對稱性 (物理學)
物理系統的功能在某些轉換下保持不變(不變) / 維基百科,自由的 encyclopedia
對稱性(symmetry)是現代物理學中的一個核心概念,系統從一個狀態變換(英語:Transformation (function))到另一個狀態時,系統內的物理或數學特徵仍然不變。它也是指一個理論的拉格朗日量或運動方程式在某些變量的變化下的不變性。如果這些變量隨時空變化,而拉格朗日量或運動方程式仍舊不變,則稱此性質為為「局域對稱性」(local symmetry),反之,若這些變量不隨時空變化,則稱此性質為「整體對稱性」(global symmetry)。物理學中最簡單的對稱性例子是牛頓運動方程式的伽利略變換不變性和麥克斯韋方程式的勞侖茲變換不變性和相位不變性。[1]:358
數學上,這些對稱性由群論來表述。上述例子中的群分別對應着伽利略群(英語:Galilean transformation),勞侖茲群和群。對稱群為連續群和分立群的情形分別被稱為連續對稱性(英語:continuous symmetry)和離散對稱性(英語:discrete symmetry)。德國數學家赫爾曼·外爾是把這套數學方法運用於物理學中並意識到規範對稱重要性的第一人。1950年代楊振寧和米爾斯意識到規範對稱性可以完全決定一個理論的拉格朗日量的形式,並構造了核作用的
規範理論。從此,規範對稱性被大量應用於量子場論和粒子物理模型中。在粒子物理的標準模型中,強相互作用,弱相互作用和電磁相互作用的規範群分別為
,
和
。除此之外,其他群也被理論物理學家廣泛地應用,如大統一模型中的
,
和
群,超弦理論中的
和
群。
整體對稱性在粒子物理和量子場論的發展中也起着非常重要的角色,如強相互作用的手徵對稱性。規範和整體對稱性破缺是粒子物理學和凝聚體物理學的重要概念。