对称性与守恒定律

破
缺
1956年，李政道 杨振宁为解决“ - ”难题，
提出弱作用中宇称可以不守恒 。
对 称 性
1957年，吴健雄在10-2 K下做 60Co 衰变实验，用 核磁共振技术使 60Co 核自旋按确定方向排列，观察
衰变后的电子数分布，发现无镜像对称性 —— 证明
的 了弱作用的宇称不守恒性。
自
发
破
缺
李政道 杨振宁获1957年诺贝尔物理奖。
与 对 对称性： 远离物体的空间是处处均匀的
称
原 不变性： 系统的运动特点与质心的位置无关
理
系统的质心以恒定的速度运动
守恒量： 孤立系统的总动量不变
动量守恒定律
对 称 性 的
五、对称性的自发破缺
1.对称性的自发破缺 原来具有较高对称性
的系统出现不对称因素，
自 其对称程度自发降低, 对
发 称性自发破缺。
基 体系(系统)：被研究的对象
本 状态：对体系的描述
概 变换/操作：体系从一个状态到另一个状态的 念 过程变换前后体系状态相同——“等价”或“不变”
如果一个操作能使某体系从一个状态变换 到另一个与之等价的状态，即体系的状态在此 操作下保持不变，则该体系对这一操作对称， 这一操作称为该体系的一个对称操作。 体系的所有对称操作的集合——对称群
性
概
念
源
于
生
活
对
称
例 文学创作中的镜象对称
性
概
回文词
念
源 雾窗寒对遥天暮
暮天遥对寒窗雾
于
生
花落正啼鸦
鸦啼正落花
活
袖罗垂影瘦
瘦影垂罗袖
风剪一丝红
红丝一剪风

A Ek2 Ek1
注意 功和动能都与 参考系有关；动能定理仅适用于惯性系 .
动能 能量守恒定律
质点系统动能定理
每一个质点都满足动能定理，则有
A1 12 m 1v12 12m1v120
Ai

1 2
mi vi2

1 2
mi vi20
以上各式左右分别相加
对称性与守恒定律


F1
m2
都有这一特点
A
B
C
保守力作的功，是位置的单值函数；
D
那么，我们就可以引入仅是位置的单
B
值函数的能量，叫作保守力的势能，
也叫作位能。
动能 能量守恒定律
对称性与守恒定律
五 势能
势能 与物体间相互作用及相对位置有关的能量 .
重力功
重力势能
A (mgzB mgzA )
引力功
A


(G
械能的改变。
动能 能量守恒定律
九 机械能守恒定律 功能原理
对称性与守恒定律
A外 A非 保 内 E
当 A外 A非 保内 0 时，有 E1 E2
机械能守恒定律： 只有保守内力作功的情况下，质 点系的机械能保持不变 .
注意： 1、机械能守恒是有条件的。从初态到末态的每一个微元 过程中，外力和非保守内力所做的元功的代数和均为零， 则机械能守恒。
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4dy 9.125J
1
动能 能量守恒定律
对称性与守恒定律
例：质量为 m 的物体放在水平桌面上，物体和桌面的摩 擦系数为 ，物体在外力作用下沿半径为R圆由a运动 到b，移动了半个圆周，求在这一过程中摩擦力的功。
这是力的大小不变，物 体沿曲线运动的例子

《力学分析中的对称性和守恒律》阅读笔记目录一、力学分析中的对称性 (2)1. 对称性的概念及重要性 (3)2. 空间对称性与平移对称性 (3)3. 时间对称性与旋转对称性 (4)4. 对称性原理在力学问题中的应用 (6)二、守恒定律 (7)1. 动量守恒定律 (8)1.1 定义与表达式 (10)1.2 应用案例 (10)2. 机械能守恒定律 (12)2.1 定义与表达式 (13)2.2 应用案例 (14)3. 能量守恒定律 (15)3.1 定义与表达式 (17)3.2 应用案例 (17)4. 热力学第一定律与第二定律 (18)4.1 定义与表达式 (20)4.2 应用案例 (21)三、对称性与守恒律在力学问题求解中的应用 (22)1. 利用对称性简化问题 (24)2. 利用守恒定律解决问题 (24)3. 对称性与守恒律的综合应用 (26)四、总结与展望 (27)1. 对称性与守恒律在力学分析中的重要性 (28)2. 未来研究方向与应用前景 (29)一、力学分析中的对称性在力学领域，常见的对称性包括空间对称性、时间对称性以及物理量的对称性。

空间对称性主要是指物理系统在空间变换下的不变性，如平移和旋转。

时间对称性则涉及到物理系统在时间反演下的不变性，物理定律在时间上的对称性，即物理过程在时间的正向和逆向演化中保持一致。

而物理量的对称性则涉及到物理量的守恒定律，如动量守恒、能量守恒等。

在力学分析中，对称性的应用十分广泛。

在处理复杂的机械系统时，我们可以通过分析其对称性质来简化问题。

通过识别并应用对称性，我们可以将复杂的物理问题简化为更容易解决的形式，从而更有效地找出系统的运动规律和解决策略。

对称性也可以帮助我们理解物理系统的稳定性和动态行为，在某些对称性的条件下，我们可以预测系统的稳定状态，并理解其运动轨迹。

对称性是力学分析中的一个重要工具，它不仅可以帮助我们理解和解决复杂的物理问题，还可以揭示物理系统的本质和潜在规律。

在 根据 量子 体系 对 称性 用群 论 的方 法处 理问 题 ，更 显优 越。 在物理学中。尤其是在理论物理学中，我们所说的对称性指的是体系
的拉格朗日量或者哈密顿量在某种变 换下的不变性。这些变换一般可分 为连续变换、分立变换和对于内禀参量的变换。每一种变换下的不变性，
都对应一种守恒律，意味着存在某种不可观测量。例如，时间平移不变性， 对应能量守恒，意味着时间的原点不可观测；空间平移评议不变性．对应动 量守恒。意味着空间的绝对位置不可观测；空间旋转不变性，对应角动量守
性与守恒定律的本质和它们之间的关 系一直是人们研究的重要内容。在 经典力学中，从牛顿方程出发，在一定条件下可以导出力学量的守恒定律。 粗看起来，守恒定律似乎是运动方程的结果．但从本质上来看，守恒定律比 运动方程更为基本，因为它表述了自然界的一些普遍法则．支配着自然界
的所有过程．制约着不同领域的运动方程．物理学关于对称性探索的一个 重要进展是诺特定理的建立，定理指出，如果运动定律在某一变换下具有
i ；+：( 1+以争朋一以妒)
=l +以( ≯一妒+)
( 8)
=I
( 8) 式中忽略x的高阶小量，由上式看到
妒： ≯+
( 9)
即F是厄米算符．F称为变换算符S的生成元。由此可见，当S不是厄
米算符时，s与某个力学量F相对应。再根据f§，对1：o和§=l +m哥珂得
[ 哥，昏]=0
( 10)
可见F是体系的一个守恒量。 从上面的讨论说明，量子体系的对称性，对应着力学量的守恒，下面具 体讨 论时空 对称性 与动量 、能量 、角动 量守恒 。 1．空间平移不变性( 空间均匀性) 与动量守恒。 空间平移不变性就是指体系整体移动8；时。体系的哈密顿算符保持不 变． 当没有 外场时 ，体系 就是 具有空 间平移 不变性 。