量子力学中的对称性与守恒定律
量子力学中的对称性与守恒量
量子力学中的对称性与守恒量量子力学是描述微观世界的基本理论，它在物理学领域中占据着重要的地位。
在量子力学中，对称性与守恒量是两个核心概念，它们在理论研究和实验观测中起着至关重要的作用。
本文将深入探讨量子力学中的对称性与守恒量，并介绍它们的相关性质和应用。
首先，让我们来了解一下对称性在量子力学中的意义。
对称性是指系统在某种变换下保持不变的性质。
在量子力学中，对称性可以分为时间反演对称性、空间反演对称性和粒子对称性等多种形式。
其中，时间反演对称性是指系统在时间的反演下保持不变，即物理规律在时间的正向和反向都成立。
空间反演对称性是指系统在空间的反演下保持不变，即物理规律在空间的正向和反向都成立。
粒子对称性是指系统在粒子交换下保持不变，即物理规律在粒子交换的过程中保持不变。
对称性在量子力学中具有重要的意义。
首先，对称性可以导出守恒量。
根据诺特定理，每个连续对称性都对应一个守恒量。
例如，时间平移对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，空间旋转对称性对应角动量守恒。
这些守恒量在物理学中起着至关重要的作用，它们不随时间变化而改变，可以用来描述系统的性质和演化。
其次，对称性还可以用来推导物理定律和预测物理现象。
例如，根据电磁场的规范对称性，我们可以推导出麦克斯韦方程组，描述电磁场的基本规律。
再如，根据粒子对称性，我们可以预测出反粒子的存在，并在实验中进行观测。
对称性在理论研究和实验观测中起着桥梁的作用，它们为我们理解自然界提供了重要的线索。
此外，对称性还可以帮助我们解释一些看似矛盾的现象。
例如，量子力学中的波粒二象性就是一个看似矛盾的现象。
根据波粒二象性，粒子既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性。
这一现象可以通过对称性来解释。
量子力学中的波函数是描述粒子状态的数学工具，它具有波动性质。
而在观测时，波函数会坍缩为一个确定的粒子位置，表现出粒子性质。
波粒二象性的存在与系统的对称性密切相关。
除了对称性，守恒量也是量子力学中的重要概念。
量子力学对称与守恒定律讲义
“为什么对称是重要的?“ --- 毛主席1974年5月向李政道请教的
第一个问题
对称与不对称(破缺)
在艺术(对联,画),数学(海螺,浪花), 自然(山峰,窗))均有精彩表现 完全对称的东西极少见!
不是静态的概念(适用一切自然现象） 物理学中对称性:现象或系统在某变换下不变 宏观->直观; 微观世界-> 不直观,但极重要
SU(2)是u,d夸克对称，破坏2--3% SU(3)SU(4)SU(5)SU(6) 同位旋破坏主要来自多重态不同分量质 量差印起的运动学效应
奇异数(Strangeness)和重 子数
1947年宇宙线实验(after pion)，1954年
加速器实验发现一批奇异粒子(photos)
特性一：协同产生，独立衰变
即 H 0, H H
厄米算符p
i
与H对易，
是守恒量
2
分立变换下：
U 1HU H i.e.,UH HU ,all _ states
U与H对易，U是守恒量 时空对称性：场与粒子时空性质变换 内部对称性：与时空无关
Some symmtries and the associated conservation laws
群论与对称性
对称性变换必须满足群的性质 （Closure,Identity,Inverse,Associativity) 如空间转动群，SO(3)，3 axis, 3 生成元 （与守恒荷一一对应） 重要的李群/李代数， O(N),SO(N),U(N),SU(N) 复合对称性 --》 复合守恒量， e.g., CP parity,G parity etc.
Translation in time Energy Translation in space Momentum
量子力学中的对称性与守恒定律
量子力学中的对称性与守恒定律量子力学是现代物理学的一大支柱，它描述了微观世界的行为规律。
在量子力学中，对称性与守恒定律是两个非常重要的概念。
本文将深入探讨量子力学中的对称性与守恒定律，并分析它们在物理学中的应用。
首先，让我们来了解一下对称性在量子力学中的意义。
对称性是指某个系统在某种变换下保持不变的性质。
在量子力学中，对称性扮演着非常重要的角色，它不仅能够帮助我们理解物理现象，还能够简化问题的求解过程。
量子力学中常见的对称性包括平移对称性、旋转对称性和时间平移对称性等。
平移对称性是指系统在空间中的平移下保持不变。
在量子力学中，平移对称性导致了动量的守恒定律。
根据量子力学的基本原理，一个粒子的动量是与其波函数的相位相关的。
如果系统具有平移对称性，那么它的波函数在空间平移下不发生变化，从而导致动量守恒。
这一定律在许多物理现象中都得到了验证，如粒子在势场中的运动以及粒子的碰撞等。
旋转对称性是指系统在空间中的旋转下保持不变。
在量子力学中，旋转对称性导致了角动量的守恒定律。
角动量是描述物体旋转状态的物理量，它与系统的对称性密切相关。
如果系统具有旋转对称性，那么它的波函数在空间旋转下不发生变化，从而导致角动量守恒。
这一定律在原子物理学中得到了广泛应用，如电子在原子轨道中的运动以及原子核的自旋等。
时间平移对称性是指系统在时间平移下保持不变。
在量子力学中，时间平移对称性导致了能量的守恒定律。
能量是系统的重要属性，它与系统的稳定性和演化规律密切相关。
如果系统具有时间平移对称性，那么它的波函数在时间平移下不发生变化，从而导致能量守恒。
这一定律在许多物理过程中得到了验证，如粒子的衰变过程以及能量传递等。
除了上述常见的对称性与守恒定律外，量子力学中还存在一些特殊的对称性与守恒定律。
例如，粒子统计对称性与粒子数守恒定律是量子力学中的重要概念之一。
根据粒子的统计性质，量子力学将粒子分为玻色子和费米子两类。
玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计，而费米子遵循费米-狄拉克统计。
量子力学中的対称性破缺
量子力学中的対称性破缺量子力学中的对称性破缺量子力学作为现代物理学的重要分支，研究微观粒子的行为规律和性质，是理解自然界的基础。
在量子力学中，对称性破缺是一个关键的概念，它揭示了微观世界中的一些非常奇特的现象和规律。
本文将介绍量子力学中的对称性破缺现象，并探讨其在物理学研究中的重要意义。
1. 对称性与物理定律对称性是自然界中普遍存在的一种特性，它指的是在某种变换下，物理系统保持不变。
例如，空间平移对称性表明物体在空间位置的变化下具有不变性；时间平移对称性表明物体在时间的演化过程中具有不变性。
在经典物理学中，对称性常常与守恒定律相联系，如能量守恒、动量守恒和角动量守恒等。
2. 连续对称性与自发对称性破缺在量子力学中，对称性的破缺可以分为连续对称性和自发对称性破缺两种情况。
连续对称性是指系统在某种变换下具有对称性，但这种对称性在某个特定的条件下被破坏。
例如，考虑一个具有旋转对称性的系统，当外界施加一个不同于系统自身对称轴的力时，系统的旋转对称性即被破坏。
自发对称性破缺是指系统的基态并不具有与系统哈密顿量对称的性质。
一个典型的例子是铁磁体的顺磁-铁磁相变。
在高温下，铁磁体的自旋是呈无序排列的，系统的基态具有旋转对称性；而在低温下，铁磁体的自旋呈有序排列，系统的基态不再具有旋转对称性。
3. 对称性破缺与粒子质量对称性破缺与粒子质量之间存在着密切的关系。
根据标准模型理论，粒子的质量是通过与希格斯场的耦合来实现的。
希格斯场的自发对称性破缺导致了粒子质量的存在，并解释了为什么不同粒子具有不同的质量。
这一发现被认为是物理学史上的一次重大突破，为解释微观世界的质量问题提供了重要线索。
4. 对称性破缺在粒子物理学中的应用对称性破缺不仅在理论物理学中具有重要意义，也在实验物理学中得到了广泛应用。
其中一个典型的例子是超导现象的解释。
超导材料在低温下表现出电阻为零的特性，这种现象是由于超导材料的自发对称性破缺造成的。
此外，对称性破缺还在凝聚态物理学、粒子物理学和宇宙学等领域有着广泛的应用。
量子力学中的对称性与守恒律
量子力学中的对称性与守恒律量子力学是描述微观世界的一种物理理论，它在20世纪初由一系列科学家共同发展而成。
在量子力学中，对称性与守恒律是两个重要的概念，它们在理论和实验研究中起着重要的作用。
对称性在物理学中具有重要的地位。
在量子力学中，对称性可以分为空间对称性、时间对称性和内禀对称性。
空间对称性指的是物理系统在空间变换下保持不变，例如物理系统的哈密顿量在空间变换下保持不变。
时间对称性指的是物理系统在时间变换下保持不变，例如物理系统的演化算符在时间反演下保持不变。
内禀对称性指的是物理系统在内部变换下保持不变，例如粒子的自旋。
对称性在量子力学中的应用非常广泛。
首先，对称性可以帮助我们简化物理系统的描述。
通过对称性分析，我们可以找到系统的守恒量，从而简化哈密顿量的形式。
例如，如果一个物理系统具有空间平移对称性，我们可以得到动量守恒定律。
如果一个物理系统具有时间平移对称性，我们可以得到能量守恒定律。
其次，对称性还可以帮助我们预测新的物理现象。
例如，根据内禀对称性的理论，科学家预测了反应堆中的中微子振荡现象，并通过实验证实了这一理论。
此外，对称性还可以帮助我们理解量子态的性质。
例如，根据电荷守恒的对称性，我们可以推导出电荷守恒定律，并解释为什么电子和正电子总是以对的方式产生和湮灭。
守恒律是量子力学中的另一个重要概念。
守恒律指的是物理系统在演化过程中某个物理量的守恒。
在量子力学中，守恒律可以通过对称性来推导。
例如，如果一个物理系统具有空间平移对称性，那么动量就是守恒量。
如果一个物理系统具有时间平移对称性，那么能量就是守恒量。
守恒律在量子力学中具有广泛的应用。
例如，电荷守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律都是守恒律的具体表现。
这些守恒定律在物理学中起着重要的作用，它们帮助我们理解物理现象的本质，并且可以用于解释实验结果。
除了对称性和守恒律外，量子力学中还有一些其他重要的概念。
例如，量子态、测量和量子纠缠等。
量子态用于描述量子系统的状态，它可以是一个波函数或一个密度矩阵。
量子力学中的力学力量守恒定律
量子力学中的力学力量守恒定律量子力学是描述微观世界的一门物理学理论，它对于解释和预测微观粒子的行为起着重要的作用。
在量子力学中，力学力量守恒定律是一条基本原理，它描述了在物理系统中力的转化和守恒的过程。
本文将深入探讨量子力学中的力学力量守恒定律，并分析其在实际应用中的意义。
在经典力学中，力学力量守恒定律是一个基本的物理原理，它指出在一个孤立的物理系统中，力的总和保持不变。
然而，在量子力学中，力学力量守恒定律的形式稍有不同。
根据量子力学的原理，力学力量守恒定律可以表述为：在一个量子系统中，力的转化和守恒遵循量子力学的规律。
在量子力学中，力学力量守恒定律可以通过哈密顿量的对称性来描述。
哈密顿量是描述量子系统的能量的算符，它的对称性决定了力的转化和守恒的规律。
例如，如果一个量子系统的哈密顿量在时间平移下具有不变性，那么能量守恒定律就成立。
类似地，如果一个量子系统的哈密顿量在空间平移下具有不变性，那么动量守恒定律就成立。
这些对称性的存在保证了力学力量守恒定律在量子力学中的有效性。
在实际应用中，力学力量守恒定律在量子力学的各个领域都起着重要的作用。
例如，在原子物理学中，力学力量守恒定律可以用来解释原子核衰变过程中的能量转化和守恒。
在粒子物理学中，力学力量守恒定律可以用来解释粒子之间的相互作用和能量传递。
在固体物理学中，力学力量守恒定律可以用来解释电子在晶格中的运动和能量传输。
除了力学力量守恒定律，量子力学中还有其他重要的守恒定律。
例如，角动量守恒定律描述了量子系统中角动量的转化和守恒。
自旋守恒定律描述了量子系统中自旋的转化和守恒。
这些守恒定律在量子力学的研究和应用中起着至关重要的作用，它们帮助我们理解和解释微观粒子的行为。
总之，量子力学中的力学力量守恒定律是一条基本原理，它描述了在物理系统中力的转化和守恒的过程。
通过对量子系统的哈密顿量的对称性进行分析，我们可以得出力学力量守恒定律的具体形式。
在实际应用中，力学力量守恒定律在量子力学的各个领域都起着重要的作用，帮助我们理解和解释微观粒子的行为。
粒子物理学中的对称性与守恒定律
粒子物理学中的对称性与守恒定律粒子物理学是研究物质的最基本组成部分和相互作用的学科。
在这个领域中，对称性与守恒定律是非常重要的概念。
对称性指的是在某种变换下，系统的性质保持不变；而守恒定律则是指物理量在时间和空间上的变化率为零。
一、对称性在粒子物理中的重要性对称性是粒子物理学中一项基本原则。
根据量子力学和相对论的理论基础，我们知道，自然界的基本定律应该具有某种形式的对称性。
首先是空间对称性，即物理系统的性质在空间位置的变换下保持不变。
例如，相对论性量子场论中的拉格朗日量具有洛伦兹对称性，这意味着在任何洛伦兹变换下，物理定律保持不变。
其次是时间对称性，即物理系统的性质在时间演化的过程中保持不变。
例如，量子力学中的薛定谔方程描述的系统具有时间反演对称性，即系统在时间反演下的演化与正常的时间演化完全一致。
还有内禀对称性，即系统在某种内部变换下保持不变。
例如，电荷守恒定律是电荷在整个物理过程中都保持不变的内禀对称性。
二、粒子物理中的守恒定律在粒子物理学中，守恒定律描述了一系列重要的物理量在物理过程中的守恒。
这些守恒定律为粒子物理学的研究和实验提供了重要的基础。
首先是能量守恒定律。
能量是物理过程中最基本的物理量之一，根据能量守恒定律，能量在物理过程中总是守恒的。
例如，在粒子碰撞实验中，总能量守恒可以用来解释反应产物的能量分布。
其次是动量守恒定律。
动量是描述物体运动状态的物理量，根据动量守恒定律，系统中所有粒子的总动量在物理过程中保持不变。
例如，在高能碰撞实验中，通过测量反应产物的动量可以对碰撞发生前的粒子进行研究。
还有角动量守恒定律和电荷守恒定律。
角动量守恒定律描述了系统中所有粒子的总角动量在物理过程中保持不变，而电荷守恒定律描述了系统中电荷的总量保持不变。
这些守恒定律在研究物质的性质和相互作用时起着至关重要的作用。
三、对称性与守恒定律的关系对称性与守恒定律之间存在密切的关系。
根据诺特定理，守恒定律可以由系统的对称性得出。
对称性与守恒定律
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 。
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运动规律不变, H (ξ + dξ ) = H (ξ ) ∂H ∂ 即 = 0, H ∂ξ ∂ξ ∂ =H ∂ξ
∂ 厄米算符pξ = −i 与H对易， ∂ξ 是守恒量
2
分立变换下：
U HU = H i.e.,UH = HU , ∀all _ states
−1
U与H对易，U是守恒量 时空对称性：场与粒子时空性质变换 内部对称性：与时空无关
第三章/对称性与守恒定律
“为什么对称是重要的?“ --- 毛主席1974年5月向李政道请教的 第一个问题
对称与不对称(破缺)
在艺术(对联,画),数学(海螺,浪花), 自然(山峰,窗))均有精彩表现 完全对称的东西极少见! 不是静态的概念(适用一切自然现象） 物理学中对称性:现象或系统在某变换下不变 宏观->直观; 微观世界-> 不直观,但极重要 Why?
Some symmtries and the associated conservation laws
Translation in time ⇔ Energy Translation in space ⇔ Momentum Rotation ⇔ Angular momentum Gauge transformation ⇔ Charge Reflections,Inversions ⇔ Parity Exchange identical particles ⇔ Pauli Principle,Bose-Einstein condensation
C A = C ' ( A) A , C ' ( A)为相因子
C变换性质：CC=1 若Q为相加性守恒量，
−
QC A = QC ' ( A) A = −Q ' ( A)C ' ( A) A = −Q ' ( A)C A = −CQ A ⇒ QC + CQ = 0
除Q=0，一般Q与C没有共同本征态
−
−
C宇称
介子
Particles J Q mass I_3 pi+ 0 1 139.56 1 pi0 0 0 134.97 0 pi0 –1 139.56 -1 所有强子都有确定的同位旋！ 与自旋类似，粒子内部抽象空间角动量 强作用同位旋守恒意味着I, I_3守恒
π+
Pion-Nucleon Scattering
Baryon Number
没有发现过程（标准模型）
p → π e ,e γ
0 + +
中子衰变 n → pe ν e 重子数（轻子数）是严格的内部相加 性守恒量。
−
Gell-Mann-Nishijima关系
1 Q = I 3 + (b + S + C + B + T ) 2
正反粒子变换，电荷共扼
同位旋（isospin, flavor symmetries)
Internal symmetries,conserved in all strong interactions Nucleon: spin/ charge/ mass/ I_3/ p ½ 1 938.27 MeV ½ n ½ 0 939.56 MeV -1/2 在费米尺度，强作用比EM作用强2-3数量 级，其强作用性质相似。
同位旋守恒给出很强的限制和预言 (pi+,pi0,pi-) + (p,n)共10个反应道（电荷 守恒），互相独立！？ 时间反演不变--》8个独立 同位旋空间转动不变（I_3变号）--》4个 独立，两个独立振幅（复数）
σ T (π p ) 由C − G系数， =3 − σ T (π p )
+
同位旋破坏
C变换与C宇称
强作用和EM作用C变换下不变 由C变换联系的两个过程之规律相同 若初态是C变换本征态，则末态也是 pi0不能衰变成三个光子 电子偶素可以衰变到两个光子(S=0)或三 个光子（S=1)
G-Parity
C宇称适用范围太小。 2 对于普通介子（pi)定义： I G ' = ( −1) C ' 普通介子G-Parity为： 性质：所有强子都有确定的变换性质，但只有 性质：所有强子都有确定的 普通介子才有G-Parity 正反粒子系统
Only纯中性粒子才是 的本征态， 纯中性粒子才是C的本征态 纯中性粒子才是 的本征态，
π ,η ,η ' , ρ , φ , ω ,ψ , etc
0 0
C’(gamma) = -1 C’(pi0)=C’(gamma)C’(gamma)=1 EM作用过程中,C守恒 --》正反粒子对（偶） L+S
C' =(−1)
守恒量
历史上,守恒定律的研究占极重要地位（能量） 经典物理:质量,能量,动量,角动量电荷守恒定律 粒子物理: 同位旋,奇异数,轻子数,P,C,CP,G等 守恒量之分类： 1。相加性(所有经典的）与 相乘性（P,C,CP,G等无经典对应） 2。严格守恒（对所有相互作用）和近似守恒
Noether’s 1917） Noether s Theorem （1917）
Dirac Eq(1928) Dirac’s hole theory Positron(1932) antiproton(1955) 50K antiH 反粒子对应于场的复共扼激发态 粒子-反粒子质量，寿命，自旋相同，所 有内部相加性量子数反号。反粒子就是 自己的称Majorana 粒子
Charge Conjugation
Symmetries 运动
规律在一变换下具有不变性，必对应一守恒定律；s
δs = ∫ δL( qi , qi )dt = 0
∂L ∂L d 运动方程 = . ∂qi dt ∂ q i
量子系统
运动规律由哈密顿量H描写 连续变换下：
1气泡室相片
π p → Λπ K , Λ → pπ , K → µ ν
− − + − + +
π p → Σ π K , Σ → nπ , K → π π
− − 0 + − − + + − − 0 + − − 0 +
0 −
π p → Ξ K K , Ξ → Λπ , K → π π
2
需要新量子数S：旧粒子S=0 强作用和EM过程中守恒，弱作用可破坏。 近似守恒的相加性量子数。 不是相互作用荷，只能由实验分析,总结 粒子物理的丰富多彩
G = CI (π )
G ' = ( −1)
I + L+ S
复合系统=子系统宇称乘积
G宇称守恒与实例
强作用G-变换下不变，电磁作用破坏 + 0 + − − 0
ρ → π π ,π π ,π π
Invariant mass at 770MeV,width=153MeV I=1 G’=1,C’(rho0)=-1 Rho介子通过强作用衰变到三个pion严格警戒， Rho0 通过EM作用到两 gamma严格警戒 自旋必为奇数。
SU(2)是u,d夸克对称，破坏2--3% SU(3) SU(4) SU(5) SU(6) 同位旋破坏主要来自多重态不同分量质 量差印起的运动学效应
奇异数(Strangeness)和重 子数
1947年宇宙线实验(after pion)，1954年 加速器实验发现一批奇异粒子(photos) 特性一：协同产生，独立衰变 特性二：快产生，慢衰变（10^-24与 10^-10秒）
群论与对称性
对称性变换必须满足群的性质 （Closure,Identity,Inverse,Associativity) 如空间转动群，SO(3)，3 axis, 3 生成元 （与守恒荷一一对应） 重要的李群/李代数， O(N),SO(N),U(N),SU(N) 复合对称性 --》 复合守恒量， e.g., CP parity,G parity etc.