Den naturlige verden er et komplekst sted. Harmonier lar mennesker og forskere skille rekkefølgen i den. I fysikk har det lenge vært forstått at symmetriprinsippet er nært knyttet til bevaringslovene. De tre mest kjente reglene er: bevaring av energi, momentum og momentum. Vedvarende press er en konsekvens av at naturens holdninger ikke endres med noe intervall. For eksempel, i Newtons tyngdelov kan man tenke seg at GN, gravitasjonskonstanten, avhenger av tid.
I dette tilfellet vil ingen energi bli spart. Fra eksperimentelle søk etter brudd på energisparing kan det settes strenge grenser for enhver slik endring over tid. Dette symmetriprinsippet er ganske bredt og brukes i kvante så vel som i klassisk mekanikk. Fysikere refererer noen ganger til denne parameteren som tidens homogenitet. På samme måte er bevaring av momentum en konsekvens av at det ikke er noe spesielt sted. Selv om verden beskrives i form av kartesiske koordinater, vil naturlovene ikke bry seg om detvurder kilden.
Denne symmetrien kalles "translasjonell invarians" eller homogenitet i rommet. Til slutt er bevaring av vinkelmomentum relatert til det velkjente prinsippet om harmoni i hverdagen. Naturlovene er invariante under rotasjoner. For eksempel spiller det ingen rolle hvordan en person velger opprinnelsen til koordinatene, men det spiller ingen rolle hvordan han velger orienteringen til aksene.
Diskret klasse
Prinsippet for rom-tidssymmetri, forskyvning og rotasjon kalles kontinuerlige harmonier, fordi du kan flytte koordinataksene med en hvilken som helst vilkårlig mengde og rotere med en vilkårlig vinkel. Den andre klassen kalles diskret. Et eksempel på harmoni er både refleksjoner i et speil og paritet. Newtons lover har også dette prinsippet om bilateral symmetri. Man trenger bare å observere bevegelsen til et objekt som faller i et gravitasjonsfelt, og deretter studere den samme bevegelsen i et speil.
Selv om banen er annerledes, følger den Newtons lover. Dette er kjent for alle som noen gang har stått foran et rent, velpolert speil og er forvirret over hvor objektet var og hvor speilbildet var. En annen måte å beskrive dette symmetriprinsippet på er likheten mellom venstre og motsatt. For eksempel skrives tredimensjonale kartesiske koordinater vanligvis i henhold til "høyrehåndsregelen". Det vil si at den positive strømmen langs z-aksen ligger i retningen som tommelen peker hvis personen roterer høyre hånd rundt z, starter ved x Oy og beveger seg mot x.
Ukonvensjoneltkoordinatsystem 2 er motsatt. På den indikerer Z-aksen retningen som venstre hånd vil være. Utsagnet om at Newtons lover er invariante betyr at en person kan bruke et hvilket som helst koordinatsystem, og naturens regler ser like ut. Og det er også verdt å merke seg at paritetssymmetri vanligvis betegnes med bokstaven P. La oss nå gå videre til neste spørsmål.
Operasjoner og typer symmetri, prinsipper for symmetri
Paritet er ikke den eneste diskrete proporsjonaliteten av interesse for vitenskap. Den andre kalles tidsendring. I newtonsk mekanikk kan man tenke seg et videoopptak av et objekt som faller under tyngdekraften. Etter det må du vurdere å kjøre videoen i revers. Både "fremover i tid" og "bakover" trekk vil adlyde Newtons lover (omvendt bevegelse kan beskrive en situasjon som ikke er veldig plausibel, men det vil ikke bryte med lovene). Tidsreversering er vanligvis merket med bokstaven T.
Charge conjugation
For hver kjent partikkel (elektron, proton, etc.) er det en antipartikkel. Den har nøyaktig samme masse, men motsatt elektrisk ladning. Antipartikkelen til et elektron kalles et positron. Et proton er et antiproton. Nylig har antihydrogen blitt produsert og studert. Ladningskonjugering er en symmetri mellom partikler og deres antipartikler. De er tydeligvis ikke de samme. Men prinsippet om symmetri betyr at for eksempel oppførselen til et elektron i et elektrisk felt er identisk med handlingene til et positron i motsatt bakgrunn. Ladningskonjugering er angittbokstav C.
Disse symmetriene er imidlertid ikke nøyaktige proporsjoner av naturlovene. I 1956 viste eksperimenter uventet at i en type radioaktivitet k alt beta-forfall, var det en asymmetri mellom venstre og høyre. Den ble først studert i forfall av atomkjerner, men den er enklest beskrevet i dekomponeringen av den negativt ladede π-mesonen, en annen sterkt interagerende partikkel.
Den brytes i sin tur ned enten til en myon eller til et elektron og deres antinøytrino. Men forfall på en gitt ladning er svært sjeldne. Dette skyldes (gjennom et argument som bruker spesiell relativitet) at et begrep alltid dukker opp med rotasjonen parallelt med bevegelsesretningen. Hvis naturen var symmetrisk mellom venstre og høyre, ville man finne nøytrinohalvtiden med spinn parallelt og delen med antiparallell.
Dette skyldes at bevegelsesretningen i speilet ikke endres, men ved rotasjon. Tilknyttet dette er positivt ladet π + meson, antipartikkelen π -. Det forfaller til et elektronnøytrino med et parallelt spinn til momentumet. Dette er forskjellen mellom oppførselen hans. Antipartiklene er et eksempel på brudd på ladningskonjugering.
Etter disse oppdagelsene ble spørsmålet reist om tidsreverseringsinvariansen T hadde blitt brutt. I henhold til de generelle prinsippene for kvantemekanikk og relativitet er bruddet på T relatert til C × P, produktet av konjugering av avgifter og paritet. SR, hvis dette er et godt symmetriprinsipp betyr at forfallet π + → e + + ν må gå med det sammehastighet som π - → e - +. I 1964 ble et eksempel på en prosess som bryter med CP oppdaget som involverer et annet sett med sterkt interagerende partikler k alt Kmesons. Det viser seg at disse kornene har spesielle egenskaper som lar oss måle et lite brudd på CP. Det var ikke før i 2001 at SR-forstyrrelser ble overbevisende målt i forfallet til et annet sett, B mesons.
Disse resultatene viser tydelig at fraværet av symmetri ofte er like interessant som tilstedeværelsen av det. Kort tid etter oppdagelsen av SR-brudd, bemerket Andrei Sakharov at det er en nødvendig komponent i naturlovene for å forstå materiens overvekt over antimaterie i universet.
Principles
Inntil nå er det antatt at kombinasjonen av CPT, ladningskonjugering, paritet, tidsreversering, er bevart. Dette følger av de ganske generelle prinsippene for relativitet og kvantemekanikk, og har blitt bekreftet av eksperimentelle studier til dags dato. Hvis det blir funnet noe brudd på denne symmetrien, vil det få store konsekvenser.
Foreløpig er proporsjonene under diskusjon viktige ved at de fører til bevaringslover eller forhold mellom reaksjonshastigheter mellom partikler. Det er en annen klasse av symmetrier som faktisk bestemmer mange av kreftene mellom partikler. Disse proporsjonalitetene er kjent som lokale eller gauge proporsjonaliteter.
En slik symmetri fører til elektromagnetiske interaksjoner. Den andre, i Einsteins konklusjon, til tyngdekraften. Ved å legge frem sitt generelle prinsippI relativitetsteorien hevdet forskeren at naturlovene ikke bare burde være tilgjengelige for at de skal være invariante, for eksempel når koordinater roterer samtidig over alt i rommet, men med enhver endring.
Matematikken for å beskrive dette fenomenet ble utviklet av Friedrich Riemann og andre på det nittende århundre. Einstein tilpasset og gjenoppfant noen for sine egne behov. Det viser seg at for å skrive ligninger (lover) som følger dette prinsippet, er det nødvendig å introdusere et felt som på mange måter ligner elektromagnetisk (bortsett fra at det har et spinn på to). Den kobler Newtons tyngdelov til ting som ikke er for massive, beveger seg raskt eller løse. For systemer som er slik (sammenlignet med lysets hastighet), fører generell relativitetsteori til mange eksotiske fenomener som sorte hull og gravitasjonsbølger. Alt dette stammer fra Einsteins ganske uskyldige forestilling.
Matematikk og andre vitenskaper
Prinsippene for symmetri og bevaringslover som fører til elektrisitet og magnetisme er et annet eksempel på lokal proporsjonalitet. For å komme inn i dette må man vende seg til matematikk. I kvantemekanikk er egenskapene til et elektron beskrevet av "bølgefunksjonen" ψ(x). Det er vesentlig for arbeidet at ψ er et komplekst tall. Det kan på sin side alltid skrives som produktet av et reelt tall, ρ, og perioder, e iθ. For eksempel, i kvantemekanikk kan du multiplisere bølgefunksjonen med den konstante fasen, uten effekt.
Men hvis prinsippet om symmetriligger på noe sterkere, at ligningene ikke avhenger av stadiene (mer presist, hvis det er mange partikler med forskjellige ladninger, som i naturen, er den spesifikke kombinasjonen ikke viktig), er det nødvendig, som i generell relativitetsteori, å introdusere et annet sett med felt. Disse sonene er elektromagnetiske. Anvendelsen av dette symmetriprinsippet krever at feltet følger Maxwells ligninger. Dette er viktig.
I dag er alle interaksjoner av standardmodellen forstått å følge av slike prinsipper for lokal målersymmetri. Eksistensen av W- og Z-båndene, så vel som deres masse, halveringstid og andre lignende egenskaper, har blitt forutsagt med suksess som en konsekvens av disse prinsippene.
Umålelige tall
Av en rekke årsaker er det foreslått en liste over andre mulige symmetriprinsipper. En slik hypotetisk modell er kjent som supersymmetri. Det ble foreslått av to grunner. For det første kan det forklare en langvarig gåte: "Hvorfor er det veldig få dimensjonsløse tall i naturlovene."
For eksempel, da Planck introduserte konstanten h, skjønte han at den kunne brukes til å skrive en mengde med massedimensjoner, og starter med Newtons konstant. Dette tallet er nå kjent som Planck-verdien.
Den store kvantefysikeren Paul Dirac (som spådde eksistensen av antimaterie) utledet "problemet med store tall". Det viser seg at å postulere denne typen supersymmetri kan bidra til å løse problemet. Supersymmetri er også integrert for å forstå hvordan prinsippene for generell relativitet kanvære konsistent med kvantemekanikk.
Hva er supersymmetri?
Denne parameteren, hvis den eksisterer, relaterer fermioner (partikler med halvt heltallsspinn som overholder Pauli-ekskluderingsprinsippet) til bosoner (partikler med heltallspinn som overholder såk alt Bose-statistikk, som fører til atferden til lasere og Bose-kondensater). Ved første øyekast virker det imidlertid dumt å foreslå en slik symmetri, for hvis den skulle forekomme i naturen, ville man forvente at det for hver fermion ville være en boson med nøyaktig samme masse, og omvendt.
Med andre ord, i tillegg til det kjente elektronet, må det være en partikkel som kalles en selektor, som ikke har noe spinn og ikke følger eksklusjonsprinsippet, men i alle andre henseender er det det samme som elektronet. På samme måte bør et foton referere til en annen partikkel med spinn 1/2 (som følger eksklusjonsprinsippet, som et elektron) med null masse og egenskaper omtrent som fotoner. Slike partikler er ikke funnet. Det viser seg imidlertid at disse fakta kan forenes, og dette leder til et siste poeng om symmetri.
Space
Proporsjoner kan være proporsjoner av naturlovene, men trenger ikke nødvendigvis å være manifestert i omverdenen. Plassen rundt er ikke ensartet. Den er fylt med alle mulige ting som er på bestemte steder. Likevel, fra bevaring av momentum, vet mennesket at naturlovene er symmetriske. Men i noen tilfeller proporsjonalitet"spontant ødelagt". I partikkelfysikk brukes dette begrepet mer snevert.
Symmetri sies å brytes spontant hvis den laveste energitilstanden ikke er tilsvarende.
Dette fenomenet forekommer i mange tilfeller i naturen:
- I permanente magneter, der justeringen av spinn som forårsaker magnetisme i den laveste energitilstanden bryter rotasjonsinvariansen.
- I samspillet mellom π-mesoner, som gjør proporsjonaliteten k alt chiral sløv.
Spørsmålet: "Eksisterer supersymmetri i en så ødelagt tilstand" er nå gjenstand for intens eksperimentell forskning. Det opptar hodet til mange forskere.
Prinsipp for symmetri og lover for bevaring av fysiske mengder
I vitenskapen sier denne regelen at en bestemt målbar egenskap til et isolert system ikke endres etter hvert som det utvikler seg over tid. De eksakte bevaringslovene inkluderer reservene av energi, lineært momentum, dets momentum og elektrisk ladning. Det er også mange regler for omtrentlig forlatelse som gjelder for mengder som masser, paritet, lepton- og baryontall, merkelighet, hyperzary, etc. Disse mengdene er bevart i visse klasser av fysiske prosesser, men ikke i alle.
Noethers teorem
Lokal lov uttrykkes vanligvis matematisk som en partiell differensialkontinuitetsligning som gir forholdet mellom mengde mengde ogdens overføring. Den sier at nummeret som er lagret i et punkt eller volum kun kan endres av det som går inn eller ut av volumet.
Fra Noethers teorem: hver bevaringslov er relatert til det grunnleggende prinsippet om symmetri i fysikk.
Regler regnes som grunnleggende naturnormer med bred anvendelse i denne vitenskapen, så vel som i andre felt som kjemi, biologi, geologi og ingeniørfag.
De fleste lover er presise eller absolutte. I den forstand at de gjelder alle mulige prosesser. Ved Noethers teorem er symmetriprinsippene partielle. I den forstand at de er gyldige for noen prosesser, men ikke for andre. Hun uttaler også at det er en en-til-en-korrespondanse mellom hver av dem og naturens differensierbare proporsjonalitet.
Spesielt viktige resultater er: symmetriprinsippet, bevaringslover, Noethers teorem.
