05-2-对称性和守恒定律
物理学中的对称性与守恒定律
物理学中的对称性与守恒定律对称性和守恒定律是物理学中的基本概念，它们在理解和解释自然界中各种物理现象和规律中起着重要作用。
本文将探讨物理学中的对称性和守恒定律，并探讨它们之间的密切关系。
一、对称性在物理学中的意义对称性是物理学中的重要概念，它描述了物理系统在某些变换下保持不变的性质。
在物理学中，对称性可以分为时空对称性和内禀对称性两种。
1. 时空对称性时空对称性是指物理系统在时空变换下保持不变。
在相对论物理学中，洛伦兹变换是描述时空变换的数学工具。
根据洛伦兹变换的不同类型，物理系统可以表现出平移对称性、旋转对称性和洛伦兹对称性等。
平移对称性是指物理系统在空间位置上的平移不会改变其物理性质。
例如，一个均匀介质中的物理规律在空间中的任何位置都是相同的。
旋转对称性是指物理系统在空间方向的旋转下保持不变。
例如，地球的自转周期不会影响物理规律的成立。
洛伦兹对称性是指物理系统在洛伦兹变换下保持不变，包括时间和空间的坐标变换。
相对论物理学中的基本原理就是洛伦兹对称性。
2. 内禀对称性内禀对称性是指物理系统在内部变换下保持不变。
在粒子物理学中，内禀对称性描述了粒子的基本性质。
例如，电荷共轭对称性指粒子与其反粒子具有相同的物理性质。
对称性在物理学中具有广泛的应用。
它不仅可以用于解释物理定律的成因，还可以帮助物理学家发现新的规律和预测新的物理现象。
二、守恒定律与对称性的关系守恒定律是物理学中的基本定律，描述了物理系统在某些变换下某个物理量保持不变的规律。
守恒定律与对称性之间存在着密切的关系。
以能量守恒定律为例，它描述了物理系统的能量在各种变换下保持不变。
能量守恒定律与时间平移对称性密切相关，即物理规律在时间上的平移不变性保证了能量守恒。
动量守恒定律是另一个重要的守恒定律，它描述了物理系统的总动量在某些变换下保持不变。
动量守恒定律与空间平移对称性密切相关，即物理规律在空间上的平移不变性保证了动量守恒。
角动量守恒定律和电荷守恒定律等也与对称性有着密切的联系。
大学物理 第三章 守恒定律与对称性剖析
转动对称P4：
转动90º的整数 倍形状不变。
缔合转换引起 的对称：滑移 反射对称，平 移加镜像反射 后形状不变。
图选自李政道《物理 的挑战》中国经济出 版社, 2002年
缔合转换引起 的对称：将镜 像的黑白两种 颜色互换图形 不变。
图选自杨振宁《基本粒 子发现简史》上海科学 技术出版社, 1963年。原 图为荷兰画家M.C.Escher 所画。
体所做的功。
dA F dr cos Ft dr F dr Biblioteka drFtB F
L
质点沿曲线 L 从A到B力所做的功：
Fn
B
B A
A dA F dr
A
A
L
L
质点沿曲线 L 从A到B力所做的功为力F 沿路径 L 从A到B
的线积分。显然，功是标量其大小与路径有关。
3.合力做的功
若 F F1 F2 Fn
图选自李政道《物理 的挑战》中国经济出 版社, 2002年
对称性在微观世界非常重要：铂针尖上原子对称排 列在场离子显微镜下显示的花样
图选自李政道《物理的挑战》中国经济出版社, 2002年
自然界中非生命的宏观的结构大多是非对称性？
对称性——是时空性质的反映。时间和空间具有各向 同性和均匀性，所以有能量、动量和角动量的守恒。
§2 功和功率
问题提出：考察作用力在空间累积作用的结果使运动 产生怎样的变化？ 力在空间上作用的结果：物体在力的作用下产生位移。 功：描述力在空间上积分的物理量。
1.恒力对直线运动物体所作的功
F
S
定义：力对物体所做的功为：
A FS cos F S
2.变力对曲线运动物体所作的功——元功
理论物理中对称性与守恒定律的关系
理论物理中对称性与守恒定律的关系在理论物理中，对称性与守恒定律是两个核心概念。
对称性描述了系统在某些变换下保持不变的性质，而守恒定律则说明了系统在各种变化中某些物理量的不变性。
这两个概念之间存在着密切的关系，对称性的存在导致了守恒定律的存在，反之亦然。
本文将深入探讨对称性与守恒定律的关系。
首先，让我们来了解对称性的概念。
对称性可以简单地理解为某种变换下系统保持不变的性质。
在物理学中，常见的对称性有平移对称性、旋转对称性、时间平移对称性和粒子对称性等。
平移对称性指的是系统在空间中的平移下保持不变，旋转对称性指的是系统在空间中的旋转下保持不变，时间平移对称性指的是系统在时间上的平移下保持不变，而粒子对称性指的是系统在粒子交换下保持不变。
对称性在物理学中起着非常重要的作用。
与对称性相关联的是守恒定律。
守恒定律描述了系统在各种变化中某些物理量守恒的性质。
守恒定律可以用数学表达式表示为：某一物理量的变化率等于该物理量进入与离开系统的流量之差。
根据对称性的不同，我们可以得到不同的守恒定律。
首先，根据时间平移对称性，我们可以得到能量守恒定律。
能量守恒定律指的是系统的能量在时间上保持不变。
这是因为系统的物理规律在时间上的不变性导致的。
无论系统中发生了怎样的能量转化，总能量的变化率始终为零，能量守恒得到维持。
其次，根据空间平移对称性，我们可以得到动量守恒定律。
动量守恒定律指的是系统的动量在空间上保持不变。
这是因为系统的物理规律在空间上的不变性导致的。
无论系统中的物体如何运动，总动量的变化率始终为零，动量守恒得到维持。
此外，根据空间旋转对称性，我们可以得到角动量守恒定律。
角动量守恒定律指的是系统的角动量在空间上保持不变。
这是因为空间旋转对称性导致的。
无论系统中的物体如何旋转，总角动量的变化率始终为零，角动量守恒得到维持。
最后，根据粒子对称性，我们可以得到电荷守恒定律。
电荷守恒定律指的是系统中的总电荷量在粒子交换下保持不变。
粒子物理学中的对称性与守恒定律
粒子物理学中的对称性与守恒定律粒子物理学是研究物质的最基本组成部分和相互作用的学科。
在这个领域中，对称性与守恒定律是非常重要的概念。
对称性指的是在某种变换下，系统的性质保持不变；而守恒定律则是指物理量在时间和空间上的变化率为零。
一、对称性在粒子物理中的重要性对称性是粒子物理学中一项基本原则。
根据量子力学和相对论的理论基础，我们知道，自然界的基本定律应该具有某种形式的对称性。
首先是空间对称性，即物理系统的性质在空间位置的变换下保持不变。
例如，相对论性量子场论中的拉格朗日量具有洛伦兹对称性，这意味着在任何洛伦兹变换下，物理定律保持不变。
其次是时间对称性，即物理系统的性质在时间演化的过程中保持不变。
例如，量子力学中的薛定谔方程描述的系统具有时间反演对称性，即系统在时间反演下的演化与正常的时间演化完全一致。
还有内禀对称性，即系统在某种内部变换下保持不变。
例如，电荷守恒定律是电荷在整个物理过程中都保持不变的内禀对称性。
二、粒子物理中的守恒定律在粒子物理学中，守恒定律描述了一系列重要的物理量在物理过程中的守恒。
这些守恒定律为粒子物理学的研究和实验提供了重要的基础。
首先是能量守恒定律。
能量是物理过程中最基本的物理量之一，根据能量守恒定律，能量在物理过程中总是守恒的。
例如，在粒子碰撞实验中，总能量守恒可以用来解释反应产物的能量分布。
其次是动量守恒定律。
动量是描述物体运动状态的物理量，根据动量守恒定律，系统中所有粒子的总动量在物理过程中保持不变。
例如，在高能碰撞实验中，通过测量反应产物的动量可以对碰撞发生前的粒子进行研究。
还有角动量守恒定律和电荷守恒定律。
角动量守恒定律描述了系统中所有粒子的总角动量在物理过程中保持不变，而电荷守恒定律描述了系统中电荷的总量保持不变。
这些守恒定律在研究物质的性质和相互作用时起着至关重要的作用。
三、对称性与守恒定律的关系对称性与守恒定律之间存在密切的关系。
根据诺特定理，守恒定律可以由系统的对称性得出。
对称性与守恒定律
对称性与守恒律物理规律是分层次的，有的只对某些具体事物适用，如胡克定律只适用于弹性体；有的在一定范畴内成立，如牛顿定律适用于一切低速运动的宏观物体；有的如能量、动量守恒等守恒律，则在所有领域的自然界起作用。
后者属于自然界更深层次、最为基本的规律。
而守恒律和对称性有紧密联系。
了解对称性的概念、规律及其分析方法，对于深入地认识自然有重要意义。
一、什么是对称性对称的概念日常生活中就有，如人体外部器官的左右对称，紫禁城建设布局的东西对称，不带任何标记的球的中心对称等。
对称性的定义如下。
若某个体系（研究对象）经某种操作（或称变换）后，其前后状态等价（相同），则称该体系对此操作具有对称性，相应的操作称为对称操作。
简言之，对称性就是某种变换下的不变性。
二、物理学中几种常见的（对称）变换1.空间变换1）平移：即对位矢作的变换，相应的对称性谓之平移对称性。
例如，一个不带任何标记的无限大平面，对沿平面的任意平移具有对称性，而当此平面上均匀布满方格时，则对沿平面的特定方位（如边长或对角线方位）平移某个长度的整数倍具有对称性。
2）转动：绕某定点或轴线的转动前述球的中心对称，就是指球对绕球心的任意旋转对称，通常就称之为球对称。
一圆柱体，对绕其中心轴旋转任一角度状态不变，即具有旋转轴对称……3）镜像反射（反演）：俗称照镜子。
指对镜面作物像变换。
紫禁城建筑的东西对称，就是以天安门中轴面（南北竖直面）为镜面的镜像对称。
●物理矢量的镜面反射——极矢量和轴矢量按镜面反射时，矢量物像的方向之间的关系，物理矢量分两类。
一类，以位移为例，其镜像为，如图1(a)所示。
它们平行于镜面的分量方向相同，垂直于镜面的分量的方向相反，这类矢量叫极矢量。
，，等都是极矢量。
另一类矢量，如图1(b)中右侧所示一沿圆轨道运动的质点的角速度。
保持角速度方向与轨道旋向成右手关系的规定不变，则其镜像为左侧的。
和沿镜面的平行分量反向，而垂直分量方向相同。
这类矢量叫轴矢量，又称赝矢量。
对称性和守恒律
对称性和守恒律概念及其重要性对称性(Symmetry)与守恒律(Conservation Law)是物理学中最重要的概念之一，它们有助与我们理解和描述这个宇宙的运行机制。
对称性是物理学上的一种基本假设，指的是存在着外界因素（如时间、空间、组织、排列、颜色）的变化，使得一个模式具有重叠性，称为对称性。
而守恒律指的是一个物理量的大小是不变的，只有根据特定的定律允许存在一定的变化，而不存在消失或诞生的情况。
质量守恒律质量守恒律是物理变换过程中最重要的守恒律之一，它表明量子物理中物质的平衡性，即物质总量保持不变，任何形式的物质是可以通过相互转换得到的。
质量守恒的定义是：质量的总量在物理变换的过程中不会变化，因此在化学反应中反应前后物质的总量是一致的。
电量守恒律电量守恒律是物理变化过程中另一个重要的守恒律，其定义是：在带电粒子运动的物理变化过程中，电子、正电子等电荷总量保持不变，不发生增减。
换言之，任何形式的电荷，只要经过合理计算，都是可以表示为电荷量的，从而可以被计算出来。
动量守恒律动量守恒律是物理变换过程中的另一个守恒律，其定义是：在物理变化的过程中，物质所携带的动量是守恒的，即动量总量保持不变。
动量守恒律是物理变换中最重要的守恒律之一，它表明，在无外力作用的情况下，物体的运动状态是恒定的，物质的动量不会发生变化。
这个定律是有“动量守恒定律”这一名称的，它通常也被称为“牛顿拉普拉斯定律”。
结论由上文可以得出，对称性与守恒律是物理学中不可或缺的重要概念，其中，质量守恒律、电量守恒律和动量守恒律是最为重要的。
这些守恒律在影响物理变换过程中产生了重要的作用，对我们对物质和能量的理解和认识极为重要，它们是理解宇宙现象的基础科学。
对称性与物理学中的守恒定律
对称性与物理学中的守恒定律物理学中对称性与守恒定律是一对密不可分的概念。
对称性是自然界的一种基本现象，而守恒定律则是对称性的体现。
本文将介绍对称性与物理学中的守恒定律的基本概念及其在物理学中的应用。
对称与对称性对称是指一个物体在某个操作下仍能保持不变。
常见的对称有平移对称、旋转对称和镜像对称等。
以矩形为例，它有平移、旋转和镜像三种对称。
当你将矩形向一个方向平移一定距离时，它仍看起来一模一样；当你绕矩形中心旋转90度时，它也仍然不变；当你将矩形沿着某一直线对折时，它还是一样的。
在数学中，对称主要是通过变换来定义的。
例如，将平面上的点(x,y)绕原点旋转一个角度θ得到(x',y')，则(x,y)和(x',y')就是关于原点对称的。
物理学中的对称性是指物理现象在某种变换下仍然保持不变。
例如，物体在不同位置、不同时间、不同方向和不同状态下具有平移、时间、旋转和内禀对称性。
具体而言，平移对称意味着物理定律在位置的变换下不变；时间对称性要求物理现象在时间上前后对称；旋转对称性要求物理定律在空间旋转下不变；内禀对称性指的是物理现象在基本粒子的内部对称变换下保持不变。
对称性原理对称性原理是物理学中一个重要的基本原理。
其基本思想是，自然界的基本定律应该具有某些对称性，而这些对称性可以用来推导自然界的规律。
换言之，对称性原理是自然界中某些规律的先决条件。
在物理学中，对称性原理有多个方面。
首先，对称性原理要求物理定律在各种对称变换下不变。
例如，物体的质量在不同位置、不同方向和不同速度下应该保持不变。
这是牛顿运动定律中的一个例子。
更具体地说，在牛顿定律中，物体的运动状态不随时间、空间和速度的变化而改变。
其次，对称性原理还要求物理定律在内部对称变换下不变。
例如，在电动力学中，电场和磁场在某些线性旋转下保持不变。
最后，对称性原理还要求物理定律在粒子转换下不变。
例如，在核物理学中，电荷守恒原理要求在粒子转换时总电荷量不变。
对称性和守恒律--物理百科知识
对称性和守恒律--物理百科知识对称性和守恒律duichenxing he shouhengl对称性和守恒律symmetry and conservation law对称性是物质的状态和运动规律在对称变换（如镜面反射转动等）下的性质。
它已成为物理学中一个最普遍而深刻的观念。
对称性的观念是人们在观察自然界各种事物的几何形状时逐步形成的。
一个球在围绕通过中心的任何轴转动时，都不改变它的形状，称它具有转动变换的对称性。
在观察晶体时，可以看到各种规则的多而体，经过一定面的镜面反射或是绕特定轴转动特定角度，不改变它们的几何形状，显示了各种对称的组合。
按照对称方式的不同，可以把晶体分为32类，如果再考虑磁性，还可以找到58类不同的晶体对称方式；总共有90类磁性晶体的对称方式。
接连几次对称变换仍然是一个对称变换，这些对称变换之间满足结合律。
而且存在恒等变换和对称变换的逆变换。
因此对称变换的总和构成一个对称群。
在一个群的所有对称变换下不变或协变的状态(或运动规律)具有这个群的对称性。
例如球具有转动群的对称性。
如果物质的运动规律具有某一连续变换群的对称性，同时它的能量最低的状态（基态或真空态）是对称的，那么与这个群的每一个生成元对应的物理量都会是一个守恒量。
物质的运动形态可以千变万化，不断转化，而反映它们共性的守恒物理量将始终不变。
守恒定律是物质运动过程中所必须遵守的最基本的法则。
最普遍的对称性是时空几何对称性和量子力学的代数对称性。
所有的物质都在时空中运动，在不同时间和地点重复相同的实验反复证明了，对一个与周围物质切断了相互作用的孤立的系统，时空坐标原点的选取和坐标轴方向的选取都不会影响这一系统的运动规律。
时空表现为均匀和各向同性的。
坐标系原点的平移和坐标轴的转动都是对称变换，它们构成非齐次洛伦兹群，又称庞加莱群。
在庞加莱群中，与平移生成元对应的物理量为能量动量矢量，与转动生成元对应的物理量为角动量。
能量、动量守恒以及角动量守恒与时空均匀性和各向同性直接相关，它不依赖于物质的具体内容。
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Ep x1 , x2 , t t Ep x1 , x2 , t
有Ep/t = 0 体系的总能量
Ep
t 势能函数不显含时间t
t O(t )
Ep(x1, x2, t) = Ep(x1, x2)
dE dv1 dv2 Ep dx1 Ep dx2 m1v1 m2v2 dt dt dt x1 dt x2 dt
物 理 规 律 具 有 空 间 平对 移称 性 、 空 间 转 动 对性 称、 时间平移对称性。
牛顿定律具有伽利略变 换下的对称性，
而伽利略变换是近似的 ，
所以，牛顿定律也是近 似的。
内特尔定律 如果运动规律在某一不明显依赖于时间的情况下具有 不变性,必相应存在一个守恒定律。
5.7.2对称性的破缺
由于空间各向同性，系统的势能决定于两 粒子的相对位置，而与连线的方向无关。
Ep = 0 任意 AB间的力矩M = 0
L = 常量
角动量守恒定律 特定方向
7.4.3 能量守恒定律和时间平移对称性 一维低速运动的两个粒子 t时刻 势能为Ep(x1, x2, t) 经过t时间 体系的势能变为Ep(x1, x2, t+t) 体系具有时间平移对称性， Ep(x1, x2, t) = Ep(x1, x2, t+t)
旋转对称性
回文诗 如苏东坡的《题金山寺》 潮随暗浪雪山顶，远浦渔舟钓月明； 桥对寺门山径小，巷当泉眼石波清； 迢迢绿树江天晓，霭霭红霞晚日晴； 遥望四边云接水，碧峰千点数鸥轻。 轻鸥数点千峰碧，水接云边四望遥； 晴日晚霞红霭霭，晓天江树绿迢迢； 清波石眼泉当巷，小径山门寺对桥； 明月钓舟渔浦远，顶山雪浪暗随潮。
Ep(AB)=Ep(AB)
Ep(AB)=Ep(AB)fABs
得fAB=fBA
Ep(AB)=Ep(AB)fBA(s)
Ep(AB)=Ep(AB)
或dpA/dt = dpB/dt 即pA+pB=常量 动量守恒定律 x方向具有平移对称性， x方向动量守恒
7.4.2 角动量守恒定律和空间各向同性 B不动，将A沿以B为中心的圆弧s移动到A Ep = M
回文对联
上海自来水来自海上 上海自来水来自海上 南山长生松生长山南 南山长生松生长山南 客上天然居，居然天上客 人过大佛寺，寺佛大过人 僧游云隐寺,寺隐云游僧
物理定律的对称性
经 过 一 定 的 变 换 后 ，物 若理 规 律 的 形 式 保 持变 不， 则 称 物 理 规 律 具 有 这变 种换 下 的 对 称 性 。
系统具有的对称操作越 多，对称性越高。
由 于某 种 原因 ， 系 统的 对 称性 降 低， 即 出现 某 了种 对 称性 的 缺失 ， 就 称系 统 发生 了 对称 性的 破 。 缺
对称性破缺 有序性的产生
比如液体向晶体的过度
7.4对称性与守恒定律
7.4.1 动量守恒定律和空间平移对称性 在微观世界里所有的力都是保守力 势能为Ep(AB) 保持B不动，将A左移至A， 保守力作功为A = fABs 势能变为Ep(AB)=Ep(AB)fABs 保持A不动，将B右移至B 保守力作功为A=fBA(s) 势能变为Ep(AB)=Ep(AB)fBA(s)
5.7对称性和守恒定律
5.7.1对 称 性
1951 年 德国数学家 维 尔 首先提出对称性的概念
一 个 系 统 经 过 一 个 操（ 作变 换 ） 到 它 的 等 价态 状， 则 称 系 统 具 有 这 种 操下 作的 对 称 性 ， 这 个 操称 作 为系统的对称操作。
几何对称性
空间反演对称性
反映对称性
1 1 2 2 E Ek Ep m1v1 m2 v2 Ep x1 , x2 2 2
dE dv1 dv2 Ep dx1 Ep dx2 m1v1 m2v2 dt dt dt x1 dt x2 dt dv1 EP dv2 Ep v1 (m1 ) v2 m2 ) dt x1 dt x2
由于f1 = Ep/x1，f1 = m1a1，f2 = Ep/x2，f2=m2a2
得dE/dt = 0 总能