Naturvärlden är en komplex plats. Harmonier tillåter människor och forskare att särskilja ordningen i den. Inom fysiken har man länge förstått att symmetriprincipen är nära besläktad med bevarandelagarna. De tre mest kända reglerna är: bevarande av energi, momentum och momentum. Pressens ihållande är en konsekvens av att naturens attityder inte förändras med något intervall. Till exempel, i Newtons gravitationslag kan man tänka sig att GN, gravitationskonstanten, beror på tiden.
I det här fallet kommer ingen energi att sparas. Från experimentella sökningar efter överträdelser av energisparande kan strikta gränser sättas för sådana förändringar över tiden. Denna symmetriprincip är ganska bred och tillämpas i kvantmekanik såväl som i klassisk mekanik. Fysiker hänvisar ibland till denna parameter som tidens homogenitet. På samma sätt är bevarande av momentum en konsekvens av det faktum att det inte finns någon speciell plats. Även om världen beskrivs i termer av kartesiska koordinater, kommer naturlagarna inte bry sig om detöverväg källa.
Denna symmetri kallas "translationell invarians" eller homogenitet i rymden. Slutligen är bevarande av vinkelmoment relaterat till den välbekanta principen om harmoni i vardagen. Naturlagarna är oföränderliga under rotationer. Till exempel spelar det inte bara ingen roll hur en person väljer ursprunget för koordinater, utan det spelar ingen roll hur han väljer orienteringen för axlarna.
Diskret klass
Principen för rum-tidssymmetri, skiftning och rotation kallas kontinuerliga harmonier, eftersom du kan flytta koordinataxlarna med valfri mängd och rotera med en godtycklig vinkel. Den andra klassen kallas diskret. Ett exempel på harmoni är både reflektioner i en spegel och paritet. Newtons lagar har också denna princip om bilateral symmetri. Man behöver bara observera rörelsen av ett föremål som faller i ett gravitationsfält och sedan studera samma rörelse i en spegel.
Medan banan är annorlunda följer den Newtons lagar. Detta är bekant för alla som någonsin har stått framför en ren, välpolerad spegel och är förvirrad över var objektet var och var spegelbilden var. Ett annat sätt att beskriva denna symmetriprincip är likheten mellan vänster och motsatt. Till exempel skrivs tredimensionella kartesiska koordinater vanligtvis enligt "högerhandsregeln". Det vill säga, det positiva flödet längs z-axeln ligger i den riktning som tummen pekar om personen roterar sin högra hand runt z, börjar vid x Oy och rör sig mot x.
Okonventionelltkoordinatsystem 2 är motsatt. På den indikerar Z-axeln i vilken riktning vänster hand kommer att vara. Påståendet att Newtons lagar är oföränderliga betyder att en person kan använda vilket koordinatsystem som helst, och naturens regler ser likadana ut. Och det är också värt att notera att paritetssymmetri vanligtvis betecknas med bokstaven P. Låt oss nu gå vidare till nästa fråga.
Operationer och typer av symmetri, principer för symmetri
Paritet är inte den enda diskreta proportionaliteten av intresse för vetenskapen. Den andra kallas tidsförändring. I newtonsk mekanik kan man föreställa sig en videoinspelning av ett föremål som faller under tyngdkraften. Efter det måste du överväga att köra videon omvänt. Både "framåt i tiden" och "bakåt" kommer att lyda Newtons lagar (omvänd rörelse kan beskriva en situation som inte är särskilt trolig, men den kommer inte att bryta mot lagarna). Tidsomkastning betecknas vanligtvis med bokstaven T.
Charge conjugation
För varje känd partikel (elektron, proton, etc.) finns det en antipartikel. Den har exakt samma massa, men motsatt elektrisk laddning. Antipartikeln hos en elektron kallas en positron. En proton är en antiproton. På senare tid har antiväte producerats och studerats. Laddningskonjugering är en symmetri mellan partiklar och deras antipartiklar. Uppenbarligen är de inte samma sak. Men symmetriprincipen innebär att till exempel en elektrons beteende i ett elektriskt fält är identiskt med en positrons handlingar i den motsatta bakgrunden. Laddningskonjugering betecknasbokstaven C.
Dessa symmetrier är dock inte exakta proportioner av naturlagarna. 1956 visade experiment oväntat att det i en typ av radioaktivitet som kallas betasönderfall fanns en asymmetri mellan vänster och höger. Den studerades först i atomkärnors sönderfall, men den beskrivs enklast i sönderdelningen av den negativt laddade π-mesonen, en annan starkt interagerande partikel.
Den sönderdelas i sin tur antingen till en myon eller till en elektron och deras antineutrino. Men sönderfall på en given laddning är mycket sällsynta. Detta beror (genom ett argument som använder speciell relativitet) på det faktum att ett begrepp alltid uppstår med sin rotation parallellt med sin rörelseriktning. Om naturen vore symmetrisk mellan vänster och höger, skulle man finna neutrinon halvtid med dess spinn parallell och delen med dess antiparallell.
Detta beror på att rörelseriktningen i spegeln inte ändras, utan genom rotation. Förknippad med detta är den positivt laddade π + meson, antipartikeln π -. Det sönderfaller till en elektronneutrino med ett parallellt spinn till dess rörelsemängd. Detta är skillnaden mellan hans beteende. Dess antipartiklar är ett exempel på laddningskonjugationsbrott.
Efter dessa upptäckter ställdes frågan om tidsomkastningsinvariansen T hade brutits. Enligt de allmänna principerna för kvantmekanik och relativitet är kränkningen av T relaterad till C × P, produkten av konjugering av avgifter och paritet. SR, om detta är en bra symmetriprincip betyder att sönderfallet π + → e + + ν måste gå med detsammahastighet som π - → e - +. 1964 upptäcktes ett exempel på en process som bryter mot CP som involverade en annan uppsättning starkt interagerande partiklar som kallas Kmesons. Det visar sig att dessa korn har speciella egenskaper som gör att vi kan mäta en liten kränkning av CP. Det var inte förrän 2001 som SR-störningar på ett övertygande sätt mättes i sönderfallen av en annan uppsättning, B mesons.
Dessa resultat visar tydligt att frånvaron av symmetri ofta är lika intressant som närvaron av den. Kort efter upptäckten av SR-kränkning noterade Andrej Sacharov att det är en nödvändig komponent i naturlagarna för att förstå materiens övervägande över antimateria i universum.
Principles
Tills nu tror man att kombinationen av CPT, laddningskonjugering, paritet, tidsomkastning, är bevarad. Detta följer av relativt allmänna principer om relativitet och kvantmekanik, och har bekräftats av experimentella studier hittills. Om någon överträdelse av denna symmetri hittas kommer det att få djupgående konsekvenser.
Än så länge är proportionerna som diskuteras viktiga eftersom de leder till bevarandelagar eller samband mellan reaktionshastigheter mellan partiklar. Det finns en annan klass av symmetrier som faktiskt bestämmer många av krafterna mellan partiklar. Dessa proportionaliteter kallas lokala proportionaliteter eller mätproportionaliteter.
En sådan symmetri leder till elektromagnetiska interaktioner. Den andra, enligt Einsteins slutsats, till gravitationen. När han formulerade sin allmänna principI relativitetsteorin hävdade vetenskapsmannen att naturlagarna inte bara borde vara tillgängliga för att de ska vara oföränderliga, till exempel när man roterar koordinater samtidigt överallt i rymden, utan med vilken förändring som helst.
Matematiken för att beskriva detta fenomen utvecklades av Friedrich Riemann och andra på artonhundratalet. Einstein anpassade delvis och återuppfann en del för sina egna behov. Det visar sig att för att kunna skriva ekvationer (lagar) som följer denna princip är det nödvändigt att introducera ett fält som på många sätt liknar elektromagnetiskt (förutom att det har ett snurr på två). Den kopplar korrekt Newtons tyngdlag till saker som inte är för massiva, rör sig snabbt eller lösa. För system som är så (jämfört med ljusets hastighet) leder generell relativitetsteori till många exotiska fenomen som svarta hål och gravitationsvågor. Allt detta härrör från Einsteins ganska ofarliga föreställning.
Matematik och andra vetenskaper
Principerna för symmetri och bevarandelagar som leder till elektricitet och magnetism är ytterligare ett exempel på lokal proportionalitet. För att komma in i detta måste man vända sig till matematik. Inom kvantmekaniken beskrivs en elektrons egenskaper av "vågfunktionen" ψ(x). Det är väsentligt för arbetet att ψ är ett komplext tal. Det kan i sin tur alltid skrivas som produkten av ett reellt tal, ρ, och perioder, e iθ. Till exempel, inom kvantmekaniken kan du multiplicera vågfunktionen med den konstanta fasen, utan effekt.
Men om principen om symmetriligger på något starkare, att ekvationerna inte beror på stadierna (mer exakt, om det finns många partiklar med olika laddningar, som i naturen, är den specifika kombinationen inte viktig), är det nödvändigt, som i allmän relativitetsteori, att införa en annan uppsättning fält. Dessa zoner är elektromagnetiska. Tillämpningen av denna symmetriprincip kräver att fältet följer Maxwells ekvationer. Det här är viktigt.
Idag förstås alla interaktioner av standardmodellen följa från sådana principer för lokal spårviddssymmetri. Existensen av W- och Z-banden, såväl som deras massor, halveringstider och andra liknande egenskaper, har framgångsrikt förutspåtts som en konsekvens av dessa principer.
Omätbara siffror
Av ett antal anledningar har en lista över andra möjliga symmetriprinciper föreslagits. En sådan hypotetisk modell är känd som supersymmetri. Det föreslogs av två skäl. Först och främst kan det förklara en långvarig gåta: "Varför finns det väldigt få dimensionslösa siffror i naturlagarna."
Till exempel, när Planck introducerade sin konstant h, insåg han att den kunde användas för att skriva en kvantitet med massdimensioner, med början med Newtons konstant. Detta nummer är nu känt som Planck-värdet.
Den store kvantfysikern Paul Dirac (som förutspådde förekomsten av antimateria) härledde "problemet med stora antal". Det visar sig att postulering av denna typ av supersymmetri kan hjälpa till att lösa problemet. Supersymmetri är också väsentlig för att förstå hur principerna för allmän relativitet kanöverensstämma med kvantmekaniken.
Vad är supersymmetri?
Denna parameter, om den finns, relaterar fermioner (partiklar med halvheltalsspinn som följer Paulis uteslutningsprincip) till bosoner (partiklar med heltalsspinn som följer så kallad Bose-statistik, vilket leder till beteendet hos lasrar och Bose kondenserar). Men vid första anblicken verkar det fånigt att föreslå en sådan symmetri, för om den skulle förekomma i naturen skulle man förvänta sig att det för varje fermion skulle finnas en boson med exakt samma massa, och vice versa.
Med andra ord, förutom den välbekanta elektronen måste det finnas en partikel som kallas en selektor, som inte har något spinn och som inte följer uteslutningsprincipen, men i alla andra avseenden är den samma som elektronen. På liknande sätt bör en foton referera till en annan partikel med spin 1/2 (som följer uteslutningsprincipen, som en elektron) med noll massa och egenskaper ungefär som fotoner. Sådana partiklar har inte hittats. Det visar sig dock att dessa fakta går att förena, och detta leder till en sista punkt om symmetri.
Space
Proportioner kan vara proportioner av naturlagarna, men behöver inte nödvändigtvis manifesteras i omvärlden. Utrymmet runtomkring är inte enhetligt. Den är fylld av alla möjliga saker som finns på vissa ställen. Ändå, från bevarandet av momentum, vet människan att naturlagarna är symmetriska. Men i vissa fall proportionalitet"spontant bruten". Inom partikelfysik används denna term mer snävt.
Symmetri sägs brytas spontant om det lägsta energitillståndet inte är proportionerligt.
Det här fenomenet förekommer i många fall i naturen:
- I permanentmagneter, där inriktningen av spinn som orsakar magnetism i det lägsta energitillståndet bryter rotationsinvariansen.
- I växelverkan mellan π-mesoner, som gör proportionaliteten som kallas kiral trubbig.
Frågan: "Finns supersymmetri i ett sådant trasigt tillstånd" är nu föremål för intensiv experimentell forskning. Det upptar många vetenskapsmäns sinnen.
Principer för symmetri och lagar för bevarande av fysiska storheter
Inom vetenskapen säger denna regel att en viss mätbar egenskap hos ett isolerat system inte förändras när det utvecklas över tiden. De exakta bevarandelagarna inkluderar reserverna av energi, linjärt momentum, dess momentum och elektrisk laddning. Det finns också många regler för ungefärlig övergivande som gäller för kvantiteter som massor, paritet, lepton- och baryontal, konstigheter, hyperzary, etc. Dessa kvantiteter bevaras i vissa klasser av fysiska processer, men inte i alla.
Noethers teorem
Lokal lag uttrycks vanligtvis matematiskt som en partiell differentialkontinuitetsekvation som ger förhållandet mellan kvantitetskvantitet ochdess överföring. Den anger att numret som är lagrat i en punkt eller volym endast kan ändras av det som går in i eller ur volymen.
Från Noethers teorem: varje bevarandelag är relaterad till den grundläggande symmetriprincipen i fysiken.
Regler anses vara grundläggande naturnormer med bred tillämpning inom denna vetenskap, såväl som inom andra områden som kemi, biologi, geologi och teknik.
De flesta lagar är precisa eller absoluta. I den meningen att de gäller alla möjliga processer. Enligt Noethers teorem är symmetriprinciperna partiella. I den meningen att de är giltiga för vissa processer, men inte för andra. Hon konstaterar också att det finns en en-till-en-överensstämmelse mellan var och en av dem och naturens differentierbara proportionalitet.
Särskilt viktiga resultat är: symmetriprincipen, bevarandelagar, Noethers teorem.
