物理学中对称性问题研究
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毕业设计（论文）
题 目 物理学中对称性问题研究
系 （院） 物理与电子科学系
专 业 物理学
班 级 2009级1班
学生姓名 吴学霖
学 号 2009010597
指导教师 卢振亮
职 称 讲师
二〇一三年六月十八日 独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一三年六月十八日
毕业设计（论文）使用授权声明
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本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一三年六月十八日
滨州学院本科毕业设计（论文）
I
物理学中对称性问题研究
摘 要
从科学发展观的角度来看，自然界和现实社会中有很多关于对称性问题的例子，这些对称性的例子是自然界非常普遍存在的现象，大的到宇宙小的到原子分子，都具备不同程度的对称性问题。而且这些对称性问题在物理学中也具有普遍应用的规律，特别是电磁学中存在着许多惊人的对称性，电磁学中对称性的问题都要比普通物理其他部分多一些。我们可以利用对称性的问题使电磁学中的许多问题能更加清晰化和简单化。我们分析问题的时候运用普遍的对称性作为指引，利用高斯定理、安培环路定理和麦克斯韦方程组来解决这些简单性的问题，阐明了对称性原理在电磁学中的重要应用，举例说明了利用对称性求解电磁学问题
的简明性，因此，我们可以通过对称性的原理来解释、分析和证明问题会更加方便和准确，甚至可以根据所作出的一些预言就能够很快的被正确的证明出来。
关键词：物理学; 对称性；麦克斯韦方程组；电磁场；磁单极子；
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II
Symmetry problem in physics research
Abstract
from the perspective of scientific outlook on development, there are a lot
of questions about symmetry in nature and the social reality of the example,
the example of symmetry is very common phenomenon in nature, large of
small molecules into atoms into the universe, all have different degrees of
symmetry problem. And the symmetry problem also has universal
application of the law in physics, particularly electromagnetism in the there
are many amazing symmetry, symmetry in the electromagnetism problems
more than other parts of general physics. We can take advantage of the
symmetry of the problem can make a lot of problems in electromagnetism
clearer and simplicity. We analyze problems when using common symmetry
as a guide, using gauss theorem, the ampere loop theorem and maxwell's
equations to solve the problem of the simplicity, clarified the principle of
symmetry in the electromagnetism important application, illustrates the use
of symmetry solving electromagnetic problems. Conciseness, so that we can
be explained by the principle of symmetry, certificate of analysis and
problem will be more convenient and accurate, and can even according to
made some predictions could soon be proved out correctly.
Key words： physics; symmetry; Maxwell's equations; The electromagnetic
field; Magnetic monopoles;
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III
目 录
引言 ······································································································································· 1
第一章 物理学中对称性的简介 ························································································· 2
1.1物理学中对称性的概念 ······················· 2
1.2对称性和物理学的发展 ······················· 2
1.3对称性在物理学发展中的运用 ···················· 2
第二章 物理学中电磁学的对称性 ····················································································· 5
2.1高斯定理和对称性的分析 ······················ 5
2.2安培环路定理与对称性的分析 ···················· 5
2.3麦克斯韦方程组的对称性的分析 ··················· 6
2.4镜像对称性特例 ·························· 6
第三章 关于电磁波在物理学中对称性问题的讨论 ························································ 11
3.1电磁波的预言与检验 ························ 11
3.2电磁波的性质 ··························· 11
3.3电磁场与空间对称性的计算 ····················· 11
第四章 关于麦克斯韦方程组和磁单极子 ················· 12
4.1麦克斯韦方程组 ························· 12
4.2磁单极子 ···························· 13
结论 ····································································································································· 18
参考文献 ····························································································································· 19
谢辞 ····································································································································· 20
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IV
引 言
对称性，是指整体各部分之间的相称或对应,很久以来，对称性是人们在改变自然和认识自然过程中所产生的一种观念，在自然界物质世界的运动演化过程中，显示出各式各样的对称性[1]。在基础物理问题中，存在着广泛的对称性，如抛体运动的上升过程与下降过程的对称；地球自转与公转带来的白天、黑夜与一年四季的变化的对称；力学定律具有伽利略变换不变性的对称；晶体的点阵结构的对称；平面镜成像中物与像的对称；网络里电压和电流、阻抗和导纳的对称；正反粒子、波动性和粒子性的对称；信息论中信息输入与输出、狭义相对论中空间和时间的对称；电磁理论中电和磁的对称；描述电子在库仑场中运动的球函数等都体现了很高的对称性。此外，许多物理公式和图像都具有优美直观的对称性，如：基尔霍夫的电流方程组，用完美的对称、简洁的形式，奠定了电路网络的基础。哈密顿正则方程组也有很高的对称性，而麦克斯韦电磁方程组更显示了完美的对称——电场和磁场、时间和空间的对称性。
其次物理学中还存在着繁多的守恒定律，无论是一般的还是局部的守恒定律，都表示了自然过程的基本性质和关系的一种稳定性、相对的不变性，而守恒常常离不开对称，因为根据诺特定理：每一种对称性均对应于一个物理量的守恒定律，反之亦然旧o。运动定律的空间平移、时间平移、空间旋转的对称性分别对应着动量守恒、能量守恒、角动量守恒。而空间反演和电荷规范的对称性对应着宇称守恒定律和电荷守恒定律等。著名的数学物理学家韦尔认为：“对称是一个广阔的主题，在艺术和自然两方面都意义重大，很难找到可以论证数学智慧作用的更好的主题。”在各种物理问题的解决过程中，人们经常自觉或不自觉地使用对称性，在这些问题中，如果离开对称性，则有些求解是较为复杂的，而利用对称性来求解，就可以使复杂问题简单化。在现代物理学中，对称性更是研究现代物理前沿问题的一把钥匙，特别是在微观物理领域中，对称性已经成为研究物理问题的一种强有力的手段。
