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物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性思想
物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性思想，下面帶來(lái)物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性思想相關(guān)論文范文，歡迎閱讀。
物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性思想【1】
摘要：對(duì)稱(chēng)性思想在物理學(xué)研究中具有重要的理論研究?jī)r(jià)值，因此我們應(yīng)當(dāng)將其適當(dāng)引入到基礎(chǔ)物理教學(xué)中。
本文通過(guò)對(duì)物理學(xué)中的一些物理量和物理定理的分析，揭示出了物理學(xué)中蘊(yùn)含的豐富的對(duì)稱(chēng)性思想，希望能夠引起大家對(duì)物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性思想的重視。
關(guān)鍵詞：對(duì)稱(chēng)性;物理學(xué);具體表現(xiàn)
隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展，人們對(duì)自然界規(guī)律的認(rèn)識(shí)也逐漸深入，一些原本看似無(wú)關(guān)緊要的東西卻日益變得舉足輕重起來(lái)，物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性便是其中之一。
物理學(xué)從過(guò)去單純地將對(duì)稱(chēng)性看作對(duì)物理現(xiàn)象的一種限制，轉(zhuǎn)向把它確立為物理定理的一塊基石。
加利福尼亞大學(xué)教授阿・熱在《可怕的對(duì)稱(chēng)》一書(shū)中指出“沒(méi)有對(duì)稱(chēng)性思想的引導(dǎo)，當(dāng)代物理學(xué)家將無(wú)法工作”。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道教授指出：“藝術(shù)和科學(xué)，都是對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)的巧妙組合。”可見(jiàn)，對(duì)稱(chēng)在物理學(xué)中扮演著非常重要的角色。
本文試圖對(duì)物理學(xué)的一些科目中的對(duì)稱(chēng)性思想進(jìn)行一番分析，以引起大家對(duì)對(duì)稱(chēng)性的重視。
一、關(guān)于對(duì)稱(chēng)性
(一)對(duì)稱(chēng)與對(duì)稱(chēng)破缺
日常生活中大家可以看到許多對(duì)稱(chēng)的例子，例如，人體和許多特定的生物體形態(tài)，以及自然界中的礦物晶體，雪花的形狀等。
大家還可以注意到許多建筑和美術(shù)設(shè)計(jì)的圖案也都具有對(duì)稱(chēng)性。
之所以有如此多的對(duì)稱(chēng)的例子，那是因?yàn)槿藗冋J(rèn)為對(duì)稱(chēng)是一種美。
但仔細(xì)看來(lái)，人們并不滿(mǎn)足于絕對(duì)意義上的對(duì)稱(chēng)，總是在整體的對(duì)稱(chēng)中設(shè)置局部的不對(duì)稱(chēng)，即對(duì)稱(chēng)性被破壞了，物理學(xué)上稱(chēng)這種情況為對(duì)稱(chēng)破缺。
(二)對(duì)稱(chēng)的分類(lèi)
根據(jù)上述的對(duì)稱(chēng)定義，不同的對(duì)稱(chēng)操作對(duì)應(yīng)著不同的對(duì)稱(chēng)性，如體系A(chǔ)經(jīng)空間平移后變?yōu)轶w系B，若A、B等價(jià)，則空間平移就是一種對(duì)稱(chēng)操作;若體系A(chǔ)經(jīng)時(shí)間平移后變?yōu)轶w系B，若A、B等價(jià)，則時(shí)間平移就是一種對(duì)稱(chēng)操作，等等。
常見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)操作主要有：空間操作：轉(zhuǎn)動(dòng)、平移、空間反演等;時(shí)間操作：時(shí)間平移、時(shí)間反演等;其它：置換、電荷共軛變換等。
當(dāng)然，操作的類(lèi)型遠(yuǎn)不止于此，這里列舉的僅是一些比較簡(jiǎn)單的，其它的操作會(huì)在下面的論述中逐步指出。
(三)對(duì)稱(chēng)性和守恒律
守恒量和守恒律是物理研究的一個(gè)重要內(nèi)容，守恒律常被看作是最基本的自然定律，它以確定的可靠性和極大的普遍性預(yù)言著哪些過(guò)程是允許的，哪些過(guò)程是禁戒的，它為物理學(xué)的研究指明了方向。
1918年德國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家尼約特發(fā)表了著名的將對(duì)稱(chēng)性和守恒律聯(lián)系在一起的定理，即每一種自然界的對(duì)稱(chēng)性都可得到一種守恒律。
該定理揭示出了守恒律產(chǎn)生的原因，即守恒律是自然界的對(duì)稱(chēng)性所導(dǎo)致的。
根據(jù)法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾・居里的對(duì)稱(chēng)性原理，對(duì)稱(chēng)的原因產(chǎn)生守恒的結(jié)果。
若將自然界中的某一對(duì)稱(chēng)性看作原因，則必有作為結(jié)果的一個(gè)守恒律。
如：系統(tǒng)總機(jī)械能函數(shù)對(duì)空間坐標(biāo)系平移的對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致了動(dòng)量守恒定律。
二、對(duì)稱(chēng)性在物理學(xué)中的具體表現(xiàn)：
將對(duì)稱(chēng)應(yīng)用于物理學(xué)的研究對(duì)象不僅僅是圖形，還有物理量，物理定律等。
下面我就物理學(xué)主要學(xué)科中所蘊(yùn)含的對(duì)稱(chēng)性思想試作淺述，希望能引起大家對(duì)對(duì)稱(chēng)性的重視。
(一)力學(xué)
力學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，從牛頓到愛(ài)因斯坦，力學(xué)由絕對(duì)時(shí)空觀發(fā)展到了相對(duì)時(shí)空觀，相應(yīng)地也就有了經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論力學(xué)。
在經(jīng)典力學(xué)中，有許多相對(duì)性思想，伽利略變換便是一個(gè)典型。
若將質(zhì)點(diǎn)系加速度視為一個(gè)物理量，伽利略變換視作一個(gè)操作，則經(jīng)伽利略變換后，加速度保持不變，故質(zhì)點(diǎn)加速度對(duì)伽利略變換的不變性可視為加速度對(duì)伽利略變換具有對(duì)稱(chēng)性。
牛頓第二定律F=ma對(duì)慣性系A(chǔ)成立，對(duì)慣性B亦成立，而慣性系A(chǔ)、B的變換滿(mǎn)足伽利略變換，故牛頓第二定律具有伽利略變換對(duì)稱(chēng)性。
而若將動(dòng)量視為一個(gè)物理量，伽利略變換視為一個(gè)操作，由于從不同參考系中觀察到的動(dòng)量不同，故動(dòng)量不具有伽利略變換不變性，但動(dòng)量守恒律由于對(duì)不同的慣性系均成立，故動(dòng)量守恒定律對(duì)伽利略變換具有對(duì)稱(chēng)性。
相對(duì)論力學(xué)本身就是愛(ài)因斯坦考慮對(duì)稱(chēng)性的產(chǎn)物，近代物理學(xué)家十分重視物理美，即對(duì)稱(chēng)、簡(jiǎn)單、和諧等，他們認(rèn)為支配自然界的規(guī)律應(yīng)該是簡(jiǎn)單的、對(duì)稱(chēng)的。
基于對(duì)稱(chēng)性，愛(ài)因斯坦認(rèn)為對(duì)描述一切物理過(guò)程，包括物體位置變動(dòng)，電磁以及原子過(guò)程的規(guī)律，所有的慣性系都是等價(jià)的，只是不同的物理過(guò)程對(duì)應(yīng)著不同的操作而已，如力學(xué)規(guī)律關(guān)于伽利略變換對(duì)稱(chēng)，而電磁規(guī)律關(guān)于洛倫茲變換對(duì)稱(chēng)。
(二)光學(xué)
光學(xué)可以分為幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)，在幾何光學(xué)中平面鏡所成像與物體關(guān)于鏡面對(duì)稱(chēng)，這即所謂的鏡像對(duì)稱(chēng)，它在物理學(xué)中有著重要的運(yùn)用，如宇稱(chēng)、電像法等。
光速作為一個(gè)物理量，具有時(shí)空對(duì)稱(chēng)性。
不論昨天、今天，還是明天，不論是中國(guó)、美國(guó)，還是其他星球，光速在同一介質(zhì)中的速度都是恒定的，所以光速具有時(shí)空對(duì)稱(chēng)性。
(三)粒子物理學(xué)
粒子物理學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，它主要研究基本粒子以及它們間相互作用的規(guī)律，在粒子物理學(xué)的研究中對(duì)稱(chēng)性很重要，許多問(wèn)題本身研究的就是對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。
宇稱(chēng)是粒子物理研究的一個(gè)重要概念，宇稱(chēng)是一種函數(shù)的性質(zhì)，在物理學(xué)中也是函數(shù)所代表的物理狀態(tài)的性質(zhì)。
對(duì)函數(shù)u=u(x)，若u(-x)=u(x)，則u(x)的宇稱(chēng)是偶性的，若u(-x)=-u(x)，則u(x)的宇稱(chēng)是奇性的。
物理學(xué)家把宇稱(chēng)看作粒子的一種基本性質(zhì)，相當(dāng)于自旋電荷的質(zhì)量等。
研究宇稱(chēng)對(duì)我們掌握粒子的性質(zhì)，以及粒子的分類(lèi)都有重要作用。
宇稱(chēng)守恒定律反映了粒子間相互作用的一種性質(zhì)，在已知的相互作用中，強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中，宇稱(chēng)守恒;而弱相互作用中，宇稱(chēng)不守恒，這說(shuō)明了弱相互作用有一種特殊性質(zhì)。
(四)量子力學(xué)
量子力學(xué)被認(rèn)為是二十世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)(量子力學(xué)，相對(duì)論，生物DNA雙螺旋結(jié)構(gòu))之一，它以全新的理論使人們重新審視自然規(guī)律。
對(duì)稱(chēng)性思想可指導(dǎo)我們對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行搜索，并據(jù)此提出合理假設(shè)，特別是量子力學(xué)所研究的微觀結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)研究很不方便，所以很多時(shí)候可以先用理論進(jìn)行研究，再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
物質(zhì)波粒二象性的發(fā)現(xiàn)正是遵循著這條規(guī)律，當(dāng)初德布羅意正是在對(duì)稱(chēng)性的指導(dǎo)下，預(yù)言了物質(zhì)的波粒二象性。
通過(guò)上面的分析，大家可以看出，物理學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科蘊(yùn)含著豐富的對(duì)稱(chēng)思想，研究對(duì)稱(chēng)性對(duì)于我們掌握物理規(guī)律，探索或發(fā)現(xiàn)未知領(lǐng)域的新情況起著重要作用。
從對(duì)稱(chēng)性的角度出發(fā)分析和解決問(wèn)題，是當(dāng)今在前沿工作的物理學(xué)家習(xí)慣采用的方法。
因此，在基礎(chǔ)物理的教學(xué)中，適當(dāng)介紹一些在前沿工作的物理學(xué)家正在使用的概念、理論和方法，對(duì)于物理的學(xué)習(xí)是非常有必要的，而據(jù)我所知，許多教師和學(xué)生在物理學(xué)的教與學(xué)中，對(duì)此漠然視之，所以我撰寫(xiě)此文，希望能夠引起大家對(duì)對(duì)稱(chēng)性的重視。
參考文獻(xiàn)
1.陸果.基礎(chǔ)物理學(xué)教程(上)[M].北京：高等教育出版社，2004.8.
2.周世勛.量子力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.1.
物理學(xué)中的《易經(jīng)》陰陽(yáng)思想【2】
【摘要】《易經(jīng)》是中華民族千百年來(lái)的璀璨明珠。
它不僅是中國(guó)儒道的起源，更是得到近代像牛頓、波爾、愛(ài)因斯坦等等一大批物理學(xué)家的垂青。
包括二進(jìn)制的提出，對(duì)立互補(bǔ)的誕生，辯證法的源頭還有最近的人類(lèi)64密碼子與64卦之對(duì)應(yīng)等等，無(wú)不在向世人昭示著：《易經(jīng)》即是古代物理，其蘊(yùn)含有大量的規(guī)律性的真理。
現(xiàn)在就電磁等幾個(gè)簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題，作以《易經(jīng)》之解釋。
【關(guān)鍵詞】電磁;易經(jīng);陰陽(yáng)
一、電場(chǎng)與磁場(chǎng)
電磁場(chǎng)是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互體合而不可分割的統(tǒng)一場(chǎng)，這就類(lèi)比于太極。
《易・系辭傳》曰：太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦。
太極是一個(gè)整體，但無(wú)形無(wú)象，恰如這靜質(zhì)量的電磁場(chǎng)，但是內(nèi)部蘊(yùn)含的能量卻很大。
麥克斯韋方程組的第一個(gè)公式：是磁場(chǎng)強(qiáng)度B對(duì)時(shí)間T求偏導(dǎo)數(shù)就等于對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度E的取旋度。
(符號(hào)是方向性)其意義就是變化的磁場(chǎng)能產(chǎn)生電場(chǎng)。
同時(shí)，其第二個(gè)公式就是變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。
不言而喻，由這種本質(zhì)的作用場(chǎng)產(chǎn)生了兩儀即：電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
電磁感應(yīng)現(xiàn)象并不是一種獨(dú)立的自然現(xiàn)象，它實(shí)際上也是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)論聯(lián)系的一種表現(xiàn)。
將電場(chǎng)看做陽(yáng)，磁場(chǎng)看作陰。
變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，即是太陽(yáng)中孕育少陰，即為感生磁場(chǎng)。
變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，即是太陰中孕育少陽(yáng)，即是感生電場(chǎng)。
陰陽(yáng)本質(zhì)來(lái)講都是太極的兩個(gè)方面，故而如果用相對(duì)論來(lái)解釋電場(chǎng)和磁場(chǎng)本質(zhì)是一樣的。
將陰陽(yáng)爻放置中間，分別象征四象的變化電場(chǎng)，變化磁場(chǎng)，感生電場(chǎng)，感生磁場(chǎng)附于其側(cè)，就形成了八卦。
這種由陰陽(yáng)(電磁)所衍生的與各象的關(guān)系，又會(huì)對(duì)應(yīng)八卦所寄予的事物應(yīng)和，構(gòu)成由電磁場(chǎng)所決定的世外洞天。
二、勢(shì)壘貫穿
一個(gè)能量為E的粒子射向勢(shì)能高度為V的勢(shì)壘時(shí)，即使E.大于V，粒子也未必能越過(guò)該勢(shì)壘。
而能量更低的E也有可能越過(guò)V。
只能說(shuō)能量越高，其越過(guò)概率相對(duì)較大。
1928年，加莫夫(后來(lái)提出宇宙大爆炸模型)借用隧道效應(yīng)解釋放射性原子核的a衰變現(xiàn)象。
放射性原子核放出的a粒子能量大致在4到9電子伏特，而粒子和子核之間的庫(kù)侖勢(shì)壘一般高達(dá)20兆電子伏以上。
因?yàn)檫@種隧道效應(yīng)，衰變現(xiàn)象才得以實(shí)現(xiàn)。
放射性原子核的平均壽命相差非常大，從1017年到10-16秒。
壽命越長(zhǎng)，放出的粒子能量越低;壽命越短，放出的粒子能量越高。
顯然，該現(xiàn)象并不符合能量守恒定律。
現(xiàn)在流行的觀點(diǎn)是：當(dāng)粒子遇到勢(shì)壘時(shí)，可以從“虛無(wú)”中借用能量，粒子先“借用”能量，當(dāng)自己的能量大于勢(shì)壘的時(shí)候，越過(guò)勢(shì)壘。
越過(guò)勢(shì)壘后，再將借用的能量還給“虛無(wú)”。
借用時(shí)間與借用能量之間滿(mǎn)足不確定關(guān)系。
即時(shí)間越短，借到能量越多。
時(shí)間越長(zhǎng)，借到能量越少，發(fā)射出的粒子能量就低。
勢(shì)壘貫穿明顯就帶有玄學(xué)的味道。
老子在《道德經(jīng)》第四十三章中說(shuō)：.天下之至柔，馳騁天下之至堅(jiān)。
無(wú)有入無(wú)間，吾是以知無(wú)為之有益。
不言之教，無(wú)為之益天下希及之。
倘若能量可從一種場(chǎng)的作用中借來(lái)，那其將符合物質(zhì)的一般屬性。
原子之道，為了達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)(即是遵守能量最低的趨勢(shì))，在穿過(guò)勢(shì)壘(至堅(jiān))的時(shí)候，天下至柔(準(zhǔn)放射出的粒子)可謂馳騁其核周?chē)�，順其自然而為之�?/p>
而在真正的“穿越”的這個(gè)過(guò)程中，“無(wú)有入無(wú)間”，基乎不可能而成為可能。
壽命越長(zhǎng)，放出的粒子能量越低;壽命越短，放出的粒子能量越高，也符合“道本無(wú)為”的原則。
《道德經(jīng)》第三十六章說(shuō)：將欲歙之，必固張之。
將欲弱之，必固強(qiáng)之。
將欲廢之，必固興之。
將欲取之，必固與之。
是謂微明。
柔弱勝剛強(qiáng)。
原子核并未真有什么隧道，而應(yīng)是在一定階段時(shí)原子核內(nèi)部的一種能量的釋放。
任何事物因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而會(huì)有道的兩儀本原(陰陽(yáng))，原子核也不例外。
原子核在陽(yáng)氣到達(dá)頂峰時(shí)必將盛而衰，向外輻射分核子。
這此過(guò)程中，原子核必將因?yàn)檫@個(gè)"動(dòng)作"而元?dú)獯髠�，即所謂"亢龍有悔"。
于此時(shí)，主要因?yàn)樵雍硕炀偷膭?shì)壘，也因主變?nèi)醵冃 ?/p>
所以只要滿(mǎn)足此時(shí)客能克主即可以實(shí)現(xiàn)貫穿所謂勢(shì)壘。
勢(shì)壘貫穿又從另一個(gè)角度說(shuō)明任何規(guī)律都非一成不變的!
三、不確定關(guān)系(測(cè)不準(zhǔn)原理)
哥本哈根學(xué)派的波爾從太極雙魚(yú)中，看到了對(duì)立即是互補(bǔ)的道本!世界萬(wàn)物，無(wú)時(shí)不刻為此而生生不息，從狼羊共存到天地相依。
于是他認(rèn)為經(jīng)典決定論的因果律在量子系統(tǒng)中不成立――觀測(cè)將不可避免地干擾觀測(cè)對(duì)象。
他把海森堡的不確定理論提升到哲學(xué)高度，任何一個(gè)物體位置與動(dòng)量不可能同時(shí)確定。
我們對(duì)一個(gè)粒子的位置知道的越精確，它的速度(動(dòng)量)就越模糊。
動(dòng)為陽(yáng)，靜為陰。
動(dòng)量與位置(運(yùn)動(dòng)中的事物本身，即瞬間事物)本身就隸屬于陰陽(yáng)兩儀。
《易經(jīng)》中說(shuō)：太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦。
兩儀為陰陽(yáng)，四象為太陰太陽(yáng)少陰少陽(yáng)。
太陽(yáng)中含有少陰，太陰中含有少陽(yáng)。
不管兩儀還是四象，易的本質(zhì)屬性就是變。
不確定關(guān)系的雙方，即是兩儀。
兩儀的“不確定”的陰陽(yáng)互補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，才生出四象，繼而生出八卦與萬(wàn)物。
生命的本質(zhì)是一種陰陽(yáng)互補(bǔ)運(yùn)動(dòng)美!兩儀時(shí)時(shí)處在一個(gè)不停地交合運(yùn)轉(zhuǎn)之中。
因?yàn)檫@種運(yùn)作，才有了萬(wàn)物，才有了生命。
我們不可能精確地測(cè)出某一粒子此刻的陽(yáng)(動(dòng)量)，也同時(shí)知道他此時(shí)的陰(位置)。
在這個(gè)思維轉(zhuǎn)換的瞬間，陰陽(yáng)已經(jīng)變化，繼續(xù)交合運(yùn)轉(zhuǎn)。
四維之一的時(shí)間，是不確定關(guān)系的主因。
四、態(tài)疊加原理
哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的概率解釋?zhuān)瑢?ldquo;狀態(tài)的平方相應(yīng)于概率”，并且把觀察不到的疊加量子狀態(tài)(粒子波動(dòng)性的反映)，解釋為不可逆的“測(cè)量”對(duì)量子態(tài)的影響。
將粒子的兩種態(tài)分別視為，則疊加態(tài)的概率是 ，其不等于各態(tài)疊加之和。
然而在觀測(cè)的時(shí)候，處在疊加態(tài)的粒子，或處在 態(tài)，或處在態(tài)，這是什么原因?哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)是，測(cè)量干擾，使其塌縮、薛定諤以及愛(ài)因斯坦反對(duì)，并有了薛定諤貓。
疊加態(tài)的概率，如果把看作陽(yáng)，為陰，則結(jié)果為太陽(yáng)+少陰+少陽(yáng)+太陰。
這兩個(gè)量子狀態(tài)的疊加構(gòu)成一個(gè)完整的四象。
對(duì)于少陽(yáng)少陰而言，隱在太陽(yáng)太陰之中，正如雙魚(yú)之眼。
即所謂的干涉項(xiàng)必然存在，但不會(huì)體現(xiàn)。
也就是說(shuō)，假若觀測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)粒子處在態(tài)或軌道，那么它有一半的可能已經(jīng)發(fā)生了疊加干涉，但是那種作用，我們是無(wú)法觀測(cè)到的。
波爾所謂的塌縮，應(yīng)該就是這個(gè)隱藏道理。
對(duì)于那只薛定諤貓，其“疊加態(tài)的生死”，也并非不可解釋。
若為生，則為太陽(yáng)，其中隱含有死的少陰。
若為死，則為太陰，其中含有生的太陽(yáng)。
這與電磁場(chǎng)的四象說(shuō)有本質(zhì)的統(tǒng)一性，但尚且需要進(jìn)一步探索。
【參考文獻(xiàn)】
[1]徐志銳.易傳今譯[M].遼寧：遼沈書(shū)社：183.
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