Природният свят е сложно място. Хармониите позволяват на хората и учените да различават реда в него. Във физиката отдавна се разбира, че принципът на симетрията е тясно свързан със законите за запазване. Трите най-известни правила са: запазване на енергията, импулс и импулс. Устойчивостта на натиска е следствие от факта, че нагласите на природата не се променят през нито един интервал. Например, в закона за гравитацията на Нютон може да си представим, че GN, гравитационната константа, зависи от времето.
В този случай няма да се пести енергия. От експериментални търсения за нарушения на енергоспестяването могат да бъдат поставени строги ограничения върху всяка такава промяна във времето. Този принцип на симетрия е доста широк и се прилага както в квантовата, така и в класическата механика. Физиците понякога наричат този параметър хомогенност на времето. По същия начин запазването на импулса е следствие от факта, че няма специално място. Дори ако светът е описан в декартови координати, законите на природата няма да се интересуват от товавземете предвид източника.
Тази симетрия се нарича "транслационна инвариантност" или хомогенност на пространството. И накрая, запазването на ъгловия импулс е свързано с познатия принцип на хармония в ежедневието. Законите на природата са инвариантни спрямо ротациите. Например, не само че е без значение как човек избира произхода на координатите, но няма значение и как избира ориентацията на осите.
Дискретен клас
Принципът на пространствено-времевата симетрия, изместване и въртене се наричат непрекъснати хармонии, защото можете да местите координатните оси с произволно количество и да завъртите на произволен ъгъл. Другият клас се нарича дискретен. Пример за хармония са както отраженията в огледало, така и паритета. Законите на Нютон също имат този принцип на двустранна симетрия. Човек трябва само да наблюдава движението на обект, падащ в гравитационно поле, и след това да изследва същото движение в огледало.
Докато траекторията е различна, тя се подчинява на законите на Нютон. Това е познато на всеки, който някога е заставал пред чисто, добре излъскано огледало и е объркан къде е бил обектът и къде е огледалното изображение. Друг начин да се опише този принцип на симетрия е приликата между ляво и противоположно. Например, триизмерните декартови координати обикновено се записват според "правилото на дясната ръка". Тоест, положителният поток по оста z лежи в посоката, в която палецът сочи, ако човекът завърти дясната си ръка около z, започвайки от x Oy и движейки се към x.
Неконвенционалнокоординатна система 2 е противоположна. На него оста Z показва посоката, в която ще бъде лявата ръка. Твърдението, че законите на Нютон са инвариантни, означава, че човек може да използва всяка координатна система, а правилата на природата изглеждат еднакви. И също така си струва да се отбележи, че паритетната симетрия обикновено се обозначава с буквата P. Сега нека да преминем към следващия въпрос.
Операции и видове симетрия, принципи на симетрия
Паритетът не е единствената дискретна пропорционалност, представляваща интерес за науката. Другото се нарича промяна на времето. В Нютоновата механика може да си представим видеозапис на обект, попадащ под силата на гравитацията. След това трябва да помислите за стартиране на видеото в обратен ред. И двете движения „напред във времето“, и „назад“ще се подчиняват на законите на Нютон (обратното движение може да опише ситуация, която не е много правдоподобна, но няма да нарушава законите). Обръщането на времето обикновено се обозначава с буквата T.
Charge conjugation
За всяка известна частица (електрон, протон и т.н.) има античастица. Има абсолютно същата маса, но противоположен електрически заряд. Античастицата на електрона се нарича позитрон. Протонът е антипротон. Напоследък се произвежда и проучва антиводород. Конюгирането на заряда е симетрия между частиците и техните античастици. Очевидно не са еднакви. Но принципът на симетрията означава, че например поведението на електрон в електрическо поле е идентично с действията на позитрон в противоположния фон. Обозначава се конюгиране на зарядбуква C.
Тези симетрии обаче не са точни пропорции на законите на природата. През 1956 г. експерименти неочаквано показват, че при вид радиоактивност, наречен бета разпад, има асиметрия между ляво и дясно. Първо е изследван при разпадите на атомните ядра, но най-лесно се описва при разлагането на отрицателно заредения π мезон, друга силно взаимодействаща частица.
Той от своя страна се разлага или на мюон, или на електрон и тяхното антинеутрино. Но разпадите при даден заряд са много редки. Това се дължи (чрез аргумент, който използва специалната теория на относителността) на факта, че концепцията винаги се появява с въртене, успоредно на посоката на движение. Ако природата беше симетрична между ляво и дясно, човек би намерил полувремето на неутриното с неговия спин паралел и частта с неговия антипаралел.
Това се дължи на факта, че в огледалото посоката на движение не се променя, а чрез въртене. С това е свързан положително зареденият π + мезон, античастицата π -. Той се разпада в електронно неутрино с успореден спин на своя импулс. Това е разликата между поведението му. Неговите античастици са пример за нарушаване на конюгирането на заряда.
След тези открития беше повдигнат въпросът дали е била нарушена инвариантността на обръщането на времето T. Съгласно общите принципи на квантовата механика и относителността, нарушението на T е свързано с C × P, продуктът на конюгирането на такси и паритет. SR, ако това е добър принцип на симетрия означава, че разпадането π + → e + + ν трябва да върви със същотоскорост като π - → e - +. През 1964 г. е открит пример за процес, който нарушава CP, включващ друг набор от силно взаимодействащи частици, наречени Kmesons. Оказва се, че тези зърна имат специални свойства, които ни позволяват да измерим леко нарушение на CP. Едва през 2001 г. разрушаването на SR беше убедително измерено в разпадите на друг набор, B мезони.
Тези резултати ясно показват, че липсата на симетрия често е също толкова интересна, колкото и нейното присъствие. Наистина, скоро след откриването на нарушението на SR, Андрей Сахаров отбеляза, че то е необходим компонент в законите на природата за разбиране на преобладаването на материята над антиматерията във Вселената.
Принципи
Досега се смята, че комбинацията от CPT, конюгиране на заряд, паритет, обръщане на времето са запазени. Това следва от доста общите принципи на относителността и квантовата механика и е потвърдено от експериментални изследвания до момента. Ако се установи някакво нарушение на тази симетрия, това ще има дълбоки последици.
Досега обсъжданите пропорции са важни, тъй като водят до закони за запазване или връзки между скоростите на реакция между частиците. Има друг клас симетрии, които всъщност определят много от силите между частиците. Тези пропорционалности са известни като местни или габаритни пропорционалности.
Една такава симетрия води до електромагнитни взаимодействия. Другият, според заключението на Айнщайн, към гравитацията. При излагането на своя принцип на общВ теорията на относителността ученият твърди, че законите на природата трябва да са достъпни не само за да бъдат инвариантни, например, когато координатите се въртят едновременно навсякъде в пространството, но и с всяка промяна.
Математиката за описване на този феномен е разработена от Фридрих Риман и други през деветнадесети век. Айнщайн частично адаптира и изобрети някои за собствените си нужди. Оказва се, че за да се напишат уравнения (закони), които се подчиняват на този принцип, е необходимо да се въведе поле, което в много отношения е подобно на електромагнитното (освен че има спин от две). Той правилно свързва закона за гравитацията на Нютон с неща, които не са твърде масивни, движещи се бързо или хлабави. За системи, които са такива (в сравнение със скоростта на светлината), общата теория на относителността води до много екзотични явления като черни дупки и гравитационни вълни. Всичко това произтича от доста безобидната идея на Айнщайн.
Математика и други науки
Принципите на симетрията и законите за запазване, които водят до електричество и магнетизъм, са друг пример за локална пропорционалност. За да влезете в това, трябва да се обърнете към математиката. В квантовата механика свойствата на електрона се описват с "вълновата функция" ψ(x). От съществено значение за работата е ψ да бъде комплексно число. То от своя страна винаги може да бъде записано като произведение на реално число ρ и периоди e iθ. Например, в квантовата механика можете да умножите вълновата функция по постоянната фаза, без ефект.
Но ако принципът на симетриялежи на нещо по-силно, че уравненията не зависят от етапите (по-точно, ако има много частици с различни заряди, както в природата, конкретната комбинация не е важна), е необходимо, както в общата теория на относителността, да се въведе различен набор от полета. Тези зони са електромагнитни. Прилагането на този принцип на симетрия изисква полето да се подчинява на уравненията на Максуел. Това е важно.
Днес се разбира, че всички взаимодействия на Стандартния модел следват от такива принципи на локална симетрия на габарит. Съществуването на W и Z лентите, както и техните маси, периоди на полуразпад и други подобни свойства, са успешно предсказани като следствие от тези принципи.
Неизмерими числа
По редица причини е предложен списък с други възможни принципи на симетрия. Един такъв хипотетичен модел е известен като суперсиметрия. Беше предложено по две причини. На първо място, това може да обясни една отдавнашна загадка: „Защо в законите на природата има много малко безразмерни числа.“
Например, когато Планк въведе своята константа h, той осъзна, че тя може да се използва за записване на величина с размери на масата, като се започне с константата на Нютон. Това число сега е известно като стойността на Планк.
Великият квантов физик Пол Дирак (който предсказа съществуването на антиматерия) изведе "проблема с големите числа". Оказва се, че постулирането на този характер на суперсиметрия може да помогне за решаването на проблема. Суперсиметрията също е неразделна част от разбирането как принципите на общата теория на относителността могатбъдете в съответствие с квантовата механика.
Какво е суперсиметрия?
Този параметър, ако съществува, свързва фермионите (частици с половин цяло число, които се подчиняват на принципа на изключване на Паули) с бозони (частици с цяло число, които се подчиняват на така наречената статистика на Бозе, което води до поведението на лазерите и бозе кондензати). На пръв поглед обаче изглежда глупаво да се предлага такава симетрия, защото ако тя се случи в природата, човек би очаквал, че за всеки фермион ще има бозон с абсолютно същата маса и обратно.
С други думи, освен познатия електрон, трябва да има частица, наречена селектор, която няма спин и не се подчинява на принципа на изключване, но във всички останали отношения е същата като електрона. По същия начин, фотон трябва да се отнася до друга частица със спин 1/2 (която се подчинява на принципа на изключване, като електрон) с нулева маса и свойства, подобни на фотоните. Такива частици не са открити. Оказва се обаче, че тези факти могат да бъдат съгласувани и това води до един последен момент относно симетрията.
Пространство
Пропорциите могат да бъдат пропорции на природните закони, но не е задължително да се проявяват в околния свят. Пространството наоколо не е еднородно. Пълно е с всякакви неща, които са на определени места. Въпреки това, от запазването на инерцията човек знае, че законите на природата са симетрични. Но при някои обстоятелства пропорционалност"спонтанно счупен". Във физиката на елементарните частици този термин се използва по-тясно.
Симетрията се казва спонтанно нарушена, ако най-ниското енергийно състояние не е съизмеримо.
Това явление се среща в много случаи в природата:
- При постоянни магнити, където подравняването на завъртанията, което причинява магнетизъм в най-ниско енергийно състояние, нарушава ротационната инвариантност.
- При взаимодействията на π мезони, които притъпяват пропорционалността, наречена хирална.
Въпросът: "Съществува ли суперсиметрията в такова нарушено състояние" сега е обект на интензивни експериментални изследвания. Тя заема умовете на много учени.
Принципи на симетрията и закони за запазване на физическите величини
В науката това правило гласи, че определено измеримо свойство на изолирана система не се променя, докато се развива с течение на времето. Точните закони за запазване включват запасите от енергия, линейния импулс, неговия импулс и електрическия заряд. Има също много правила за приблизително изоставяне, които се прилагат за количества като маси, паритет, лептон и барионно число, странност, хиперзарий и т.н. Тези количества се запазват в определени класове физически процеси, но не във всички.
Теоремата на Нотер
Местният закон обикновено се изразява математически като уравнение на частична диференциална непрекъснатост, което дава съотношението между количеството количество инеговото прехвърляне. Посочва, че номерът, съхранен в точка или обем, може да бъде променен само от този, който влиза или излиза от обема.
От теоремата на Ньотер: всеки закон за запазване е свързан с основния принцип на симетрията във физиката.
Правилата се считат за основни норми на природата с широко приложение в тази наука, както и в други области като химия, биология, геология и инженерство.
Повечето закони са точни или абсолютни. В смисъл, че се прилагат за всички възможни процеси. Според теоремата на Ньотер принципите на симетрията са частични. В смисъл, че са валидни за някои процеси, но не и за други. Тя също така заявява, че има съответствие едно към едно между всеки от тях и диференцируемата пропорционалност на природата.
Особено важни резултати са: принципът на симетрията, законите за запазване, теоремата на Ньотер.
