Princípy symetrie a zákonov o ochrane

Prírodný svet je komplikované miesto. Harmónie umožňujú ľuďom a vedcom rozlíšiť poradie v ňom. Fyzika už dávno pochopila, že princíp symetrie úzko súvisí so zákonmi ochrany. Tri najznámejšie pravidlá sú: úspora energie, hybnosť a jej moment. Zachovanie tlaku je dôsledkom skutočnosti, že zariadenia prírody nemeňte v žiadnych intervaloch. Napríklad v Newtonovom gravitačnom zákone si moŽno predstaviť, že GN, gravitačná konštanta, závisí od času.

V tomto prípade sa energia neuloží. Z experimentálneho hľadania porušenia úspory energie je možné stanoviť prísne limity pre každú takúto zmenu času. Tento princíp symetrie je pomerne široký a uplatňuje sa v kvantovej aj klasickej mechanike. Fyzici niekedy nazývajú tento parameter jednotnosťou času. Podobne zachovanie hybnosti je dôsledkom skutočnosti, že neexistuje žiadne zvláštne miesto. Aj keď popíšeme svet pomocou karteziánskych súradníc, zákony prírody sa nestarajú o to, čo sa považuje za zdroj.

Táto symetria sa nazýva "translačná invariantnosť" alebo jednotnosť priestoru. Nakoniec je zachovanie hybnosti spojené so známym princípom harmónie v každodennom živote. Zákony prírody sú nemenné, pokiaľ ide o rotácie. Napríklad nielenže nezáleží na tom, ako si človek vyberie pôvod, ale tiež nezáleží na tom, ako si vyberie orientáciu osí.

Diskrétna trieda

Princíp časopriestorovej symetrie, posunu a rotácie sa nazýva kontinuálne harmónie, pretože je možné pohybovať súradnicovými osami ľubovoľným množstvom a otáčať sa o ľubovoľný uhol. Druhá trieda sa nazýva diskrétna. Príkladom harmónie je odraz v zrkadle aj parita. Newtonove zákony majú tiež tento princíp obojstrannej symetrie. Človek musí iba pozorovať pohyb objektu padajúceho do gravitačného poľa a potom študovať ten istý kurz v zrkadle.

Aj keď je trajektória iná, riadi sa Newtonovými zákonmi. Toto je známe každému, kto niekedy stál pred čistým, dobre vylešteným zrkadlom a bol zmätený z toho, kde bol predmet a kde bol zrkadlový obraz. Ďalším spôsobom, ako opísať tento princíp symetrie, je podobnosť medzi ľavicou a opakom. Napríklad trojrozmerné karteziánske súradnice sa zvyčajne píšu podľa "pravidla pravej ruky". To znamená, že kladný tok pozdĺž osi z leží v smere, v ktorom palec ukazuje, ak človek otočí pravú ruku okolo z, počnúc x Ou a presunutím do x.

Nekonvenčný súradnicový systém 2 je opačný. Na ňom os Z označuje smer, v ktorom bude ľavá ruka. Tvrdenie, že Newtonove zákony sú invariantné, znamená, že človek môže používať akýkoľvek súradnicový systém a pravidlá prírody vyzerajú rovnako. A tiež stojí za zmienku, že paritná symetria sa zvyčajne označuje písmenom P. Teraz prejdime k ďalšej otázke.

Operácie a typy symetrie, princípy symetrie

Parita nie je jedinou diskrétnou proporcionalitou záujmu vedy. Druhá sa nazýva zmena času. V Newtonovskej mechanike si moŽno predstaviť videozáznam objektu spadajúceho pod vplyvom gravitácie. Potom musíte zvážiť spustenie videa v opačnom smere. Pohyby "vpred v čase" aj "dozadu" sa budú riadiť Newtonovými zákonmi (spätný pohyb môže popisovať situáciu, ktorá nie je veľmi pravdepodobná, ale nebude porušovať zákony). Obrátenie času je zvyčajne označené písmenom T.

Nabíjacia spojka

Pre každú známu časticu (elektrón, protón atď. E.) Existuje antičastica. Má presne rovnakú hmotnosť, ale opačný elektrický náboj. Antičastica elektrónu sa nazýva pozitrón. A protón je antiprotón. Nedávno bol vyrobený a študovaný antihydrogén. Konjugácia náboja je symetria medzi časticami a ich antičasticami. Je zrejmé, že to nie je to isté. Princíp symetrie však znamená, že napríklad správanie elektrónu v elektrickom poli je totožné s pôsobením pozitrónu na opačnom pozadí. Konjugácia náboja je označená písmenom C.

Tieto symetrie však nie sú presnými proporcionalitami prírodných zákonov. V roku 1956 experimenty neočakávane ukázali, že pri type rádioaktivity nazývanej beta rozpad existuje asymetria medzi ľavou a pravou stranou. Prvýkrát bol študovaný v rozpadoch atómových jadier, ale najľahšie je opísaný v rozklade negatívne nabitého π-mezónu, ďalšej silne interagujúcej častice.

Na druhej strane sa rozkladá buď na mión alebo elektrón a ich antineutrín. Ale rozpady na tento náboj sú veľmi zriedkavé. Je to spôsobené (prostredníctvom argumentu, ktorý používa špeciálnu relativitu) skutočnosťou, že koncept vždy vzniká s jeho rotáciou rovnobežnou so smerom jeho pohybu. Ak by príroda bola symetrická medzi ľavou a pravou, dalo by sa nájsť neutríno polovicu času s jeho rotáciou paralelne a časť s jeho antiparalelným.

Je to spôsobené tým, že v zrkadle nie je smer pohybu Modifikovaný, ale rotáciou. S tým je spojený kladne nabitý π + mezón, antičastica π -. Rozpadá sa na elektrónové neutríno s paralelným spinom k jeho hybnosti. To je rozdiel medzi jeho správanie. Jeho antičastice sú príkladom porušenia invariantnosti konjugácie náboja.

Po týchto objavoch bola položená otázka, či bola porušená invariantnosť obrátenia času T. Podľa všeobecných princípov kvantovej mechaniky a relativity je porušenie T spojené s C × P, produktom konjugácie nábojov a paritou. z CP, ak je to dobrý princíp symetrie, znamená to, že rozpad π + → e + + v by mal ísť rovnakou rýchlosťou ako π - → e - +. V roku 1964 bol objavený príklad procesu, ktorý porušuje CP, zahŕňajúci ďalšiu sadu silne interagujúcich častíc nazývaných Kmezóny. Ukazuje sa, že tieto zrná majú špeciálne vlastnosti, ktoré vám umožňujú merať menšie porušenie CP. Iba v dvetisíc jeden rozpad CP bol presvedčivo meraný v rozpadoch inej sady, B-mezónov.

Tieto výsledky jasne ukazujú, že absencia symetrie je často rovnako zaujímavá ako jej prítomnosť. V skutočnosti, krátko po objavení porušenia SR, Andrei Sacharov poznamenal, že je nevyhnutnou súčasťou prírodných zákonov na pochopenie prevahy hmoty nad antihmotou vo vesmíre.

Zásada

Stále sa verí, že kombinácia CPT, konjugácia nábojov, parita, obrátenie času sú zachované. Vyplýva to z pomerne všeobecných princípov relativity a kvantovej mechaniky a v súčasnosti to potvrdzujú experimentálne štúdie. Ak sa zistí akékoľvek porušenie tejto symetrie, bude to mať hlboké následky.

Doteraz diskutované proporcionality sú dôležité, pretože vedú k zákonom o ochrane alebo vzťahom medzi reakčnými rýchlosťami medzi časticami. Existuje ďalšia trieda symetrií, ktorá v skutočnosti definuje veľa síl medzi časticami. Tieto proporcionality sú známe ako miestne alebo rozchodové proporcionality.

Jedna takáto symetria vedie k elektromagnetickým interakciám. Druhým, podľa Einsteinovho záveru, je gravitácia. Pri prezentácii svojho princípu všeobecnej relativity vedec tvrdil, že prírodné zákony by mali byť prístupné nielen preto, aby boli invariantné, napríklad keď sa Súradnice otáčajú súčasne všade vo vesmíre, ale s akoukoľvek zmenou.

Matematiku na opis tohto javu vyvinul Friedrich Riemann a ďalší v devätnástom storočí. Einstein sa čiastočne prispôsobil a niektoré znovu objavil pre svoje potreby. Ukazuje sa, že na písanie rovníc (zákonov), ktoré sa riadia týmto princípom, je potrebné zaviesť pole, ktoré je v mnohom podobné elektromagnetickému (okrem toho, že má spin two). Správne spája Newtonov gravitačný zákon s vecami, ktoré nie sú príliš masívne, nepohybujú sa rýchlo ani voľne. Pre systémy, ktoré sú také (v porovnaní s rýchlosťou svetla), vedie všeobecná relativita k rôznym exotickým javom, ako sú čierne diery a gravitačné vlny. To všetko vyplýva z dosť neškodného konceptu Einsteina.

Matematika a iné vedy

Princípy symetrie a zákonov o ochrane, ktoré vedú k elektrine a magnetizmu, sú ďalším príkladom miestnej proporcionality. Ak to chcete zadať, musíte sa obrátiť na matematiku. V kvantovej mechanike sú vlastnosti elektrónu opísané "vlnovou funkciou" ψ (x). Pre prevádzku , je mimoriadne dôležité, aby ψ bolo komplexné číslo. To zase môže byť vždy napísané ako súčin reálneho čísla, p a periód, e i. Napríklad v kvantovej mechanike môžete vlnovú funkciu vynásobiť konštantnou fázou bez účinku.

Ale ak je princíp symetrie založený na niečom silnejšom, že rovnice nezávisia od etáp (presnejšie, ak existuje veľa častíc s rôznymi nábojmi, ako v prírode, špecifická kombinácia nie je dôležitá), je to nevyhnutné, ako v všeobecný relativita, zaviesť inú množinu polí. Tieto zóny sú elektromagnetické. Aplikácia tohto princípu symetrie vyžaduje, aby sa pole riadilo Maxwellovými rovnicami. Je to dôležité.

Dnes sa všetky interakcie štandardného modelu chápu tak, že vyplývajú z takýchto princípov symetrie miestneho rozchodu. Existencia zón W A Z, ako aj ich hmotnosti, polčasy rozpadu a ďalšie podobné vlastnosti boli úspešne predpovedané v dôsledku týchto princípov.

Nezmerateľné čísla

Z mnohých dôvodov bol navrhnutý zoznam ďalších možných princípov symetrie. Jeden z týchto hypotetických modelov je známy ako supersymetria. Bolo navrhnuté z dvoch dôvodov. V prvom rade to môže vysvetliť dlhotrvajúce tajomstvo: "Prečo je v prírodných zákonoch veľmi málo bezrozmerných čísel".

Napríklad, keď Planck predstavil svoju konštantu h, uvedomil si, že sa dá použiť na napísanie veličiny s rozmermi hmoty, počnúc Newtonovou konštantou. Toto množstvo je teraz známe ako planckove množstvo.

Veľký kvantový fyzik Paul Dirac (ktorý predpovedal existenciu antihmoty) odvodil "problém veľkého počtu". Ukazuje sa, že postulovanie tejto povahy supersymetrie môže pomôcť pri riešenie problému. Supersymetria je tiež neoddeliteľnou súčasťou pochopenia toho, ako je možné zosúladiť princípy všeobecnej relativity s kvantovou mechanikou.

Čo je supersymetria??

Tento parameter, ak existuje, spája fermióny (častice s polovičným celočíselným spinom, ktoré sa riadia Pauliho vylučovacím princípom) s bozónmi (zrná s celým spinom, ktoré sa riadia takzvanou štatistikou Bose, čo vedie k správaniu laserov a Bose kondenzátov). Na prvý pohľad sa však zdá hlúpe navrhovať takúto symetriu, pretože ak by sa prejavila v prírode, dalo by sa očakávať, že pre každý fermión bude bozón s presne rovnakou hmotnosťou a naopak.

Inými slovami, okrem známeho elektrónu musí existovať častica nazývaná selektor, ktorá nemá spin a nedodržiava princíp vylúčenia, ale vo všetkých ostatných ohľadoch je rovnaká ako elektrón. Podobne by fotón mal obsahovať ďalšiu časticu so spinom 1/2 (ktorá sa riadi princípom vylúčenia, ako elektrón) s nulovou hmotnosťou a vlastnosťami podobnými fotónom. Žiadne takéto častice neboli nájdené. Ukazuje sa však, že tieto skutočnosti je možné zosúladiť, a to vedie k poslednému bodu symetrie.

Priestor

Proporcionality môžu byť proporcionality prírodných zákonov, ale nemusia sa nevyhnutne prejavovať v okolitom svete. Priestor okolo nie je jednotný. Je plná najrôznejších vecí, ktoré sú na určitých miestach. Napriek tomu zo zachovania hybnosti človek vie, že prírodné zákony sú symetrické. Za určitých okolností je však proporcionalita "spontánne porušená". Vo fyzike elementárnych častíc sa tento termín používa užšie.

Symetria sa nazýva spontánne zlomená, ak stav s najnižšou energiou nie je primeraný.

Tento jav sa vyskytuje v mnohých prípadoch v prírode:

• V permanentných magnetoch, kde zarovnanie rotácie, ktoré spôsobuje magnetizmus v stave s najnižšou energiou, porušuje rotačnú invariantnosť.
• V interakciách π mezónov, ktoré otupujú proporcionalitu nazývanú chirálna.

Otázka: "existuje supersymetria v taký narušený štát " je teraz predmetom intenzívneho experimentálneho výskumu. Zamestnáva mysle mnohých vedcov.

Princípy symetrie a zákony zachovania fyzikálnych veličín

Vo vede toto pravidlo uvádza, že špecifická merateľná vlastnosť izolovaného systému sa nemení, pretože sa časom vyvíja. Presné zákony o ochrane zahŕňajú zásoby energie, lineárnu hybnosť, jej moment a elektrický náboj. Existuje tiež veľa pravidiel približného opustenia, ktoré sa vzťahujú na množstvá, ako sú hmotnosti, parita, leptónové a baryónové čísla, zvláštnosť, hyperzaria atď. . Tieto hodnoty sa zachovávajú v určitých triedach fyzikálnych procesov, ale nie vo všetkých.

Noetherova veta

Miestny zákon sa zvyčajne matematicky vyjadruje ako rovnica parciálnej diferenciálnej kontinuity, ktorá udáva pomer medzi množstvom množstva a jeho prenosom. Hovorí sa, že číslo uložené v bode alebo zväzku sa môže zmeniť iba na číslo, ktoré vstupuje alebo vystupuje z zväzku.

Z noetherovej vety: každý zákon o ochrane prírody súvisí so základným princípom symetrie vo fyzike.

Pravidlá sa považujú za základné normy prírody so širokým uplatnením v tejto vede, ako aj v iných oblastiach, ako je chémia, biológia, geológia a strojárstvo.

Väčšina zákonov je presná alebo absolútna. V tom zmysle, že uplatňujú sa na všetky možné procesy. Podľa noetherovej vety sú princípy symetrie čiastočné. V tom zmysle, že sú platné pre niektoré procesy, ale nie pre iné. Tvrdí tiež, že medzi každým z nich a diferencovateľnou proporcionalitou prírody existuje vzájomná korešpondencia.

Obzvlášť dôležité výsledky sú: princíp symetrie, zákony ochrany, noetherova veta.