A természeti világ összetett hely. A harmóniák lehetővé teszik az emberek és a tudósok számára, hogy megkülönböztessék a sorrendet benne. A fizikában régóta megértették, hogy a szimmetria elve szorosan összefügg a megmaradás törvényeivel. A három leghíresebb szabály: energiamegmaradás, lendület és lendület. A nyomás fennmaradása annak a következménye, hogy a természet attitűdjei nem változnak időközönként. Például Newton gravitációs törvényében elképzelhető, hogy a GN, a gravitációs állandó az időtől függ.
Ebben az esetben nem takarítható meg az energia. Az energiatakarékossági jogsértésekre irányuló kísérleti kutatásokból az idő múlásával szigorú korlátok szabhatók minden ilyen változásnak. Ez a szimmetriaelv meglehetősen tág, és a kvantum- és a klasszikus mechanikában egyaránt alkalmazható. A fizikusok ezt a paramétert néha az idő homogenitásának nevezik. Hasonlóképpen a lendület megőrzése annak a következménye, hogy nincs különleges hely. Még ha a világot derékszögű koordinátákkal írjuk is le, a természet törvényei nem törődnek ezzelfontolja meg a forrást.
Ezt a szimmetriát "transzlációs invarianciának" vagy a tér homogenitásának nevezik. Végül a szögimpulzus megőrzése összefügg a harmónia megszokott elvével a mindennapi életben. A természet törvényei forgások alatt változatlanok. Például nemcsak az nem mindegy, hogyan választja ki az ember a koordináták origóját, hanem az sem mindegy, hogyan választja meg a tengelyek tájolását.
Diszkrét osztály
A tér-idő szimmetria, az eltolás és az elforgatás elvét folytonos harmóniáknak nevezzük, mivel a koordinátatengelyeket tetszőleges mértékben mozgathatja, és tetszőleges szöggel elforgathatja. A másik osztályt diszkrétnek nevezzük. A harmónia példája a tükörben való tükröződés és a paritás. A Newton-törvények is rendelkeznek a kétoldalú szimmetria elvével. Csak megfigyelni kell egy gravitációs térbe eső tárgy mozgását, majd tükörben tanulmányozni kell ugyanazt a mozgást.
Bár a pálya eltérő, engedelmeskedik Newton törvényeinek. Ezt mindenki ismeri, aki valaha is tiszta, jól fényesített tükör előtt állt, és nem tudja, hol volt a tárgy és hol a tükörkép. A szimmetriaelv leírásának másik módja a bal és az ellentét közötti hasonlóság. Például a háromdimenziós derékszögű koordinátákat általában a "jobbkéz-szabály" szerint írják fel. Ez azt jelenti, hogy a pozitív áramlás a z tengely mentén abban az irányban van, amerre a hüvelykujj mutat, ha a személy a jobb kezét z körül forgatja, x Oy-től kezdve és x felé haladva.
Nem szokványosa 2. koordinátarendszer ellentétes. Rajta a Z-tengely jelzi, hogy a bal kéz milyen irányban lesz. Az az állítás, hogy Newton törvényei változatlanok, azt jelenti, hogy az ember bármilyen koordinátarendszert használhat, és a természet szabályai ugyanúgy néznek ki. És azt is érdemes megjegyezni, hogy a paritásszimmetriát általában P betűvel jelöljük. Most pedig térjünk át a következő kérdésre.
A szimmetria műveletei és típusai, a szimmetria alapelvei
A paritás nem az egyetlen diszkrét arányosság a tudomány szempontjából. A másikat időváltozásnak nevezik. A newtoni mechanikában elképzelhető egy olyan videófelvétel, amelyen a gravitációs erő hatására esik egy tárgy. Ezt követően meg kell fontolnia a videó fordított futtatását. Mind az "időben előre", mind a "hátra" mozgások engedelmeskednek Newton törvényeinek (a fordított mozgás olyan helyzetet írhat le, amely nem túl valószínű, de nem sérti a törvényeket). Az idő megfordítását általában T betűvel jelölik.
Töltés ragozás
Minden ismert részecskének (elektronnak, protonnak stb.) van egy antirészecske. Pontosan azonos tömegű, de ellentétes elektromos töltése van. Az elektron antirészecskéjét pozitronnak nevezzük. A proton egy antiproton. Az utóbbi időben antihidrogént állítanak elő és tanulmányozzák. A töltéskonjugáció a részecskék és antirészecskék közötti szimmetria. Nyilvánvalóan nem ugyanazok. De a szimmetria elve azt jelenti, hogy például egy elektron viselkedése elektromos térben megegyezik egy ellentétes háttérben lévő pozitron viselkedésével. A töltés konjugációját jelöljükC betű
Ezek a szimmetriák azonban nem a természeti törvények pontos arányai. 1956-ban a kísérletek váratlanul kimutatták, hogy a béta-bomlásnak nevezett radioaktivitásban aszimmetria van a bal és a jobb oldal között. Először az atommagok bomlásában tanulmányozták, de legkönnyebben a negatív töltésű π mezon, egy másik erősen kölcsönható részecske bomlásával írható le.
Ez viszont vagy müonná bomlik, vagy elektronokká és antineutrínóikká. De egy adott töltéssel történő bomlás nagyon ritka. Ez annak köszönhető (egy speciális relativitáselméletet használó érvelés révén), hogy egy fogalom mindig a mozgási irányával párhuzamos forgással jön létre. Ha a természet szimmetrikus lenne a bal és a jobb között, akkor a neutrínó felezési idejét a spinje párhuzamos, a részt pedig az antiparalleljával találnánk meg.
Ez annak köszönhető, hogy a tükörben a mozgás iránya nem, hanem forgatás módosul. Ehhez kapcsolódik a pozitív töltésű π + mezon, a π - antirészecske. Lendületével párhuzamos spinnel elektronneutrínóvá bomlik. Ez a különbség a viselkedése között. Antirészecskéi a töltéskonjugáció megszakításának példái.
Ezek a felfedezések után felmerült a kérdés, hogy megsértették-e a T időfordítási invarianciát. A kvantummechanika és a relativitáselmélet általános elvei szerint a T megsértése a C × P-hez, a konjugáció szorzatához kapcsolódik. díjak és paritás. SR, ha ez egy jó szimmetriaelv, azt jelenti, hogy a π + → e + + ν bomlásnak ugyanannak kell lenniesebesség, mint π - → e - +. 1964-ben egy példát fedeztek fel egy olyan folyamatra, amely megsérti a CP-t, amely egy másik, erősen kölcsönható részecskék csoportját, a Kmesons-t is magában foglalja. Kiderült, hogy ezek a szemek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a CP enyhe megsértésének mérését. Csak 2001-ben sikerült meggyőzően mérni az SR zavart egy másik halmaz, a B mezonok bomlásaiban.
Ezek az eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a szimmetria hiánya gyakran ugyanolyan érdekes, mint annak jelenléte. Valóban, nem sokkal az SR megsértésének felfedezése után Andrej Szaharov megjegyezte, hogy ez a természeti törvények szükséges összetevője ahhoz, hogy megértsük az anyagnak az antianyaggal szembeni túlsúlyát a világegyetemben.
Elvek
Eddig úgy gondolták, hogy a CPT, a töltéskonjugáció, a paritás, az időfordítás kombinációja megmaradt. Ez a relativitáselmélet és a kvantummechanika meglehetősen általános elveiből következik, és az eddigi kísérleti vizsgálatok is megerősítették. Ha ezt a szimmetriát megsértik, annak súlyos következményei lesznek.
Eddig a tárgy alt arányok azért fontosak, mert megmaradási törvényekhez vagy a részecskék közötti reakciósebesség közötti összefüggésekhez vezetnek. A szimmetriáknak van egy másik osztálya is, amely valójában meghatározza a részecskék közötti erők nagy részét. Ezeket az arányosságokat helyi vagy nyomtávú arányosságnak nevezzük.
Egy ilyen szimmetria elektromágneses kölcsönhatásokhoz vezet. A másik, Einstein következtetése szerint, a gravitációra. Általános elvének megfogalmazásábanA relativitáselméletben a tudós azzal érvelt, hogy a természet törvényeinek nem csak azért kell rendelkezésre állniuk, hogy változatlanok legyenek, például a koordináták egyidejű elforgatásakor a térben mindenhol, hanem bármilyen változás esetén is.
A jelenség leírására szolgáló matematikát Friedrich Riemann és mások fejlesztették ki a 19. században. Einstein részben adaptált és újra feltalált néhányat saját igényeinek megfelelően. Kiderült, hogy ennek az elvnek engedelmeskedő egyenletek (törvények) felírásához olyan mezőt kell bevezetni, amely sok tekintetben hasonlít az elektromágneseshez (kivéve, hogy két spinje van). Helyesen összekapcsolja Newton gravitációs törvényét a nem túl masszív, gyorsan mozgó vagy laza dolgokkal. Az ilyen rendszerek esetében (a fénysebességhez képest) az általános relativitáselmélet számos egzotikus jelenséghez vezet, mint például a fekete lyukak és a gravitációs hullámok. Mindez Einstein meglehetősen ártalmatlan elképzeléséből fakad.
Matematika és egyéb tudományok
A szimmetria elvei és a megmaradási törvények, amelyek elektromossághoz és mágnesességhez vezetnek, a helyi arányosság egy másik példája. Ennek belépéséhez a matematika felé kell fordulni. A kvantummechanikában az elektron tulajdonságait a ψ(x) "hullámfüggvény" írja le. A munkához elengedhetetlen, hogy ψ komplex szám legyen. Ez viszont mindig felírható egy valós szám (ρ) és periódusok (e iθ) szorzataként. Például a kvantummechanikában hatás nélkül megszorozhatja a hullámfüggvényt az állandó fázissal.
De ha a szimmetria elvevalami erősebben rejlik, hogy az egyenletek nem függenek a fokozatoktól (pontosabban, ha sok különböző töltésű részecske van, mint a természetben, akkor a konkrét kombináció nem fontos), be kell vezetni, mint az általános relativitáselméletben. eltérő mezőkészlet. Ezek a zónák elektromágnesesek. Ennek a szimmetria-elvnek az alkalmazása megköveteli, hogy a mező engedelmeskedjen a Maxwell-egyenleteknek. Ez fontos.
Ma a szabványos modell összes interakciója a helyi nyomtáv szimmetria ilyen elveiből következik. A W és Z sávok létezését, valamint tömegüket, felezési idejüket és más hasonló tulajdonságaikat sikeresen megjósolták ezeknek az elveknek a következményeként.
Mérhetetlen számok
Számos okból javasoltak egy listát más lehetséges szimmetriaelvekről. Az egyik ilyen hipotetikus modell szuperszimmetria néven ismert. Két okból javasolták. Először is megmagyarázhat egy régóta fennálló rejtvényt: "Miért van nagyon kevés dimenzió nélküli szám a természet törvényeiben."
Például amikor Planck bevezette a h állandóját, rájött, hogy fel lehet vele írni egy mennyiséget tömegdimenziókkal, kezdve a Newton-állandóval. Ez a szám most Planck-értékként ismert.
A nagy kvantumfizikus, Paul Dirac (aki megjósolta az antianyag létezését) levezette a „nagy számok problémáját”. Kiderült, hogy a szuperszimmetria ilyen természetének feltételezése segíthet a probléma megoldásában. A szuperszimmetria az általános relativitáselmélet alapelveinek megértéséhez is elengedhetetlenlegyen összhangban a kvantummechanikával.
Mi a szuperszimmetria?
Ez a paraméter, ha létezik, a fermionokat (fél-egész spinű részecskéket, amelyek engedelmeskednek a Pauli-elvnek) a bozonokhoz (egész spinű részecskékhez, amelyek az úgynevezett Bose-statisztikának engedelmeskednek, ami a lézerek viselkedéséhez vezet és Bose kondenzátumok). Első pillantásra azonban butaságnak tűnik ilyen szimmetriát javasolni, mert ha a természetben előfordulna, akkor azt várnánk, hogy minden fermionhoz pontosan azonos tömegű bozon tartozik, és fordítva.
Vagyis az ismerős elektronon kívül kell lennie egy szelektornak nevezett részecskenak, aminek nincs spinje és nem engedelmeskedik a kizárási elvnek, de minden más tekintetben megegyezik az elektronnal. Hasonlóképpen, a fotonnak egy másik részecskére kell utalnia, amelynek spinje 1/2 (amely a kizárási elvnek engedelmeskedik, mint egy elektron), amelynek tömege nulla, és a fotonokhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Ilyen részecskéket nem találtak. Kiderült azonban, hogy ezek a tények összeegyeztethetők, és ez egy utolsó ponthoz vezet a szimmetriával kapcsolatban.
Space
Az arányok a természet törvényeinek arányai lehetnek, de nem feltétlenül kell megnyilvánulniuk a környező világban. A környező tér nem egyenletes. Tele van mindenféle dologgal, ami bizonyos helyeken van. Ennek ellenére a lendület megmaradásából az ember tudja, hogy a természet törvényei szimmetrikusak. De bizonyos körülmények között arányosság"spontán eltört". A részecskefizikában ezt a kifejezést szűkebben használják.
A szimmetriáról azt mondják, hogy spontán megbomlik, ha a legalacsonyabb energiaállapot nem arányos.
Ez a jelenség sok esetben előfordul a természetben:
- Permanens mágnesekben, ahol a legalacsonyabb energiaállapotú mágnesességet okozó pörgésbeállítás megtöri a forgási invarianciát.
- A π mezonok kölcsönhatásaiban, amelyek tompítják a királisnak nevezett arányosságot.
A kérdés: "Létezik-e szuperszimmetria ilyen törött állapotban" most intenzív kísérleti kutatás tárgya. Sok tudóst foglalkoztat.
A szimmetria elvei és a fizikai mennyiségek megmaradásának törvényei
A tudományban ez a szabály kimondja, hogy egy elszigetelt rendszer adott mérhető tulajdonsága nem változik, ahogyan az idővel fejlődik. A pontos megmaradási törvények közé tartozik az energiatartalék, a lineáris impulzus, annak lendülete és az elektromos töltés. A hozzávetőleges elhagyásnak számos szabálya is vonatkozik olyan mennyiségekre, mint például tömegek, paritás, lepton- és barionszám, furcsaság, hiperzary stb. Ezek a mennyiségek a fizikai folyamatok bizonyos osztályaiban megmaradnak, de nem mindegyikben.
Noether tétele
A helyi törvényeket általában matematikailag egy parciális differenciális folytonossági egyenletként fejezik ki, amely megadja a mennyiségi mennyiség és a mennyiség közötti arányt.annak átadása. Kimondja, hogy egy pontban vagy kötetben tárolt számot csak a kötetbe belépő vagy kilépő szám módosíthatja.
Noether tételéből: minden megmaradási törvény összefügg a fizika szimmetria alapelvével.
A szabályokat a természet alapvető normáinak tekintik, és széles körben alkalmazzák ebben a tudományban, valamint más területeken, például a kémiában, a biológiában, a geológiában és a műszaki tudományokban.
A legtöbb törvény pontos vagy abszolút. Abban az értelemben, hogy minden lehetséges folyamatra vonatkoznak. Noether tétele szerint a szimmetriaelvek parciálisak. Abban az értelemben, hogy bizonyos folyamatokra érvényesek, másokra nem. Azt is kijelenti, hogy mindegyikük és a természet differenciálható arányossága között egy az egyhez megfelelés van.
Különösen fontos eredmények: a szimmetriaelv, a megmaradási törvények, a Noether-tétel.
