对称性探究-3(对称性自发破缺 对称性思想方法的重要意义).pptx

欢迎走进,对称性探究,课堂,主讲：陈冠英,岭南师,范学院 物理系,(,三,),复 习,混沌的概念,:,混沌的特征,:,混沌,（,Chaos,）,是指发生在,确定性系统中,的,貌似随机,的,不规则行为,。,(,1),确定性，,短期演化的结果是确定的,，但,经过长期演化，结果不确定、,不可预测；,(2),非线性，是产生混沌的必要条件，是相对的；,(3),对初始条件的敏感依赖性；有限的可预测性；,(4),系统的非周期、但内部有序性（不同层次上结构具有自相似性，如：分岔、分岔间距比等。,一,.,对称性概念源于生活,二,.,对称性的分类 性质,三,.,分形的概念 特性,四,.,混沌的概念 特性,六,.对称性的自发破缺,目 录,七,.,对称性思想方法的重要意义,五,.,分形与混沌的关系 应用,六、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，其对称程度,自发,降,低,对,称性自发破缺,。,1,.,对称性的自发破缺,对称,圆环,扭结,。,超过临界值，系统向对称性较低的稳定状态过渡。哪里形成新的结并不重要，因为整个变化过程是混沌的。,墨西哥帽,势能函数。,假设帽,顶有一个圆球,，此时,圆球处于旋转对称、,局部,最大引力势能的状态,。这,个,状态极不稳定，稍加微扰就可以,使圆球,滚落至帽子谷底,，,整个系统的,势能降低,。,圆球滚落至帽子谷底,时，,方向具有,自发性、随机性,特征，,整个系统的,对称性被打破,（,破缺,）,。所处的最低能量态,S,1,对于旋转变换不具有不变性，因为在帽子谷底有无穷多个不同的最低能量态,S,k,，,除非旋转角度为,360,的整数倍数,。,总结,：,这,个,物理系统的拉格朗日量对于旋转变换具有不变性，但最低能量态,（基态）,不具有不变性，因此产生,自发对称性破缺,现象,。,物理中对称性,自发破缺,的特征：,1.,系统的对称性降低，有,临界值,，有“,相变,”,?,；,2.,系统的,能量状态降低,，伴随有,能量辐射,。,放热,放热,放热,居里温度以上的铁磁性固体,降温,永磁体,临界温度以上的超导体,降温,超导体,(,假说,?,),混沌系统的,“,分岔,”,点？,*,物理中的对称破缺,(,Oxford Dictionary of Physics),是,指：,一,个,多体系统,的,基态,或相对论量子场论的真空态所具有的对称性比定义这个体系的拉格朗日量或哈密顿量所具有的对称性小的情形,。,*,在固体物理中，,抗铁磁性,和,超导,就是例子；,*在粒子物理中，,电弱统一模型,是相对论量子场论中对称性破缺的重要例子。,原子弹爆炸,，也存在一个“,临界值,”（“,分岔,”点？），向外辐射能量，是“,自发破缺,”现象吗？,超对称理论中,基本粒子,及其,超,对称粒子,传递电磁,相互作用,传递强相,互作用（,8,种）,传递弱相,互作用,（,3,种）,6,味、,3,色、正、反，共,36,种,正、反共,12,种,大爆炸后的,基本粒子,及其,对称粒子,哪去了？,宇宙演化,大爆炸,物质,反物质,为何当今的世界只有物质？,对,称原理要求,物质数量,=,反物质数量,表明,CP,对称在大爆炸过程中破缺,如果在镜象世界里的物理现象不违反已知的物理规律，则支配该过程的物理规律具有空间反射对称,性,P,对称。,物质粒子遇到反物质粒会产生湮灭。在同一小空间内就不会同时存在物质与反物质。我们见到的物质世界是一个对称破缺的世界，也就是正物质世界。,对称破缺是宇宙和大自然和谐运转的法则,。,10,-50,10,-40,10,-30,10,-20,10,-10,1,10,10,10,20,10,5,10,10,10,15,10,20,10,25,10,30,10,35,大爆炸之后的时间（,s）,引力量子化,暴胀时期,温度（,K）,强作用分离，,暴胀开始,弱作用和电磁,作用分离出来,夸克的,产生,中微子,脱耦,氢原子核,形成,光子,脱耦,现在,普朗克时期结束，,引力作用分化,宇宙大爆炸理论,暴胀时代的宇宙,宇宙诞生后10,-19,秒,正电子,电子,10,11,eV,10,11,eV,“,10,-6,s,”,宇宙手征对称性的,分水岭,，在这之后，夸克能够形成强子束缚态。反夸克,-,夸克凝聚的真空期望值不等于零，,手征对称性被自发打破，费米子、,W,玻色子、,Z,玻色子获得质量,（希格斯机制）。,10,-50,10,-40,10,-30,10,-20,10,-10,1,10,10,10,20,10,5,10,10,10,15,10,20,10,25,10,30,10,35,大爆炸之后的时间（,s）,引力量子化,暴胀时期,温度（,K）,人造高能物理环境,暴胀时代的宇宙,人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合了！,欧洲日内瓦建造的大型强子对撞机,LHC,已投入运行，其主要目的之一就是验证、探究对称破缺机制和基本粒子质量起源之谜。,当宇宙温度继续下降到,10,16,K,时,，电弱统,一也破缺,了；,也就是说，在大爆炸的最初瞬间,超对称的统一,“,力,”,被分解为亚对称的自然力,，对应的,基本粒子和星系结构逐渐分化出更多的多样性和复杂性。,在,这一系列过程中，,宇宙的对称性在不断降低，有序性却在不,断地、自发地提,高,。,宇宙的膨胀阶段是由对,称破,缺所决定的,，量子场论中，方程的建构具有明显的镜像对称破缺。,宇宙大爆炸学说和粒子物理学大统一理论,认为：,宇宙演化从热到温再到冷，,是,从完全对称到对称性逐步丧失的过程,。,在大爆炸的最初瞬间，温度达到,10,38,K,，存在着完整的对称性，夸克和轻子不可分，强、弱和电磁作用是统一的；,当温度降到,10,28,K,时，对称性逐渐破缺，强相互作用分了出来，剩下弱作用和电磁作用的对称性，,即电弱统,一；对称性破缺是一个跨物理学、生物学、社会学与系统论等学科的概念。狭义简单理解为对称元素的丧失；也可理解为,原来具有较高的对称性的系统，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象,。,对称破缺是事物差异性的方式，,任何的对称都一定存在对称破缺,。对称性事物普遍存在于各个尺度下的系统中，有对称性的存在，就必然存在对称性的破缺。对称性破缺也是量子场论的重要概念，量子宇宙理论的对称性破缺为,真空破坏,，对探索宇宙的本源有重要意义,。（,仔细体会！,）,对称性破缺包含“,自发对称性破缺,”和“,动力学对称性破缺,”（,按分岔、分形规律？,）两种情形。,非线性大系统的,平衡、对称状态,自然界遵循的最高法则：广义对称性原理。（不对称性的多因可以一果）,理解,相似,子系统的,涨落,导致个别子系统间的不平衡，,“,求同,”,本性,又使子系统间的不平衡进一步扩大（多因），遵从自发破缺机制,整个大系统的不平衡、不对称状态,（,一果,）,事物的本性：求同（,求对称，求平衡,）,例,1,.,贝纳德对流,液体,均匀加热,T,2,T,1,T,2,T,1,Q,贝纳德对流,:,1900,年贝纳德发现了对流有序现象，他在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。但当上下液面温差,T,超过某一临界值,Tc,时，对流,突然,发生，并形成很有规律的对流花样。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子。中心液体往上流，边缘液体往下流，或者相反。这是一种宏观有序的动态结构。,贝纳德“,对流胞,”出现，打破了欧几里德对称性,(,上下不对称,),。,CP,对称性和对称破缺,（,电荷共轭,C,，空间反射,P,）,CP,对称性,:,正粒子,反粒子、左右镜像反射的对称性,它涉及到空间和物质的基本对称性,.,CP,对称性和破缺,一直是粒子物理学家探索自然界基本规律的前沿领域,.,反粒子,粒子,右手性,左手性,通过,CP,变换相互转换,正反粒子和左右镜像,例,2,.,弱作用中宇称不守恒,强作用下宇称守恒得到实验证实。但对,和,粒子的衰变，它们质量相等，电荷相同，寿命也一样。但它们衰变的产物却不相同：,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。,或,结论：是同一种粒子，有,2,种衰变方式，宇称在这种衰变中不守恒。,1957,年，,吴健雄,在,10,-2,K,下做,60,Co,衰变实验，用核磁共振技术使,60,Co,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,证明了弱作用的宇称不守恒性。,李政道 杨振宁获,1957,年诺贝尔物理奖,实验证明：,沿自旋反方向发射,b,粒子的概率明显的高于沿自旋相同方向发射的,b,粒子,.,ref,.,弱作用中的宇称不守恒,1),LHC,（,Large Hadron Collision),对撞机,实验,检验电弱对称破缺机制,探测超对称粒子,2)(,超级,),B,介子工厂,(,运行和改进）,探测,CP,破坏和新物理,3),ILC,(International,Linear Collider),对撞机,实验,(,设计,),高精度,探测新物理,4),中,微子实验,(,运行和建立,),SuperK,K2K,，,KamLand,，,DayaBay,5),精,密实验检验对称性破坏（运行和建立）,轻子数破坏（,LFV,2,）、时间反演破坏（,EDM),、,重子数破坏（,BNV,）、,2.,实验研究进,展现状,Ref.,欧洲大型强子对撞机,6),标,准模型精确测量实验,BEPCIICLEO_C,、,RICH,、,LHCb,、,7),暗,能量和暗物质,CMB,实验：,包括,WMAP,进一步的观测以及,Planck,实验将精度进一步提高,(2007),Supernovae,实验,SNAP,实验预期对暗能量的观测能提高几倍,LAMOST,实验,8),引,力实验,引力波探测：,LIGO,（地面）、,LISA,（空间）,爱因斯坦广义相对论的检验,9),宇,宙线实验（包括羊八井实验）,宇,宙线起源、,射线爆、中微子爆、,所有对称性都是基于,某些基本量不可观测,的假设。,镜象反射对称,左右是相对的,空间平移对称,宇宙没有中心,空间旋转对称,空间没有绝对方向,一旦一个不可观测量变成可观测量,对称性破缺,时,空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是,对称性自发破缺,的产物。,3.,对称性破缺与自然界的进化,宇,宙极早期（完全对称统一）,体积膨胀，温度降低（,对称破缺,），产生时空,粒子、原子,物质,(,物质世界来源于不对称性,),。,有循环坐标,？,人类三大命题至此破解,？,生,命物质的手征,性,:,DNA,分子的双螺旋结构：大部分为右旋的。,生,命,的,起源：,对称破缺的,DNA,在生命起源过,程,前,，,左右镜像对,称,就已,破,缺.,假说,:,10,-12,秒后,电弱统一破缺,宇称不守恒,DNA,不对称,人类三大命题之三,对称性反映不同物质形态在运动中的共性，而对称性的破缺才使得它们显示出各自的特性。如同建筑和图案一样，只有对称而没有它的破坏，看上去虽然很规则，但同时显得单调和呆板。,只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和图案,。大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像,DNA,这样的大分子时，总是遵循复制的原则，将分子按照对称的螺旋结构联接在一起，而构成螺旋形结构的空间排列是全同的。但是在复制过程中，对,精确对称性的细微的偏离,就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性，从而使得那些更便于复制的样式更快地发展，形成了发育的过程。因此，,对称性的破缺是事物不断发展进化，变得丰富多彩的原因,。,达尔文,进化论,的理论依据？,新物种、新植物的产生源自对称性的自发破缺！,对网络评论的思考,。,多数藤本植物茎蔓的螺旋是右手性的,旋转方向不同的海螺,氨基酸,人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，,组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸！右旋分子是人体生命的克星,!,人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以,食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害,。,地球上没有右旋氨基酸生命，但是，按照手性的原则，它们确实是可能存在的，甚至，有智慧的右旋氨基酸生命也应该是存在的,外星人？,Ref.,手性,1995,年,3,月，美国科学杂志报道,：在美国,洛杉矶召开的,“,生物分子手性均一起源,”,的国际会议上，与会的物理、化学、天文学家,大多数认为,，,“,没有手性就没有生命,”,，,“,手性,起源先于,生命,”,，,而不是生命自然选择了手性。,分子的手性根源来自弱相互作用,，这说明电磁作用力并不是化学尺度上唯一影响化学分子的作用力。弱相互作用所,造成的,宇称不守恒,手性破缺效应,诱发费米子的手征性，主要,通过反馈特征的自催化,的,循环反应,及其它某种放大机制，放大到分子尺度，从而成为生命形成的重要驱动因素。,细胞生物学,分子生物学,亚原子量级的生物学？,艺术上：对称破缺美的代表作,你喜欢哪一张？,画家弘仁的原作 对称化了的作品,工业生产需要机床，机床都有转动。转动有两个对称方向：顺时针和逆时针。在加工时只能选择一个方向，而且要求全世界统一。这就是，,为了大生产，必定要求对称破缺,。,社会中的对称破缺,马路上的汽车既可以靠右边走，也可以靠左边走。但在一个城市或一个地区只能规定靠一边走；中国大陆规定靠,“,右,”,走，香港则靠,“,左,”,走。这种,对称破缺是交通安全顺畅的社会需要,。,车床加工时，有平移运动，就会出现螺旋线。螺旋线有手性，分左旋和右旋。以螺丝钉为例,要求生产标准化,如既有左旋又有右旋，必定造成混乱。可见,人为的对称破缺是工业生产的客观要求,。但某些产品，如微波炉，旋转方向就没有必要加以限制。,这是,1443,年,Paolo Uccello,绘制的,24,小时,逆时针方向运行的“怪钟”,。经济学家,Arthur Brian,以此钟为例，论述经济领域中的正反馈现象。他说，,1443,年钟的设计尚未定型。一种表盘的设计用得愈多，就有更多人习惯于读它，以后它就被采用的愈多。最后形成现在的惯例。这就是,从正反馈到失稳，再从失稳到对称破缺,的过程,。,意大利,“,怪钟,”,描述的对象,周期性,特征,规律,分形,多基元的,大系统,空间分布,“,空间基元,”,无穷嵌套的自相似结构,(,由内因决定,),分维数,进化,变异,？,混沌,多基元的,大系统,时间分布,“,时间基元,”,无穷嵌套的自相似结构,(,由内因决定,),分岔,费根鲍姆常量,自发破缺,？,分形与混沌的共同特征,这种时、空周期性可以结合起来研究吗？,付里叶变换,Fourier,是法国大革命时期的数学家，当时科学界流行一种哲学：世界是由“基元”组成的，任何一种物质只是基元的加权的代数和。,而运动是物质的一种存在形态，也应该,由基元组成,。,Fourier,通过研究“振动弦”得出规律：振动弦的运动可以分解为多个“正弦”信号的和，又通过对很多现象的研究，得出,结论：任何一个信号可以分解为多个“简谐周期函数”的加权和,，而,sin,x,、,cos,x,是最简单的“简谐周期函数”。,任意时间,周期信号,基元,权值,常量,从当时的角度来看，付里叶变换就是任何一个信号可以表示为“正弦”信号的加权和，符合哲学观点。,1807,年在法国科学学会上,Fourier,将该观点的论文提交给法国研究院。当时由三名数学家组成的论审查文委员会（其中有拉格朗日和拉普拉斯）没有通过该篇论文的发表，原因是,Lagrangri,提出论文数学推导不严格，对于处处不可导的信号该理论不成立，法国科学学会屈服于拉格朗日的威望，拒绝了傅立叶的工作。在近,50,年的时间里，拉格朗日坚持认为傅立叶的方法无法表示带有棱角的信号，如在方波中出现非连续变化斜率，直到拉格朗日死后,15,年这篇论文才被发表出来。,在,世界是由基元组成,这一哲学思想下，产生了一系列的十分有效的技术，可见哲学对研究的意义。,相反，如果没有一种哲学思想，我们的研究，如何归纳总结出一种一般的规律？总结出的规律正确与否？,目前理论：对,任一,非周期,函数,F,(,t,),，可用傅里叶积分表示,:,其中：,F(t),的傅里叶变换,任意非,周期信号,基元,权值,傅里叶积分,-,混沌,-,对称性破缺之间有什么联系？,傅里叶积分、混沌,时域非周期函数；,傅里叶变换、分形,空域非周期函数。,对称性破缺,时域、空域变换,？,描述的对象,层次性,自相似性,特征,表达方式,参量,傅里叶变换,(,混沌,),任一非周期,时间,的函数,sin,w,t,、,cos,w,t,简谐周期函数,无穷多个“简谐周期函数”的加权和,用数学公式，,变换,频谱,.,基频反映轮廓，高频反映细节,(,空间,的分形,?,),对称性破缺,(,混沌,),复杂的真实事物,(,不连续,不可导,不规则,粗糙,曲折,),有,时、空的自相似结构,分岔,无穷多个“嵌套的自相似结构”的加权和,用迭代语言，分维,维数,.,整数反映轮廓，分数反映细节,(,空间的分形,),?,傅里叶变换与混沌、分形、对称性破缺的类比,大系统,的,非周期,性因素,层次性,自相似性,特征,表达方式,参量,音乐,时间,音符、高低,嵌套、组合、重复,乐谱,？,7,个音符、高低音？,油画,空间,色彩、粗细,嵌套、组合、重复,？,颜色、线条,小说,词语,章节、段落,嵌套、组合、重复,？,文字、词语,舞蹈,形体,动作,嵌套、组合、重复,？,肢体动作？,台风,时间,冷、热,嵌套、组合、重复,级数,？,气压、温度、,？,股票,时间,涨、落,嵌套、组合、重复,？,股民、业主、环境、,？,自相似现象的类比,(,如何用,数学语言,描述？,),未来不一定可知,(,但可用科学方法详细,研究,),非线性大系统,(,动物、植物、社会,),物质构成,非线性次大子系统,(,蛋白质、细胞、家庭、固体、液体、气体,),属于混沌系统，,未来不可知，不可预测。,自发破缺,的,随机性,系统,初始条件,微小变化的随机性,系统,混沌发生,(,进化或变异,),长期学习，潜移默化，易形成理性、求真、客观、严谨的习惯思维方式,(,理科生,),长期学习，潜移默化，易形成感性、唯美、全局、通融的习惯思维方式,(,文科生,),感悟,线性子系统,(,原子、分子、晶胞,),未来一定可知,(,用科学方法详细、深入,研究,),如何进一步探究？,线性子系统,(,原子、分子、晶胞,),无机碳化合物：,可详细、深入研究。,实例,非线性次大子系统,(,固体、液体,),碳原子相互结合，可形成线状、链状、环状、片状、球状等超大分子：,可以研究。,碳,-60,与碳纳米管,非线性大系统,(,动物、植物,),有机碳化合物组成的动、植物系统：,有变异,(,自发破缺,),，难控制,。,不一定可控,(,但可用制度管理调节,平衡,),社会,非线性,大系统,(,子系统：家庭、个人,),社会系统,国家,非,线性,次大系统,(,子系统：乡、社区,),属于混沌系统,(,分岔、,),，,不可控制。,遵从,自发破缺,机制：可发生量变、,质变,(,进化、变异,),改变大系统中的子系统数目，使之成为线性系统，分层研究、管理、控制，可避免混沌（混乱）现象发生？,探究,1,国家的,线性,系,统,(,子系统：省,地,县,镇,乡,个人,),一定可控,(,法治，,直接,管理，但区域,难平衡,),为发展,应以公平、公正、动态平衡为重；,防变异,(,混乱,),应以防止突发事件为主,.,不对称,难公平,对称,难控制,相似子系统构成的非线性大系统，其,平衡状态：,自然界遵循的最高法则：广义对称性原理,探究,2,平衡系统,中的,个别相似,子系统,“,涨落,”,导致不对称,(,遵从自发破缺机制,),，,一因,多果,=,多因,事物的本性：求同（求对称，求平衡）,次大,系统不平衡状态,（,不,对称即是多因,）,“,求同,”,本性,导致,次大,系统间趋于平衡,(,热力学第二定律,),或更不平衡,(,破缺律,),，,多因,一果,自然界的,混沌状态（,新的,平衡、消亡、,）,(,一果,),自然界中的事物,什么样的方法才能使系统,和平的,“,求同,”,？,探究,3,社会的,“,求同,”,本性要求：,自由、平等、公正,、法制。,宇宙演,化、生物进化、,植物生长、,物种竞争、,社会,争端、,个人奋斗、,、非线性大系统：遵从事物的,“,求同,”,本性。,个人的,“,求同,”,本性应该：爱,国、敬业、,诚信、友善,。,国家的,“,求同,”,本性需要：富强、民主、,文明、和谐,。,合作、共赢,制约、战争,劳动、公德,制假、欺诈,敬业、守法,贪污、腐败,现代科学所面临的,是：简,单,性的思想方法和无,法处理,的、复,杂的对象。现实世界简单性的传统信念需要转变，,复杂性的世界应当以复杂,性的观,念来对待,。,非线性科学就是研究复杂性现象的新科学。以,混沌理论,、,分形几何学,和,孤立子理论,为主体的非线性科学的问世，标志着科学的发展进入了一个新的时代。,人们已经发现，在自然科学的各个不同的领域中，各种非线性系统有着共同的规律。,以混沌为核心的非线性理论,的研究已经形成了一个以探索复杂性为目标的新学科，它将会持久地影响自然科学的进程，,成为继量子力学、相对论之后的一次新的科学革命,。非线性科学不仅具有重大的科学意义，而且对人类社会、生态环境、医学诊断、经济发展规律、信息与决策等都有不可估量的影响。,非线性科学的前景与展望,科学规律与人文思想融合、统一,道法自然,探究非线性系统规律的启示：,3.,事物发展有周期性、自相似性；,1.,事物并非黑即白，有多样性；,4.,一些复杂系统未来是不可知的。,2.,求同、平衡是事物的本性；,波粒二象性、人的多面性,热力学第二定律、自由、平等,分形、混沌、经济、历史,混沌、自发破缺、宗教、神,以下是,中科院理论物理研究所,吴岳良,院士关于,“,电荷,-,宇称对称性破坏和夸克,-,轻子味物理的理论研究,”,学术报告中的观点：,建立统一理论的途径之一是寻找一种具有更大对称性的规范群。,物质的基本结构和相互作用，很可能都来源于某种高维时空的局域对称性,；,宇宙暴涨，暗物质粒子，暗能量的本质可由,最大对称化的最小统一模型,(MSMUM),的标度性质、镜像粒子、对称性破缺、真空结构等来理解。,无论物质科学还是生命科学、化学还是物理、粒子天体物理还是固体凝聚态物理，可以说，从极小粒子到极大宇宙，现实,世界存在着各种层次的对称性和对称破缺,即,各个层次以及各层次之间都可能通过对称和对称破缺的实现,，呈现出各自特有的基本规律。,与对称性和对称破缺现象有密切关系的重大前沿问题包括：夸克禁闭,(,质量能隙）、电弱破缺、,手征破缺,、时空破缺（,CP,破坏）、,物质起源,、暗能量与真空破缺、暴涨场的性质、量子相变、量子临界现象、超导机理、,DNA,手性及其起源,等，,寻找可能的对称性和对称破缺机制已成为研究各种层次和各个尺度新理论所遵循的一个基本原理,。,未来的十至二十年将会是物理和天体宇宙学研究,充满机遇和挑战的时代,，高能加速器上进行的实验和天文观测数据的精密化为粒子物理的研究提供了新的机遇。,粒子物理和天体宇宙学面临的挑战已成为二十一世纪物理学,天空上的一团乌云,，将使得物理学新的革命在本世纪再次爆发。,相信对物质、时空和宇宙的起源等基本问题的深入研究，将揭示新的物理性质和规律从而,获得重大突破,。,期望爱因斯坦一直追求，并拼搏了后半生，没有完成的,统一场论,在二十一世纪,能取得突,破,这,个物理学家的共同愿望,！（,超,弦理论,）,统一场论？,标度理论？,夸克禁闭？,真空结构？,量子引力？,对称破缺？,暗宇宙、暗能量,粒子、物质、生命各个层次以及各层次之间都可能通过对称和对称破缺的实现，呈现出各自特有的基本规律。,描述这些规律的理论统称为,呈展理论,。,七、,对称性思想方法的重要意义,1.,对称性是科学理论必须具备的基本特征,现代物理：建立在“假说”基础上的理论体系,其正确性需要检验：证实或证,伪；,要求实验行为可以重复，实验结果可以再现：,不因地而异,空间平移、旋转对称性,不因时而异,时间平移对称性,不因人而异,相对论的对称性,参考系,2.,对称性是现代物理中重要的思想方法,由数学变换（对称操作），猜测物理系统的对称性,预言相应的守恒量和守恒定律,实验检验。,实验中发现守恒量,寻找,物理系统的对称性,建立理论。,例,：,狄拉克从他的,Dirac,方程的对称性，预言了正电子的存在,对,反粒子、反物质的探索。,爱因斯坦从物理定律对参考系的不变性出发,建立了狭义相对论和广义相对论。,3.,对称性体现物理学简单、和谐、统一的审美原则,“,我想知道上帝是如何创造这个世界的。我对诸种现象并不感兴趣，我想知道的是他的思想,其它的都只是细节问题。,”,爱因斯坦,什么是上帝创造世界的原则,?,自然的基本法则一定是简单的。,自然的基本设计充满对称与破缺。,对称性指导着学科的交叉、渗透、整合,。,什么实验最美,物理学首先是一门实验科学，几乎所有物理知识都来自实验的的观测。,任何理论都必须接受实验检验,，然而这不等于说，理论完全处于被动地位，有时候正要靠理论才能决定人们要做什么样的实验以及在实验中可看清什么。,科学知识的审美价值主要体现在实验美、理论美和数学美三个方面。实验美包括,实验现象之美,、,实验设计之美,、,实验方法之美,、,实验结果之美,。,用单电子做的杨氏双缝干涉实验（,1961,年）,伽利略的落体实验（,1600,年左右）,密立根油滴实验（,1909,年）,牛顿棱镜分光实验（,1665,年,1666,年）,杨氏双缝干涉实验（,1800,年）,卡文迪许扭秤测万有引力常数实验（,1798,年）,埃拉托色尼用太阳光测定地球周长的实验（约公元前,300,年）,伽利略的斜面实验（,1600,年左右）,卢瑟福,粒子散射发现原子核的实验,(1911,年,),10,傅科摆实验（,1851,年）,Physics World,投票选出的,10,个最美物理实验,Ref.,十个最美物理实验,2002,年,5,月由读者投票评选,思想实验,(,理想实验,),例如,:,伽利略的斜面实验,自由落体,(,斜面倾角为,90),惯性概念提出,(,无摩擦、无空气阻力,),。,牛顿的抛体运动,抛体速度达一定大小时,将绕地球转动,再大时，将绕太阳转动。,爱因斯坦追光实验,当人追上光时,。,爱因斯坦电梯实验,当人在一封闭的电梯时,引力场与加速度场不可分，,斜面实,验,物理学中美的概念：,1,、现象之美,彩虹、行星轨道、原子光谱,2,、理论描述之美,万有引力定律、库仑定律、热力学第一、第二定律,3,、理论结构（数学结构）之美,元素周期表、麦克斯韦方程组、相对论力学、量子力学,自然的基本法则一定是简单的，自然的基本设计充满对称,对称性越高越美。,Ref.,李醒民科学的,精神与价值,P,.15,兰花螳螂,自 然 界 中 的 对 称 美,老虎须（,Tacca chantrieri,），蒟蒻薯科,刻叶紫堇，罂粟科,蓝刺头，菊科,伯力一家饭店中的木雕,凯尔特,(Celtic),装饰艺术,二氧化硅纳米丝具有令人大为诧异的习惯,能自行组成精美的图画,(,以镓和金为催化剂，能让它们长到长度只有几微米，同时直径保持在,10,纳米左右照片经过着色处理）,精彩纳米照片：科学与艺术的完美结合,万物都在自然界中进化，在适应中创新。,我们应当不断发现大自然的美丽，尊重大自然，向大自然学习。,我们应当不断领悟大自然的发展规律，探究科学、文化、艺术的真、善、美！,