在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子，定律是相同的，这被称为电荷对称；一个

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对称的应用——物理、化学(2008-10-26 11:29:29)转载标签：对称理化生教育 分类：教学研究
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一、化学对称

　　在化学，特别是结构化学中，对称有严格的定义。光有相同部分并不一定是对称，对称是指有规律的重复。

　　晶体中的原子数目很大而且有严格的空间排列，但又是严格规律的片断重复，因此只需要画部分的原子排列图像就能代表晶体结构。对此图像进行操作，如操作后的图像与原图像无法区分，则称之为对称。这类操作可以是平移、旋转、镜像和它们的复合操作，而操作所得的对称被称为：平移对称、旋转对称、镜像对称等。如氯化钠等离子化合物的晶体结构



　　通常晶体中的原子排列有周期性，可用三个坐标轴的晶胞单元来体现。沿坐标轴每平移一单元，平移后的图像与原图完全重合，这种操作可继续下去，这就是平移对称。如在原子排布空间取一根直线为旋转轴，当转至360°/n（n为正整数）时，此空间排布与原排布完全重合，表示符合对称操作。继续操作，应可重复n次，称作n次对称或n重对称。如雪花有六重对称。

　　在晶体中，既要滿足五重对称，又要满足平移对称是不可能的。在生物界，五重对称的花很多，因为它不需要滿足平移对称。

　　二、物理对称

长期以来，人们所信守的准则是：与一个丑陋的数学理论相比，一个优美的数学理论更有可能是真的。奇怪的是，对自然规律中对称的追寻不但没有使人类误入歧途，反而对宇宙的秘密有了最基本的认识。

1.物质与能量对称

“作用力等于反作用力”在机械学中占统治地位；在数轴上，与正数相对的是负数，它们如同孪生兄弟一般；在粒子的世界里，物理学家们的信条也是正确的。正是因为确信对称的存在，1928年英国物理学家保罗.狄拉克才提出存在反物质的假设，并且这个假设在以后科学实验中被证明是正确的：1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子。

　　结论：对称是物理学研究的基本方法之一，

　　2．规律对称

　　以牛顿的经典物理定律为例，无论怎么转动物体，物体的运动都遵从牛顿定律，因此，牛顿定律具有旋转对称性；镜子里和镜子外物体的运动都遵从牛顿定律，牛顿定律又具有镜像对称性；物体在空间中任意移动后，牛顿定律仍然有效，牛顿定律也具有空间平移对称性；在不同的时间，昨天、今天或明天，物体的运动也都遵从牛顿定律，牛顿定律还具有时间平移对称性……其他的物理定律也都有类似的情况。

　　对称性常常使得我们不必精确地求解就可以获得一些知识，使问题得以简化。例如，一个无阻力的单摆摆动起来，其左右是对称的。因此，不必求解就可以知道，向左边摆动的高度与向右边摆动的高度一定是相等的，从正中间摆动到左边最高点的时间一定等于摆动到右边最高点的时间，左右两边相应位置处单摆的速度和加速度也一定是相同的……

　　物理定律的这些对称性其实也意味着物理定律在各种变换条件下的不变性，由物理定律的不变性，我们可以得到一种不变的物理量，叫守恒量，或叫不变量。

　　例如，空间旋转最重要的参数是角动量，如果一个物体是空间旋转对称的，它的角动量必定是守恒的，因此，空间旋转对称对应于角动量守恒定律。再如，如果把瀑布水流功率全部变成电能，在任何时候，同样水流的发电功率都是一样的，这个能量不会随时间的改变而改变，因此，时间平移对称对应于能量守恒。还有，空间平移对称对应于动量守恒，电荷共轭对称对应于电量守恒，如此等等。

　　物理定律的守恒性具有极其重要的意义，有了这些守恒定律，自然界的变化就呈现出一种简单、和谐、对称的关系，也就变得易于理解了。科学家在科学研究中，对守恒定律有一种特殊的热情和敏感，一旦某一个守恒定律被公认后，人们是极不情愿把它推翻的。

因此，当我们明白了各种对称性与物理量守恒定律的对应关系后，也就明白了对称性原理的重要意义，无法设想：一个没有对称性的世界，物理定律也变动不定，那该是一个多么混乱、令人手足无措的世界！

物理定律对称性与物理量守恒定律的对应关系，是一位德国女数学家艾米.诺特在1918年首先发现的，因此被称为诺特定理。自那以后，物理学家们已经形成了这样一种思维定式：只要发现了一种新的对称性，就要去寻找相应的守恒定律；反之，只要发现了一条守恒定律，也总要把相应的对称性找出来。

　　诺特定理将物理学中“对称”的重要性推到了前所未有的高度。不过，物理学家们似乎还不满足，1926年，又有人提出了宇称守恒定律，把对称和守恒定律的关系进一步推广到微观世界。

　　在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子，定律是相同的，这被称为电荷对称；一个是空间反射对称，即同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这叫宇称；一个是时间反演对称，即如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动是相同的，这被称为时间对称。

　　结论：物理规律是对称的。