Loodusmaailm on keeruline koht. Harmooniad võimaldavad inimestel ja teadlastel selles järjestust eristada. Füüsikas on ammu mõistetud, et sümmeetria põhimõte on tihed alt seotud jäävusseadustega. Kolm kõige kuulsamat reeglit on: energia säästmine, hoog ja hoog. Surve püsimine on tingitud sellest, et looduse hoiakud ei muutu ühegi intervalliga. Näiteks Newtoni gravitatsiooniseaduses võib ette kujutada, et gravitatsioonikonstant GN sõltub ajast.
Sel juhul ei säästeta energiat. Energiasäästu rikkumiste eksperimentaalsete otsingute põhjal saab igale sellisele muutusele aja jooksul ranged piirid seada. See sümmeetriapõhimõte on üsna lai ja seda rakendatakse nii kvant- kui ka klassikalises mehaanikas. Füüsikud nimetavad seda parameetrit mõnikord aja homogeensuseks. Samamoodi on impulsi säilimine selle tagajärg, et puudub eriline koht. Isegi kui maailma kirjeldatakse Descartes'i koordinaatidega, ei huvita see loodusseadusikaaluge allikat.
Seda sümmeetriat nimetatakse "translatsiooniliseks muutumatuks" või ruumi homogeensuseks. Lõpuks on nurkimpulsi säilitamine seotud igapäevaelus tuttava harmoonia põhimõttega. Loodusseadused on pöörlemisel muutumatud. Näiteks pole oluline mitte ainult see, kuidas inimene valib koordinaatide alguspunkti, vaid ka see, kuidas ta valib telgede orientatsiooni.
Diskreetne klass
Ajaruumi sümmeetria, nihke ja pöörlemise põhimõtet nimetatakse pidevateks harmooniateks, sest koordinaatide telgesid saab liigutada suvalise suvalise koguse võrra ja pöörata suvalise nurga võrra. Teist klassi nimetatakse diskreetseks. Harmoonia näide on nii peegeldused peeglis kui ka pariteet. See kahepoolse sümmeetria põhimõte on ka Newtoni seadustes. Tuleb vaid jälgida gravitatsiooniväljas langeva objekti liikumist ja seejärel uurida sama liikumist peeglist.
Kuigi trajektoor on erinev, järgib see Newtoni seadusi. See on tuttav kõigile, kes on kunagi seisnud puhta, hästi poleeritud peegli ees ja on segaduses, kus on objekt ja kus peegelpilt. Teine viis selle sümmeetriaprintsiibi kirjeldamiseks on vasaku ja vastandi sarnasus. Näiteks kolmemõõtmelised Descartes'i koordinaadid kirjutatakse tavaliselt "parema käe reegli" järgi. See tähendab, et positiivne voog piki z-telge asetseb pöidla suunas, kui inimene pöörab paremat kätt ümber z, alustades x Oy-st ja liikudes punkti x suunas.
Ebatraditsioonilinekoordinaatsüsteem 2 on vastupidine. Sellel näitab Z-telg suunda, kuhu vasak käsi jääb. Väide, et Newtoni seadused on muutumatud, tähendab, et inimene võib kasutada mis tahes koordinaatsüsteemi ja loodusreeglid näevad välja ühesugused. Samuti väärib märkimist, et paarsussümmeetriat tähistatakse tavaliselt tähega P. Liigume nüüd järgmise küsimuse juurde.
Sümmeetria toimingud ja tüübid, sümmeetria põhimõtted
Pariteet ei ole ainus diskreetne proportsionaalsus, mis teadust huvitab. Teist nimetatakse ajamuutuseks. Newtoni mehaanikas võib ette kujutada videosalvestust objektist, mis langeb gravitatsioonijõu alla. Pärast seda peate kaaluma video tagurpidi käitamist. Nii "ajas edasi" kui ka "tagasi" käigud järgivad Newtoni seadusi (tagurpidi liikumine võib kirjeldada olukorda, mis pole kuigi usutav, kuid see ei riku seadusi). Aja ümberpööramist tähistatakse tavaliselt tähega T.
Laengu konjugatsioon
Iga teadaoleva osakese (elektron, prooton jne) jaoks on olemas antiosake. Sellel on täpselt sama mass, kuid vastupidine elektrilaeng. Elektroni antiosakest nimetatakse positroniks. Prooton on antiprooton. Hiljuti hakati tootma ja uurima antivesinikku. Laengukonjugatsioon on sümmeetria osakeste ja nende antiosakeste vahel. Ilmselgelt pole need samad. Kuid sümmeetriaprintsiip tähendab seda, et näiteks elektroni käitumine elektriväljas on identne positroni tegevusega vastupidisel taustal. Laengu konjugatsioon on tähistatudtäht C.
Need sümmeetriad ei ole aga loodusseaduste täpsed proportsioonid. 1956. aastal näitasid katsed ootamatult, et radioaktiivsuse tüübis, mida nimetatakse beeta-lagunemiseks, oli vasaku ja parema vahel asümmeetria. Esm alt uuriti seda aatomituumade lagunemisel, kuid seda on kõige lihtsam kirjeldada negatiivselt laetud π-mesoni, teise tugev alt interakteeruva osakese lagunemisel.
See omakorda laguneb kas müüoniks või elektroniks ja nende antineutriinoks. Kuid teatud laengu lagunemine on väga haruldane. Selle põhjuseks on (erirelatiivsusteooriat kasutava argumendi kaudu) asjaolu, et mõiste ilmneb alati selle pöörlemisega paralleelselt selle liikumissuunaga. Kui loodus oleks sümmeetriline vasaku ja parema vahel, leiaks neutriino poolaja selle pöörlemisega paralleelselt ja osa selle antiparalleelselt.
Selle põhjuseks on asjaolu, et peeglis ei muudeta liikumissuunda, vaid seda pöörates. Sellega on seotud positiivselt laetud π + meson, antiosake π -. See laguneb elektronneutriinoks, mille impulss pöörleb paralleelselt. See on tema käitumise erinevus. Selle antiosakesed on näide laengu konjugatsiooni katkemisest.
Pärast neid avastusi tõstatati küsimus, kas on rikutud aja pöördinvariantsust T. Kvantmehaanika ja relatiivsusteooria üldpõhimõtete kohaselt on T rikkumine seotud C × P, konjugatsiooni korrutisega tasud ja pariteet. SR, kui see on hea sümmeetriaprintsiip, tähendab, et lagunemine π + → e + + ν peab toimuma samagakiirus nagu π - → e - +. 1964. aastal avastati näide CP-d rikkuvast protsessist, mis hõlmas teist tugev alt interakteeruvate osakeste komplekti, mida nimetatakse Kmesoniteks. Selgub, et neil teradel on erilised omadused, mis võimaldavad mõõta CP kerget rikkumist. Alles 2001. aastal mõõdeti SR-i katkemist veenv alt teise hulga, B-mesonite lagunemises.
Need tulemused näitavad selgelt, et sümmeetria puudumine on sageli sama huvitav kui selle olemasolu. Tõepoolest, varsti pärast SR-i rikkumise avastamist märkis Andrei Sahharov, et see on loodusseaduste jaoks vajalik komponent, et mõista mateeria ülekaalu antiainest universumis.
Põhimõtted
Siiani on arvatud, et CPT, laengu konjugatsiooni, pariteedi, aja ümberpööramise kombinatsioon on säilinud. See tuleneb üsna üldistest relatiivsusteooria ja kvantmehaanika põhimõtetest ning seda on kinnitanud ka senised eksperimentaalsed uuringud. Kui avastatakse selle sümmeetria rikkumine, on sellel sügavad tagajärjed.
Siiani on arutlusel olevad proportsioonid olulised, kuna need toovad kaasa säilivusseadused või seosed osakeste vaheliste reaktsioonikiiruste vahel. On veel üks sümmeetriate klass, mis tegelikult määrab ära paljud osakestevahelised jõud. Neid proportsionaalsusi nimetatakse kohalikeks või gabariidilisteks proportsionaalsusteks.
Üks selline sümmeetria viib elektromagnetilise vastasmõjuni. Teine, Einsteini kokkuvõttes, gravitatsioonile. Oma üldpõhimõtte väljatöötamiselRelatiivsusteoorias väitis teadlane, et loodusseadused peaksid olema kättesaadavad mitte ainult selleks, et need oleksid muutumatud, näiteks koordinaatide pööramisel samaaegselt kõikjal ruumis, vaid ka igasuguste muutustega.
Matemaatika selle nähtuse kirjeldamiseks töötasid välja Friedrich Riemann ja teised 19. sajandil. Einstein kohandas ja leiutas mõned osaliselt oma vajaduste jaoks. Selgub, et sellele põhimõttele alluvate võrrandite (seaduste) kirjutamiseks on vaja sisse viia väli, mis on paljuski sarnane elektromagnetilisele (välja arvatud see, et selle spinn on kaks). See ühendab õigesti Newtoni gravitatsiooniseaduse asjadega, mis ei ole liiga massiivsed, liiguvad kiiresti või lahti. Süsteemide puhul, mis on nii (võrreldes valguse kiirusega), põhjustab üldrelatiivsusteooria palju eksootilisi nähtusi, nagu mustad augud ja gravitatsioonilained. Kõik see tuleneb Einsteini üsna kahjutust arusaamast.
Matemaatika ja muud loodusteadused
Sümmeetria põhimõtted ja säilivusseadused, mis toovad kaasa elektri ja magnetismi, on veel üks näide kohalikust proportsionaalsusest. Sellesse sisenemiseks tuleb pöörduda matemaatika poole. Kvantmehaanikas kirjeldab elektroni omadusi "lainefunktsioon" ψ(x). Töö jaoks on oluline, et ψ oleks kompleksarv. Seda saab omakorda alati kirjutada reaalarvu ρ ja perioodide e iθ korrutisena. Näiteks kvantmehaanikas saate lainefunktsiooni korrutada konstantse faasiga, ilma et see mõjutaks.
Aga kui sümmeetria põhimõteseisneb milleski tugevamas, et võrrandid ei sõltu astmetest (täpsem alt, kui erineva laenguga osakesi on palju, nagu looduses, siis konkreetne kombinatsioon pole oluline), tuleb nagu üldrelatiivsusteoorias sisse viia. teistsugune väljade komplekt. Need tsoonid on elektromagnetilised. Selle sümmeetriaprintsiibi rakendamine nõuab, et väli järgiks Maxwelli võrrandeid. See on oluline.
Tänapäeval eeldatakse, et kõik standardmudeli koostoimed tulenevad sellistest kohaliku rööpmelaiuse sümmeetria põhimõtetest. Nende põhimõtete tulemusena on eduk alt ennustatud W- ja Z-ribade olemasolu, samuti nende massi, poolestusaega ja muid sarnaseid omadusi.
Mõõtmatud numbrid
Mitmel põhjusel on pakutud välja loetelu muudest võimalikest sümmeetriapõhimõtetest. Ühte sellist hüpoteetilist mudelit tuntakse supersümmeetriana. Seda pakuti välja kahel põhjusel. Esiteks võib see selgitada kauaaegset mõistatust: "Miks on loodusseadustes väga vähe mõõtmeteta numbreid."
Näiteks kui Planck tutvustas oma konstanti h, mõistis ta, et seda saab kasutada massimõõtmetega suuruse kirjutamiseks, alustades Newtoni konstandist. Seda arvu nimetatakse nüüd Plancki väärtuseks.
Suur kvantfüüsik Paul Dirac (kes ennustas antiaine olemasolu) järeldas "suurte arvude probleemi". Selgub, et selle supersümmeetria olemuse postuleerimine võib aidata probleemi lahendada. Supersümmeetria on lahutamatu osa ka üldrelatiivsusteooria põhimõtete võimalikust mõistmisestolema kooskõlas kvantmehaanikaga.
Mis on supersümmeetria?
See parameeter, kui see on olemas, seob fermione (pooltäisarvulise spinniga osakesed, mis järgivad Pauli välistamise põhimõtet) bosonitega (täisarvulise spinniga osakesed, mis järgivad nn Bose'i statistikat, mis põhjustab laserite käitumist ja Bose kondensaadid). Siiski tundub esmapilgul rumal sellist sümmeetriat välja pakkuda, sest kui see looduses esineks, siis võiks eeldada, et iga fermioni jaoks on täpselt sama massiga boson ja vastupidi.
Teisisõnu, lisaks tuttavale elektronile peab olema osake, mida nimetatakse selektoriks, millel pole spinni ja mis ei allu välistamisprintsiibile, kuid muus osas on ta sama, mis elektron. Samamoodi peaks footon viitama teisele osakesele, mille spinn on 1/2 (mis järgib välistamise põhimõtet, nagu elektron), mille mass on null ja mille omadused on sarnased footonitega. Selliseid osakesi pole leitud. Siiski selgub, et neid fakte saab ühildada ja see viib viimase punktini sümmeetria kohta.
Tühik
Proportsioonid võivad olla loodusseaduste proportsioonid, kuid ei pea tingimata avalduma ümbritsevas maailmas. Ümbritsev ruum ei ole ühtlane. See on täidetud igasuguste asjadega, mis on teatud kohtades. Sellegipoolest teab inimene impulsi säilimise põhjal, et loodusseadused on sümmeetrilised. Kuid teatud juhtudel proportsionaalsus"spontaanselt katki". Osakeste füüsikas kasutatakse seda terminit kitsam alt.
Öeldakse, et sümmeetria katkeb spontaanselt, kui madalaima energiaga olek ei ole proportsionaalne.
See nähtus esineb looduses paljudel juhtudel:
- Püsimagnetites, kus spinnide joondamine, mis põhjustab magnetismi madalaimas energiaseisundis, katkestab pöörlemise invariantsi.
- π-mesonite vastasmõjudes, mis nüristavad kiraalset proportsionaalsust.
Küsimus: "Kas supersümmeetria eksisteerib sellises katkises olekus" on nüüd intensiivse eksperimentaalse uurimistöö objektiks. See haarab paljude teadlaste meeled.
Sümmeetria põhimõtted ja füüsikaliste suuruste jäävuse seadused
Teaduses ütleb see reegel, et isoleeritud süsteemi konkreetne mõõdetav omadus aja jooksul arenedes ei muutu. Täpsed säilivusseadused hõlmavad energiavarusid, lineaarset impulssi, selle impulssi ja elektrilaengut. Samuti on palju ligikaudse loobumise reegleid, mis kehtivad selliste suuruste kohta nagu massid, paarsus, leptoni- ja barüonarv, kummalisus, hüpersariatsioon jne. Need suurused säilivad teatud füüsikaliste protsesside klassides, kuid mitte kõigis.
Ei-teoreem
Kohalikku seadust väljendatakse tavaliselt matemaatiliselt osalise diferentsiaaljärjepidevusvõrrandina, mis annab koguse suuruse jaselle ülekandmine. See ütleb, et punktis või helitugevuses salvestatud arvu saab muuta ainult helitugevuse sisenemise või helitugevusest väljuva numbriga.
Noetheri teoreemist: iga jäävusseadus on seotud sümmeetria põhiprintsiibiga füüsikas.
Reegleid peetakse looduse põhinormideks, mida kasutatakse laialdaselt nii selles teaduses kui ka muudes valdkondades, nagu keemia, bioloogia, geoloogia ja tehnika.
Enamik seadusi on täpsed või absoluutsed. Selles mõttes, et need kehtivad kõigi võimalike protsesside kohta. Noetheri teoreemi järgi on sümmeetriaprintsiibid osalised. Selles mõttes, et mõne protsessi puhul need kehtivad, teiste puhul mitte. Ta väidab ka, et nende igaühe ja looduse eristatava proportsionaalsuse vahel on üks-ühele vastavus.
Eriti olulised tulemused on: sümmeetriaprintsiip, jäävusseadused, Noetheri teoreem.
