
【化】 gauge transformation
在漢英詞典視角下,“規範變換”(Gauge Transformation)指物理學中保持物理系統運動規律不變的前提下,對場或勢函數進行的特定數學變換。該概念在經典電磁學、量子力學及規範場論中具有核心地位。
漢英對照定義
指物理系統的拉格朗日量或運動方程在變換下保持不變的操作,體現了物理規律的對稱性。例如電磁場中,對電磁四維勢 ( A_mu ) 的變換:
$$ A_mu to A_mu + partial_mu Lambda $$
其中 (Lambda) 為任意标量函數,電場 (mathbf{E}) 和磁場 (mathbf{B}) 保持不變。
不變性本質
規範變換的核心是揭示物理可觀測量(如電磁場強度)的獨立性,其數學形式依賴于系統的規範對稱性(如U(1)對稱性對應電磁學)。
在規範場論中,規範變換擴展為:
$$ A_mu to U A_mu U^{-1} + frac{i}{g} (partial_mu U) U^{-1} $$
其中 (U) 為群元素,(g) 為耦合常數。
規範變換的數學框架統一了基本相互作用:
權威參考來源:
規範變換是物理學中描述對稱性的重要數學工具,其核心在于保持物理規律不變的前提下改變場的數學表述。以下從多個維度進行解釋:
一、基本定義 規範變換指在電磁勢、波函數等物理量描述中,通過添加特定數學條件進行的等價轉換。這種變換不改變觀測的物理量(如電場強度、磁場強度),僅改變數學表達形式,體現了物理規律的對稱性本質。
二、數學形式
經典電磁學中的規範變換 電磁勢的規範變換表達式為: $$ A' = A + ablapsi phi' = phi - frac{partial psi}{partial t} $$ 其中ψ為任意标量函數,這種變換保持電場E和磁場B不變(見)
量子力學中的規範變換 波函數需進行相位補償變換: $$ psi' = psi e^{i epsi/hbar c} $$ 保證薛定谔方程形式不變
三、物理意義 • 全局規範變換:整體對稱性→電荷守恒 • 局域規範變換:時空點依賴的對稱性→要求引入規範場(如電磁場)
四、核心性質
五、應用領域 • 規範場論:構建基本相互作用的統一框架 • 量子霍爾效應:拓撲相變研究 • 超導理論:倫敦方程與規範對稱破缺
該理論的發展深刻影響了現代物理學,從麥克斯韋方程組到标準模型都建立在其基礎之上。理解規範變換需要結合微分幾何、群論等數學工具,其在理論物理中的地位如同DNA在生物學中的核心作用。
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