動，但由于現實世界中沒有右型食物，貓一樣活動，但由于現實世界中沒有右型食物，而很快餓死，腐化后回歸自然。化為無機物。而很快餓死，腐化后回歸自然。化為無機物。 自然界生物在分子水平上的不對稱性的存在，自然界生物在分子水平上的不對稱性的存在，至今是個謎。至今是個謎。222.宇稱守恒與不守恒宇稱守恒與不守恒 凡在現實世界中的一種運動（或過程）只要它凡在現實世界中的一種運動（或過程）只要它的鏡像（空間反演）中的運動可以實現，那么這的鏡像（空間反演）中的運動可以實現，那么這種運動就稱為是宇稱

12、守恒的。或者說對應空間反種運動就稱為是宇稱守恒的。或者說對應空間反演的守恒量是演的守恒量是“宇稱宇稱”。（“P宇稱宇稱”） 前面我們介紹過前面我們介紹過微觀粒子的幾率密微觀粒子的幾率密度是左右對稱的度是左右對稱的0, 1smln1; 1, 3mln鏡鏡 面面2ddVW23 對稱性是物理規律的整體特性，通過諾特爾對稱性是物理規律的整體特性，通過諾特爾定理。我們可以尋找各種守恒量及粒子之間的定理。我們可以尋找各種守恒量及粒子之間的各種相互作用。各種相互作用。 而對稱性自發破缺的起源和機制，屬于目前而對稱性自發破缺的起源和機制，屬于目前理論物理最前沿的疑難問題。被稱為二十一世紀理論物理最前沿的疑難問題。被稱為二十一世紀的烏云之一。的烏云之一。24 總結一下：總結一下： 概念上的提高概念上的提高 方法上的提高