66664天前
在物理学中有一条铁律似乎永不动摇,那就是守恒定律。比如能量守恒,就是能量只能从一种形式转化为另一种,但总量不变。当你踢足球时,肌肉的化学能转化为球的动能,同时产生热能和声能。如果计算前后总能量,它始终相等。 或者你开车时,汽油中的化学能可以转化为汽车的动能,而动能又可以转化为热能。但无论如何转换,如果将所有形式加总能量,总量始终不变。此外还有动量守恒,动量包括包括线性动量和角动量,它是质量乘以速度的乘积。在孤立系统中,总动量保持不变。 比如你在打台球时,白球撞击彩球,其动量转移给彩球,但前后总动量相等。类似的原理也适用于角动量,描述系统的总旋转。当然还有其他守恒定律,如电荷守恒,也就是系统的总电荷量不会改变。电荷可以转移,但不能被创造或消灭。 以及将质量与能量结合的质能守恒。但无论是哪种守恒,长期以来,人们只是观察到这些定律的存在,却不知其所以然。直到后来科学家引入对称性的概念,一切才变得清晰。 在物理学中,对称性不是指蝴蝶翅膀或镜像对称,而是指物理定律在某些变换下保持不变。比如你今天做实验,明天重复相同实验,结果必然一致,这就是时间平移对称性,物理定律不因时间推移而变。同样,你在地球的两个地方做相同实验,结果相同,这就是空间平移对称性,也就是说,定律不依赖于位置。 宇宙没有特殊地点或特殊时刻,规则处处时时一致,就像镜像或旋转后的图形在外观上保持不变一样。物理学家和数学家将这种性质称为系统在该变换下具有不变性。1918年德国数学家艾米诺特提出,只要存在这样的对称性,就必然存在一种对应的守恒量,这一理论如今被称为诺特定理。 比如时间平移对称性导致能量守恒,空间平移对称性导致动量守恒。那么为什么能量会守恒呢?我们知道,在宇宙中,能量驱动运动,产生热,点亮光芒,甚至维系物质结构。它能从动能转为热能,或从电能转为声能,但能量从不凭空出现或消失。 为什么能量守恒?这就是因为宇宙的时间对称性。如果能量突然出现或消失,就意味着某个特殊时刻,定律在那时改变了,这违反了时间对称。那么宇宙就会像有魔法时刻一样混乱,每一次实验都有所不同。而现实中实验随时重复,结果都会相同,因此能量总量永恒不变。 接下来,我们再说说空间对称与动量守恒。空间平移对称性意味着物理定律在任何地方都相同,无论是地球还是银河系,或者遥远的仙女座星系。假设平静的水面上有两艘船,船上各有一个人。当其中一个人把篮球扔给另
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