下载文档原格式
物理学中的对称性与群论对称性与群论在物理学中有着重要的作用，对于理解自然界的本质和探究物质和能量的行为规律都有着不可或缺的意义。
本文将介绍对称性与群论在物理学中的应用，从对称群的定义、群表示与物理量变换、连续对称性和相对论性质等方面阐述其内涵和意义。
一、对称群的定义对称群是指一个物体或系统的所有对称操作所构成的群。
对称操作包括旋转、平移、镜像、反演等，它们是可以相互组合的，形成了一个数学结构，称为对称群。
对称群的研究可以揭示这个物体或系统的对称性质，从而为进一步研究提供了基础。
例如，一张圆形的纸片具有旋转对称性，可以将纸片顺时针或逆时针旋转若干度而看不出任何变化，这就是圆形的对称群。
另外，如果将圆形纸片剪成一条条线段，再沿着线段翻转，仍然能得到同样的图形，这就是镜像对称性。
这些对称操作构成了圆形的对称群。
二、群表示与物理量变换在物理学中，对称群不仅仅是一个数学结构，还是一种反映物理规律的基本规律。
在描述物理现象时，我们通常会用到物理量，如质量、电荷、能量等。
而这些物理量在对称操作下的变换也是非常重要的。
物理量的变换可以通过群表示的概念来描述。
群表示是将群元素映射到矩阵空间中的一个线性变换，在物理学中一般用来描述物理量的变化规律。
例如，一个物体在空间中的位置可以用一个三维矢量来表示，而空间中的平移操作可以用一个平移矩阵来表示。
这种表示方法可以方便地描述物体在平移下的位置变换。
另外，物理量的变换也可以用量子力学中的幺正变换来描述。
量子力学中，物理量由厄米矩阵表示，其变换由幺正矩阵表示。
这种表示方法可以方便地描述粒子在旋转、对称操作等对称变换下的状态变化规律。
群表示不仅适用于变换对称性的描述，还可以用来描述隐含对称性的物理规律。
例如，电荷在空间中的分布具有电荷密度对称性，这个对称性可以用群表示来描述。
此外，不少基本物理定律和理论都具有很强的对称性，如守恒定律、规范对称性等。
三、连续对称性和相对论性质对称群不仅在离散对称性中有着重要的应用，其在连续对称性中的应用也发挥着重要的作用。
第六章几个典型的代数系统6.1 半群与群引言：简略介绍群论产生的背景1. 图形的对称性如正三角形、正方形（一般地正n 边形）、长方形、 等腰三角形、等腰梯形等；三维空间中的正四面体、 正方体、长方体等都各有自己的对称性。
画图解释：2．用根式求解代数方程的根（1）一元二次方程：20x bx c ++=⇒122b x -±=，。
注：①约公元前2000年即出现二次方程求根问题； ②约公元9世纪时，阿拉伯人花拉子米首次得到上述求根公式。
（2）三次及四次方程的求根公式一般三次方程: 320x ax bx c +++=。
先作变换：用3a x -代替x 后可化成 3x mx n +=（不含二次项）， （*）其中 332,3327a ab a m b n c =-=--。
利用恒等式：333()3()u v uv u v u v -+-=-，把它与（*）比较得：33,3,x u v uv m u v n =-=-=。
由后面两个关于33,u v 的方程可得u x u v v ⎫⎪=⎪⇒=-= （即*方程的解） 以上求解三次方程的公式叫做卡丹公式， 出现在公元1545年出版的著作《大书》中。
关于四次方程的求根公式这里从略，可以肯定的是， 四次一般方程也有求根公式，并且也叫卡丹公式。
（3从1545年之后的近300年间，人们都没能找到五次(当然，这并不排除对 某些特殊的五次及五次以上的方程可以求出它们的根）。
直到1830年由法国人Galois （伽珞瓦）解决，证明出：五次及五次以上的一般方程不存在用加、减、乘、除及开方表示的求根公式，所用方法就是现在已广为接受的群的思想。
可是在当时，很多同时代的大数学家都无法理解和接受他的思想方法。
3．群在其它方面的应用：如编码理论、计算机等。
一．群的定义及简单性质1定义：设,G ⋅是一个具有二元运算⋅的代数系统，如果⋅同时满足（1）结合律：即,,a b c G ∀∈，()()a b c a b c ⋅⋅=⋅⋅总成立；（2）存在单位元（也称为幺元，记为e ），即 ,;a e e a a a G ⋅=⋅=∀∈（3）中每个元素a 都有逆元（记为1a -）：即存在1a G -∈，使得11a a a a e --⋅=⋅=，则称G 关于运算⋅构成一个群。
一、群论对称性简介1.1 群论的定义群论是数学的一个分支，研究了具有某种对称性的数学结构。
一个群是由一组元素及它们的运算组成的集合，满足封闭性、结合律和单位元的性质。
1.2 对称性的概念对称性是指物体或结构在某种变换下保持不变的性质。
在群论中，对称性是指一个对象在某个变换作用下，仍然与原对象相同或等价。
1.3 群论对称性的应用群论对称性在数学、物理、化学等领域中具有重要意义。
例如，在物理学中，对称性原理可以帮助我们理解和解释自然界的规律。
二、群的基本性质2.1 封闭性如果一个集合中的元素经过某种运算后仍然在这个集合中，这个集合就具有封闭性。
对于群而言，封闭性是基本性质之一。
2.2 结合律结合律是指在群中，任意三个元素经过某种运算后的结果与它们的顺序无关。
即(a b) c = a (b c)。
2.3 单位元单位元是一个特殊的元素，它与其他元素相乘或相除后，结果仍然是原来的元素。
对于群而言，单位元是使群保持不变的元素。
三、群的分类3.1 循环群循环群是最简单的群之一，它的所有元素都可以表示为一个元素的循环乘积。
循环群可以分为奇循环群和偶循环群。
3.2 交换群交换群是指群中任意两个元素交换后，结果仍然是原来的元素。
交换群也称为阿贝尔群。
3.3 非交换群非交换群是指群中任意两个元素交换后，结果不再是原来的元素。
非交换群在数学和物理学中具有重要意义。
四、群的作用4.1 群的表示群的表示是指将群的作用映射到某个空间上的方法。
群的表示可以是线性的，也可以是非线性的。
表示理论在数学、物理学和计算机科学等领域中具有重要意义。
4.2 群的作用在数学中的应用群的作用在数学中可以用于解决方程、几何问题等。
例如，在代数几何中，群的作用可以帮助我们理解和解释空间的性质。
4.3 群的作用在物理学中的应用群的作用在物理学中可以用于描述粒子的对称性。
例如，在量子力学中，粒子的状态可以通过群的表示来描述。
五、群论的对称性与宇宙的规律5.1 群论在宇宙规律中的应用群论对称性可以帮助我们理解和解释宇宙中的规律。
