Naravni svet je zapleten kraj. Harmonije omogočajo ljudem in znanstvenikom, da razlikujejo red v njej. V fiziki se že dolgo razume, da je načelo simetrije tesno povezano z zakoni ohranjanja. Tri najbolj znana pravila so: ohranjanje energije, zagon in zagon. Vztrajnost pritiska je posledica dejstva, da se stališča narave ne spreminjajo v nobenem intervalu. Na primer, v Newtonovem zakonu gravitacije si lahko predstavljamo, da je GN, gravitacijska konstanta, odvisna od časa.
V tem primeru ne bo prihranjena energija. Iz eksperimentalnih iskanj kršitev varčevanja z energijo je mogoče postaviti stroge omejitve za vsako takšno spremembo skozi čas. To načelo simetrije je precej široko in se uporablja tako v kvantni kot v klasični mehaniki. Fiziki včasih ta parameter imenujejo homogenost časa. Podobno je ohranjanje zagona posledica dejstva, da ni posebnega mesta. Tudi če je svet opisan v kartezijanskih koordinatah, zakonov narave to ne bo skrbeloupoštevaj vir.
Ta simetrija se imenuje "translacijska invariantnost" ali homogenost prostora. Končno, ohranjanje kotnega momenta je povezano z znanim načelom harmonije v vsakdanjem življenju. Zakoni narave so nespremenljivi glede na rotacije. Na primer, ni pomembno samo, kako oseba izbere izvor koordinat, ampak ni pomembno, kako izbere orientacijo osi.
Diskretni razred
Načelo prostorsko-časovne simetrije, premika in rotacije se imenujejo neprekinjene harmonije, ker lahko koordinatne osi premaknete za poljubno količino in zasukate za poljuben kot. Drugi razred se imenuje diskreten. Primer harmonije so tako odsevi v ogledalu kot paritet. To načelo dvostranske simetrije imajo tudi Newtonovi zakoni. Treba je samo opazovati gibanje predmeta, ki pada v gravitacijskem polju, in nato preučiti isto gibanje v ogledalu.
Čeprav je pot drugačna, upošteva Newtonove zakone. To pozna vsak, ki je kdaj stal pred čistim, dobro poliranim ogledalom in je zmeden glede tega, kje je bil predmet in kje zrcalna slika. Drug način za opis tega načela simetrije je podobnost med levim in nasprotnim. Na primer, tridimenzionalne kartezijanske koordinate so običajno zapisane po "pravilu desne roke". To pomeni, da pozitivni tok vzdolž osi z leži v smeri, v katero je obrnjen palec, če oseba zavrti desno roko okoli z, začenši pri x Oy in se pomika proti x.
Nekonvencionalnokoordinatni sistem 2 je nasproten. Na njej os Z označuje smer, v kateri bo leva roka. Izjava, da so Newtonovi zakoni invariantni, pomeni, da lahko oseba uporablja kateri koli koordinatni sistem, naravna pravila pa so videti enaka. Omeniti velja tudi, da je paritetna simetrija običajno označena s črko P. Zdaj pa preidimo na naslednje vprašanje.
Operacije in vrste simetrije, načela simetrije
Pariteta ni edina diskretna sorazmernost, ki zanima znanost. Drugo se imenuje časovna sprememba. V Newtonovi mehaniki si lahko predstavljamo video posnetek predmeta, ki pade pod silo gravitacije. Po tem morate razmisliti o zagonu videoposnetka v obratni smeri. Tako premiki "naprej v času" kot "nazaj" bodo upoštevali Newtonove zakone (povratno gibanje lahko opiše situacijo, ki ni zelo verjetna, vendar ne bo kršila zakonov). Časovni obrat je običajno označen s črko T.
Charge konjugacija
Za vsak znani delec (elektron, proton itd.) obstaja antidelec. Ima popolnoma enako maso, vendar nasproten električni naboj. Antidelec elektrona se imenuje pozitron. Proton je antiproton. V zadnjem času so proizvajali in preučevali antivodik. Konjugacija naboja je simetrija med delci in njihovimi antidelci. Očitno nista enaka. Toda načelo simetrije pomeni, da je na primer vedenje elektrona v električnem polju identično delovanju pozitrona v nasprotnem ozadju. Konjugacija naboja je označenačrka C.
Te simetrije pa niso natančna razmerja zakonov narave. Leta 1956 so poskusi nepričakovano pokazali, da je pri vrsti radioaktivnosti, imenovani beta razpad, obstajala asimetrija med levim in desnim. Najprej so ga preučevali pri razpadih atomskih jeder, najlažje pa ga opišemo pri razgradnji negativno nabitega π mezona, še enega močno medsebojno delujočega delca.
Ta pa se razgradi bodisi v mion bodisi v elektron in njihov antinevtrino. Toda razpadi na danem naboju so zelo redki. To je posledica (prek argumenta, ki uporablja posebno relativnost) dejstva, da se koncept vedno pojavi s svojo rotacijo vzporedno s smerjo gibanja. Če bi bila narava simetrična med levo in desno, bi našli polovični čas nevtrina z vzporednim vrtenjem in del z antiparalelom.
To je posledica dejstva, da se v ogledalu smer gibanja ne spreminja, temveč z vrtenjem. S tem je povezan pozitivno nabit π + mezon, antidelec π -. Razpade v elektronski nevtrino z vrtenjem vzporedno s svojim zagonom. To je razlika med njegovim vedenjem. Njegovi antidelci so primer prekinitve konjugacije naboja.
Po teh odkritjih se je pojavilo vprašanje, ali je bila kršena časovna invariantnost T. V skladu s splošnimi načeli kvantne mehanike in relativnosti je kršitev T povezana s C × P, produktom konjugacije obremenitve in pariteta. SR, če je to dobro načelo simetrije, pomeni, da mora razpad π + → e + + ν potekati z enakimhitrost kot π - → e - +. Leta 1964 je bil odkrit primer procesa, ki krši CP, ki vključuje drug niz močno medsebojno delujočih delcev, imenovanih Kmesoni. Izkazalo se je, da imajo ta zrna posebne lastnosti, ki nam omogočajo merjenje rahle kršitve CP. Šele leta 2001 so motnje SR prepričljivo izmerili v razpadih drugega niza, B mezonov.
Ti rezultati jasno kažejo, da je odsotnost simetrije pogosto prav tako zanimiva kot njena prisotnost. Dejansko je Andrej Saharov kmalu po odkritju kršitve SR opazil, da je to nujen element v zakonih narave za razumevanje prevlade snovi nad antimaterijo v vesolju.
Načela
Do sedaj velja, da je ohranjena kombinacija CPT, konjugacije naboja, pariteta, časovnega obrata. To izhaja iz precej splošnih načel relativnosti in kvantne mehanike in je bilo potrjeno z dosedanjimi eksperimentalnimi študijami. Če se ugotovi kakršna koli kršitev te simetrije, bo to imelo globoke posledice.
Zaenkrat so razmerja, o katerih se razpravlja, pomembna, saj vodijo do zakonov ohranjanja ali razmerij med stopnjami reakcij med delci. Obstaja še en razred simetrij, ki dejansko določa veliko sil med delci. Te sorazmernosti so znane kot lokalne ali merilne sorazmernosti.
Ena taka simetrija vodi do elektromagnetnih interakcij. Drugi, po Einsteinovem zaključku, na gravitacijo. Pri postavitvi svojega načela občZnanstvenik je v teoriji relativnosti trdil, da bi morali biti zakoni narave na voljo ne samo zato, da bi bili nespremenljivi, na primer pri hkratnem vrtenju koordinat povsod v vesolju, ampak s kakršno koli spremembo.
Matematiko za opis tega pojava so razvili Friedrich Riemann in drugi v devetnajstem stoletju. Einstein je nekatere delno prilagodil in ponovno izumil za svoje potrebe. Izkazalo se je, da je za pisanje enačb (zakonov), ki upoštevajo to načelo, potrebno uvesti polje, ki je v marsičem podobno elektromagnetnemu (razen, da ima spin dva). Pravilno povezuje Newtonov zakon gravitacije s stvarmi, ki niso preveč masivne, se gibljejo hitro ali ohlapno. Za sisteme, ki so takšni (v primerjavi s svetlobno hitrostjo), splošna teorija relativnosti vodi do številnih eksotičnih pojavov, kot so črne luknje in gravitacijski valovi. Vse to izhaja iz Einsteinove precej neškodljive predstave.
matematika in druge vede
Načela simetrije in ohranitvenih zakonov, ki vodijo do elektrike in magnetizma, so še en primer lokalne sorazmernosti. Za vstop v to se je treba obrniti na matematiko. V kvantni mehaniki so lastnosti elektrona opisane z "valovno funkcijo" ψ(x). Za delo je bistveno, da je ψ kompleksno število. Po drugi strani pa ga lahko vedno zapišemo kot produkt realnega števila ρ in obdobij e iθ. Na primer, v kvantni mehaniki lahko valovno funkcijo pomnožite s konstantno fazo, brez učinka.
Toda če je načelo simetrijeleži na nečem močnejšem, da enačbe niso odvisne od stopenj (natančneje, če je veliko delcev z različnimi naboji, kot v naravi, specifična kombinacija ni pomembna), je treba, kot v splošni relativnosti, uvesti drugačen nabor polj. Te cone so elektromagnetne. Uporaba tega načela simetrije zahteva, da polje upošteva Maxwellove enačbe. To je pomembno.
Danes se razume, da vse interakcije standardnega modela izhajajo iz takih načel lokalne simetrije merilnika. Obstoj pasov W in Z, pa tudi njihove mase, razpolovne dobe in druge podobne lastnosti, je bil uspešno predviden kot posledica teh načel.
Nemerljive številke
Iz več razlogov je bil predlagan seznam drugih možnih načel simetrije. Eden takšnih hipotetičnih modelov je znan kot supersimetrija. Predlagano je bilo iz dveh razlogov. Najprej lahko razloži dolgoletno uganko: "Zakaj je v zakonih narave zelo malo brezdimenzijskih števil."
Na primer, ko je Planck predstavil svojo konstanto h, je spoznal, da bi jo lahko uporabili za pisanje količine z masnimi dimenzijami, začenši z Newtonovo konstanto. Ta številka je zdaj znana kot Planckova vrednost.
Veliki kvantni fizik Paul Dirac (ki je napovedal obstoj antimaterije) je izpeljal "problem velikih števil". Izkazalo se je, da lahko postuliranje te narave supersimetrije pomaga rešiti problem. Supersimetrija je tudi sestavni del razumevanja, kako lahko načela splošne relativnostibodite skladni s kvantno mehaniko.
Kaj je supersimetrija?
Ta parameter, če obstaja, povezuje fermione (delce s pol celim vrtenjem, ki se držijo Paulijevega izključitvenega načela) z bozoni (delci s celim spinom, ki upoštevajo tako imenovano Bosejevo statistiko, kar vodi do vedenja laserjev in Bose kondenzati). Vendar se na prvi pogled zdi neumno predlagati takšno simetrijo, kajti če bi se pojavila v naravi, bi pričakovali, da bi za vsak fermion obstajal bozon s popolnoma enako maso in obratno.
Z drugimi besedami, poleg znanega elektrona mora obstajati tudi delec, imenovan selektor, ki nima spina in ne upošteva načela izključitve, v vseh drugih pogledih pa je enak elektronu. Podobno bi se moral foton nanašati na drug delec s spinom 1/2 (ki upošteva načelo izključitve, kot je elektron) z ničelno maso in lastnostmi, podobnimi fotonom. Takih delcev niso našli. Vendar se je izkazalo, da je ta dejstva mogoče uskladiti in to vodi do zadnje točke o simetriji.
preslednica
Proporcije so lahko razmerja zakonov narave, vendar ni nujno, da se manifestirajo v svetu okolice. Prostor okoli ni enoten. Poln je najrazličnejših stvari, ki so na določenih mestih. Kljub temu pa človek iz ohranjanja zagona ve, da so zakoni narave simetrični. Toda v nekaterih okoliščinah sorazmernost"spontano pokvarjen". V fiziki delcev se ta izraz uporablja ožje.
Simetrija naj bi bila spontano porušena, če najnižje energijsko stanje ni sorazmerno.
Ta pojav se pogosto pojavlja v naravi:
- Pri trajnih magnetih, kjer poravnava vrtljajev, ki povzroči magnetizem v najnižjem energijskem stanju, prekine rotacijsko invariantnost.
- V interakcijah π mezonov, ki izničijo sorazmernost, imenovano kiralno.
Vprašanje: "Ali supersimetrija obstaja v tako zlomljenem stanju" je zdaj predmet intenzivnih eksperimentalnih raziskav. Zavzema misli mnogih znanstvenikov.
Načela simetrije in zakoni ohranjanja fizikalnih veličin
V znanosti to pravilo navaja, da se določena merljiva lastnost izoliranega sistema ne spremeni, ko se sčasoma razvija. Natančni zakoni o ohranjanju vključujejo zaloge energije, linearni gib, njen zagon in električni naboj. Obstaja tudi veliko pravil približnega opuščanja, ki veljajo za količine, kot so mase, pariteta, leptonsko in barionsko število, čudnost, hiperzarij itd. Te količine so ohranjene v določenih razredih fizikalnih procesov, vendar ne v vseh.
Noetherjev izrek
Lokalni zakon je običajno matematično izražen kot enačba delne diferencialne kontinuitete, ki daje razmerje med količino in količinonjen prenos. Navaja, da lahko številko, shranjeno v točki ali obsegu, spremeni samo tisto, ki vstopi ali izstopi iz glasnosti.
Iz Noetherjevega izreka: vsak zakon o ohranitvi je povezan z osnovnim principom simetrije v fiziki.
Pravila veljajo za temeljne norme narave s široko uporabo v tej znanosti, pa tudi na drugih področjih, kot so kemija, biologija, geologija in inženirstvo.
Večina zakonov je natančnih ali absolutnih. V smislu, da veljajo za vse možne procese. Po Noetherjevem izreku so načela simetrije delna. V smislu, da za nekatere procese veljajo, za druge pa ne. Prav tako navaja, da obstaja ena proti ena korespondenca med vsakim od njih in diferencialna sorazmernost narave.
Pomembni rezultati so: načelo simetrije, ohranitveni zakoni, Noetherjev izrek.
