物理学中的对称性幻灯片.ppt
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1、物理学中的对称性第1页,共56页,编辑于2022年,星期日简介简介参考教材:参考教材:群论及其在信息领域的应用杨伯君编著群论及其在信息领域的应用杨伯君编著 化学工业出版社化学工业出版社2012第2页,共56页,编辑于2022年,星期日简介简介考核方法:考核方法:无考试,每章习题,期末统一提交。无考试,每章习题,期末统一提交。第3页,共56页,编辑于2022年,星期日简介简介物理学理论物理学理论 动力学理论动力学理论 对称学理论对称学理论 数学物理方法数学物理方法 群论群论近世代数的一个分支基础:线性代数和量子力学第4页,共56页,编辑于2022年,星期日简介简介本课程内容共分八章本课程内容共分
2、八章物理学中的对称性物理学中的对称性群的基本知识群的基本知识群的表示论群的表示论点群点群转动群转动群群论在通信理论中的应用群论在通信理论中的应用李群与李代数李群与李代数李群与李代数在量子调控中的应用李群与李代数在量子调控中的应用 第5页,共56页,编辑于2022年,星期日绪论绪论群概念最早是在群概念最早是在1771年,年,Lagrange在求代数方程的在求代数方程的根时引入的。根时引入的。Gauss、Abel和和Galois等进一步发展。等进一步发展。Galois建立了代数方程群的一般理论。他根据代数方建立了代数方程群的一般理论。他根据代数方程根的置换对称性,证明五次和五次以上代数方程不程根的
3、置换对称性,证明五次和五次以上代数方程不能通过有限消元法求解方程根的精确解,第一次显示能通过有限消元法求解方程根的精确解,第一次显示群论方法在研究系统对称性中的巨大潜力;他还引入群论方法在研究系统对称性中的巨大潜力;他还引入了子群和单纯群的概念。了子群和单纯群的概念。第6页,共56页,编辑于2022年,星期日绪论绪论Klein和和Lie将群概念用于数学其它领域。将群论方将群概念用于数学其它领域。将群论方法和微分方程的研究结合。把有限群概念扩充到无法和微分方程的研究结合。把有限群概念扩充到无限群,并建立连续群的理论。限群,并建立连续群的理论。19世纪末世纪末20世纪初,由世纪初,由Frobeni
4、us(弗罗贝尼乌斯(弗罗贝尼乌斯)和)和Burnside(布恩塞德)独自开创了由线性变(布恩塞德)独自开创了由线性变换群(或等价的矩阵群)来描述群的理论(即群换群(或等价的矩阵群)来描述群的理论(即群的表示论),群论才形成一个完整的理论体系。的表示论),群论才形成一个完整的理论体系。第7页,共56页,编辑于2022年,星期日绪论绪论Federov和和Schoenflies将群论方法用于物理学中的晶将群论方法用于物理学中的晶体分类。显示晶体点群只有体分类。显示晶体点群只有32种,这是群论方法在种,这是群论方法在物理学中第一次成功应用。物理学中第一次成功应用。现在,群论已逐步在信息理论中应用。现在
5、,群论已逐步在信息理论中应用。第8页,共56页,编辑于2022年,星期日群论用来编码可以使编码数学结构更清楚。线性码可群论用来编码可以使编码数学结构更清楚。线性码可以用有限交换群来讨论,循环码可以用循环群代数的理以用有限交换群来讨论,循环码可以用循环群代数的理论来表示。论来表示。绪论绪论利用群论研究对称性网络利用群论研究对称性网络,包括无线网,光网和包括无线网,光网和Intel网。群论在网络优化中的应用是一个值得研究的课题。网。群论在网络优化中的应用是一个值得研究的课题。(第六章的内容)(第六章的内容)群论在量子通信和量子调控中也有很好的应用前景。群论在量子通信和量子调控中也有很好的应用前景。
6、第9页,共56页,编辑于2022年,星期日第一章第一章物理学中对称性物理学中对称性对称性的意义;对称性的意义;对称性与群;对称性与群;对称性的分类对称性的分类 第10页,共56页,编辑于2022年,星期日第一节第一节对称性的意义对称性的意义几何对称性与物理系统对称性;几何对称性与物理系统对称性;对称变换对称变换;对称性与守恒定律对称性与守恒定律 第11页,共56页,编辑于2022年,星期日第一节第一节对称性的意义对称性的意义几何对称性与物理系统对称性;几何对称性与物理系统对称性;对称变换对称变换;对称性与守恒定律对称性与守恒定律 第12页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.1 几何对称
7、性与物理系统对称性几何对称性与物理系统对称性1、几何对称性、几何对称性:一定的几何图形在某些变动下能够复一定的几何图形在某些变动下能够复原。这变动可以是平移、转动或反演,使某一图形复原。这变动可以是平移、转动或反演,使某一图形复原的变动,称为这图形的对称操作或对称变换。原的变动,称为这图形的对称操作或对称变换。为了描绘一个图形的对称性,一个简单方法是列出为了描绘一个图形的对称性,一个简单方法是列出它的全部对称操作。它的全部对称操作。第13页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.1 几何对称性与物理系统对称性几何对称性与物理系统对称性正三角形正三角形绕三角形的中心转绕三角形的中心转0度、度
8、、120度和度和240度,以及对每个度,以及对每个角分线的反演。角分线的反演。对称操作:对称操作:第14页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.1 几何对称性与物理系统对称性几何对称性与物理系统对称性有四个正三角形表面和有四个正三角形表面和六条棱边,从每个角顶六条棱边,从每个角顶到相对表面中心连线是到相对表面中心连线是一个轴;每个对应两种一个轴;每个对应两种变换;变换;两个相对棱边中点连线是两个相对棱边中点连线是一个轴;每个轴对应一种一个轴;每个轴对应一种变换。变换。共共12种。种。正四面体正四面体第15页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.1 几何对称性与物理系统对称性几何对称
9、性与物理系统对称性2、物理系统对称性、物理系统对称性 物理系统具有某种对称性的含义:物理系统具有某种对称性的含义:是指系统的运动方程在某种变换下的不变性,这些是指系统的运动方程在某种变换下的不变性,这些变换称为该系统或运动方程的对称变换。变换称为该系统或运动方程的对称变换。第16页,共56页,编辑于2022年,星期日物体系统运动方程通常是描述某个物理量在外场作用物体系统运动方程通常是描述某个物理量在外场作用下的时空变化,体系的对称性,即是相互作用的对称下的时空变化,体系的对称性,即是相互作用的对称性,相互作用在某些变换下的不变性。这些变换包括性,相互作用在某些变换下的不变性。这些变换包括时空变
10、换,粒子的置换变换,正反粒子共轭变换,幺时空变换,粒子的置换变换,正反粒子共轭变换,幺正变换等。正变换等。1.1.1 几何对称性与物理系统对称性几何对称性与物理系统对称性第17页,共56页,编辑于2022年,星期日第一节第一节对称性的意义对称性的意义几何对称性与物理系统对称性;几何对称性与物理系统对称性;对称变换对称变换;对称性与守恒定律对称性与守恒定律 第18页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 用用f表示坐标空间的一个变化,它使表示坐标空间的一个变化,它使r变为变为r,记为记为 f可以是平移可以是平移 、绕、绕z轴转轴转角或对原点的反演角或对原点的反演 第19
11、页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 当坐标空间发生变化时,系统的状态波函数当坐标空间发生变化时,系统的状态波函数 也也会发生变化,变为会发生变化,变为 在在 处的值等于处的值等于 在在r处的值处的值 第20页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 若将若将 记为记为 ,则,则 变为变为 波函数变为的变换,也可以用算符表示波函数变为的变换,也可以用算符表示上式可以看成算符定义上式可以看成算符定义 第21页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 当为空间反演时,便是宇称算符当为空间反演时,便是宇称算符 当为空间平移
12、时,便是平移算符当为空间平移时,便是平移算符 当为空间转动时,便是转动算符当为空间转动时,便是转动算符 第22页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 对给定系统,变换是否为对称变换要由系统的运动方对给定系统,变换是否为对称变换要由系统的运动方程在程在 作用下是否改变来决定作用下是否改变来决定 即要看即要看 和和 是否满足同一方程是否满足同一方程设设 满足满足Schrdinger方程方程 是系统的是系统的Hamilton算符算符 第23页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.2 对称变换对称变换 假设假设 是一个与时间是一个与时间t无关的算符,将其作用在无关的算
13、符,将其作用在上述方程的两边上述方程的两边 则则 和和 要满足同一方程,必须有:要满足同一方程,必须有:该变换算符与系统的该变换算符与系统的Hamilton算符对易算符对易 第24页,共56页,编辑于2022年,星期日第一节第一节对称性的意义对称性的意义几何对称性与物理系统对称性;几何对称性与物理系统对称性;对称变换对称变换;对称性与守恒定律对称性与守恒定律 第25页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.3 对称性与守恒定律对称性与守恒定律 关于守恒定律与对称性之间的联系,最早由关于守恒定律与对称性之间的联系,最早由Jacobi在在1842年所注意,他用拉氏函数描述经典力学系年所注意,他
14、用拉氏函数描述经典力学系统时,从拉氏函数在平移下不变,导出动量守恒;统时,从拉氏函数在平移下不变,导出动量守恒;拉氏函数在转动运动下不变,给出角动量守恒。拉氏函数在转动运动下不变,给出角动量守恒。1887年年schatz从拉氏函数的时间平移不变,得到能从拉氏函数的时间平移不变,得到能量守恒。量守恒。第26页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.3 对称性与守恒定律对称性与守恒定律 不管是在经典力学还是量子力学中,动量、角动量不管是在经典力学还是量子力学中,动量、角动量和能量的守恒都来自和能量的守恒都来自Hamilton量在平移、转动和量在平移、转动和时间平移下的对称性。时间平移下的对称性
15、。更普遍地说,物理系统的任一个守恒定律都对应哈密更普遍地说,物理系统的任一个守恒定律都对应哈密顿量在相应变换群下是不变的。顿量在相应变换群下是不变的。但反过来不能说一种对称性一定存在一个守恒定律,例时但反过来不能说一种对称性一定存在一个守恒定律,例时间反演对称性就没有相应的守恒定律。间反演对称性就没有相应的守恒定律。第27页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.3 对称性与守恒定律对称性与守恒定律 Wigner指出,在量子力学中,对称变换都对应一指出,在量子力学中,对称变换都对应一个幺正算符或反幺正算符;幺正算符则伴随守恒个幺正算符或反幺正算符;幺正算符则伴随守恒律,而在反幺正变换下就没
16、有明确的守恒律,如律,而在反幺正变换下就没有明确的守恒律,如时间反演,但会带来其它的限制。时间反演,但会带来其它的限制。第28页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.3 对称性与守恒定律对称性与守恒定律 在有些情况下,相互作用性质不清,真实的在有些情况下,相互作用性质不清,真实的Hamilton量写不出来,但利用对称性也能预言某量写不出来,但利用对称性也能预言某些结果,例如质子些结果,例如质子质子的散射,核力的细节不质子的散射,核力的细节不清,相互作用清,相互作用Hamilton量写不出来,但利用对称量写不出来,但利用对称性仍然能预言极化质子平行与反平行于束运动方向性仍然能预言极化质子平
17、行与反平行于束运动方向极化,其散射微分截面相等。极化,其散射微分截面相等。第29页,共56页,编辑于2022年,星期日1.1.3 对称性与守恒定律对称性与守恒定律 对称性的讨论还能给出某些跃迁过程的选对称性的讨论还能给出某些跃迁过程的选择定则,这些选择定则使我们能预言反应择定则,这些选择定则使我们能预言反应是否能发生。例如在任何反应中总电荷守是否能发生。例如在任何反应中总电荷守恒,则反应中便有恒,则反应中便有 的选择定则。的选择定则。第30页,共56页,编辑于2022年,星期日第二章第二章对称性与群对称性与群第31页,共56页,编辑于2022年,星期日1.2 对称性与群对称性与群 一个几何图形
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