Luontomaailma on monimutkainen paikka. Harmonioiden avulla ihmiset ja tiedemiehet voivat erottaa järjestyksen siinä. Fysiikassa on pitkään ymmärretty, että symmetriaperiaate liittyy läheisesti säilymislakeihin. Kolme tunnetuinta sääntöä ovat: energian säilyminen, liikemäärä ja liikemäärä. Paineen jatkuminen on seurausta siitä, että luonnon asenteet eivät muutu missään välissä. Esimerkiksi Newtonin painovoimalaissa voidaan kuvitella, että gravitaatiovakio GN riippuu ajasta.
Tässä tapauksessa energiaa ei säästetä. Energiansäästörikkomusten kokeellisista hauista voidaan asettaa tiukat rajat sellaisille muutoksille ajan myötä. Tämä symmetriaperiaate on melko laaja ja sitä sovelletaan niin kvanttimekaniikassa kuin klassisessa mekaniikassa. Fyysikot kutsuvat tätä parametria joskus ajan homogeenisuudeksi. Samoin liikemäärän säilyminen on seurausta siitä, että erityistä paikkaa ei ole. Vaikka maailmaa kuvattaisiin karteesisilla koordinaatteilla, luonnonlait eivät välitä siitäharkitse lähdettä.
Tätä symmetriaa kutsutaan "translaatioinvarianssiksi" tai avaruuden homogeeniseksi. Lopuksi kulmamomentin säilyminen liittyy jokapäiväisessä elämässä tuttuihin harmoniaperiaatteeseen. Luonnonlait ovat muuttumattomia pyörimisen aikana. Esimerkiksi sillä ei ole vain väliä, kuinka henkilö valitsee koordinaattien origon, vaan sillä ei ole väliä, kuinka hän valitsee akselien suunnan.
Erikoisluokka
Aika-avaruussymmetrian periaatetta, siirtymää ja kiertoa kutsutaan jatkuviksi harmonioksi, koska voit siirtää koordinaattiakseleita mieliv altaisen määrän ja kiertää mieliv altaisen kulman verran. Toista luokkaa kutsutaan diskreetiksi. Esimerkki harmoniasta on sekä heijastukset peilissä että pariteetti. Newtonin laeissa on myös tämä kahdenvälisen symmetrian periaate. Pitää vain tarkkailla gravitaatiokentässä putoavan esineen liikettä ja sitten tutkia samaa liikettä peilistä.
Vaikka lentorata on erilainen, se noudattaa Newtonin lakeja. Tämä on tuttua jokaiselle, joka on koskaan seisonut puhtaan, hyvin kiillotetun peilin edessä ja on hämmentynyt siitä, missä esine oli ja missä peilikuva. Toinen tapa kuvata tätä symmetriaperiaatetta on vasemman ja vastakohdan samank altaisuus. Esimerkiksi kolmiulotteiset suorakulmaiset koordinaatit kirjoitetaan yleensä "oikean käden säännön" mukaan. Eli positiivinen virtaus z-akselia pitkin on peukalon osoittamaan suuntaan, jos henkilö kiertää oikeaa kättään z:n ympäri alkaen x Oy:stä ja siirtyen kohti x:tä.
Epätavallinenkoordinaattijärjestelmä 2 on vastakkainen. Siinä Z-akseli osoittaa suunnan, johon vasen käsi tulee olemaan. Väite, että Newtonin lait ovat muuttumattomia, tarkoittaa, että henkilö voi käyttää mitä tahansa koordinaattijärjestelmää ja luonnon säännöt näyttävät sam alta. Ja on myös syytä huomata, että pariteettisymmetriaa merkitään yleensä kirjaimella P. Siirrytään nyt seuraavaan kysymykseen.
Symmetrian toiminnot ja tyypit, symmetriaperiaatteet
Pariteetti ei ole ainoa tieteen kann alta kiinnostava diskreetti suhteellisuus. Toista kutsutaan ajanmuutokseksi. Newtonin mekaniikassa voidaan kuvitella videotallennetta painovoiman alaisena olevasta esineestä. Tämän jälkeen sinun on harkittava videon suorittamista päinvastaisessa järjestyksessä. Sekä "ajassa eteenpäin" että "taaksepäin" liikkeet noudattavat Newtonin lakeja (käänteinen liike voi kuvata tilannetta, joka ei ole kovin uskottava, mutta se ei riko lakeja). Ajan kääntäminen merkitään yleensä kirjaimella T.
Latauskonjugaatio
Jokaiselle tunnetulle hiukkaselle (elektroni, protoni jne.) on antihiukkanen. Sillä on täsmälleen sama massa, mutta päinvastainen sähkövaraus. Elektronin antihiukkasta kutsutaan positroniksi. Protoni on antiprotoni. Viime aikoina on tuotettu ja tutkittu antivetyä. Varauskonjugaatio on symmetria hiukkasten ja niiden antihiukkasten välillä. Ilmeisesti ne eivät ole sama asia. Mutta symmetriaperiaate tarkoittaa, että esimerkiksi elektronin käyttäytyminen sähkökentässä on identtinen vastakkaisella taustalla olevan positronin toiminnan kanssa. Varauksen konjugaatio on merkittykirjain C.
Nämä symmetriat eivät kuitenkaan ole tarkkoja mittasuhteita luonnonlaeista. Vuonna 1956 kokeet osoittivat yllättäen, että radioaktiivisuuden tyypissä, jota kutsutaan beetahajoamiseksi, vasemman ja oikean välillä oli epäsymmetriaa. Sitä tutkittiin ensin atomiytimien hajoamisissa, mutta helpoimmin se kuvataan negatiivisesti varautuneen π-mesonin, toisen vahvasti vuorovaikutteisen hiukkasen, hajoamisessa.
Se puolestaan hajoaa joko myoniksi tai elektroniksi ja niiden antineutrinoiksi. Mutta hajoamiset tietyllä latauksella ovat erittäin harvinaisia. Tämä johtuu (erityissuhteellisuusteoriaa käyttävän argumentin kautta) siitä tosiasiasta, että käsite syntyy aina pyörimällä samansuuntaisesti liikesuunnan kanssa. Jos luonto olisi symmetrinen vasemman ja oikean välillä, löydettäisiin neutrinon puoliaika sen spinin kanssa yhdensuuntaisena ja osa sen antirinnakkaisena.
Tämä johtuu siitä, että peilissä liikkeen suuntaa ei muuteta, vaan pyörittämällä. Tähän liittyy positiivisesti varautunut π + mesoni, antipartikkeli π -. Se hajoaa elektronineutriinoksi, jonka vauhti pyörii rinnakkain. Tämä on ero hänen käyttäytymisensä välillä. Sen antihiukkaset ovat esimerkki varauksen konjugaation rikkomisesta.
Näiden löydösten jälkeen heräsi kysymys, oliko ajankäänteisen invarianssin T rikkominen. Kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian yleisten periaatteiden mukaan T:n rikkominen liittyy C × P:n konjugaatiotuloon. maksut ja pariteetti. SR, jos tämä on hyvä symmetriaperiaate tarkoittaa, että vaimenemisen π + → e + + ν täytyy mennä samalla tavallanopeus kuten π - → e - +. Vuonna 1964 löydettiin esimerkki prosessista, joka rikkoo CP:tä, ja siihen sisältyi toinen joukko voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia, nimeltään Kmesons. Osoittautuu, että näillä jyvillä on erityisiä ominaisuuksia, joiden avulla voimme mitata CP:n lievää rikkomista. Vasta vuonna 2001 SR-häiriö mitattiin vakuuttavasti toisen joukon, B-mesonien, hajoamisissa.
Nämä tulokset osoittavat selvästi, että symmetrian puuttuminen on usein yhtä mielenkiintoista kuin sen olemassaolo. Todellakin, pian SR-rikkomuksen havaitsemisen jälkeen Andrei Saharov totesi, että se on välttämätön osa luonnonlakeja, jotta voidaan ymmärtää aineen hallitsevuus antimateriaaliin nähden universumissa.
Periaatteet
Tähän asti uskotaan, että CPT:n, varauskonjugoinnin, pariteetin ja ajan käännöksen yhdistelmät ovat säilyneet. Tämä seuraa melko yleisistä suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan periaatteista, ja se on vahvistettu tähän mennessä tehdyissä kokeellisissa tutkimuksissa. Jos tämän symmetrian rikkoo havaitaan, sillä on syvät seuraukset.
Toistaiseksi käsiteltävät mittasuhteet ovat tärkeitä, koska ne johtavat säilymislakeihin tai hiukkasten välisten reaktionopeuksien välisiin suhteisiin. On olemassa toinen symmetrialuokka, joka itse asiassa määrää monia hiukkasten välisiä voimia. Nämä suhteellisuussuhteet tunnetaan paikallisina suhteellisuuksina.
Yksi tällainen symmetria johtaa sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. Toinen, Einsteinin päätelmän mukaan, painovoimalle. Esittäessään yleisperiaatteensaSuhteellisuusteoriassa tiedemies väitti, että luonnonlakien ei pitäisi olla saatavilla vain siksi, että ne olisivat muuttumattomia, esimerkiksi kierrettäessä koordinaatteja samanaikaisesti kaikkialla avaruudessa, vaan minkä tahansa muutoksen kanssa.
Matematiikan tämän ilmiön kuvaamiseksi kehittivät Friedrich Riemann ja muut 1800-luvulla. Einstein sopeutti ja keksi osan uudelleen omiin tarpeisiinsa. Osoittautuu, että tätä periaatetta noudattavien yhtälöiden (lakien) kirjoittamiseksi on tarpeen ottaa käyttöön kenttä, joka on monin tavoin samanlainen kuin sähkömagneettinen (paitsi että sen spin on kaksi). Se yhdistää Newtonin painovoimalain oikein asioihin, jotka eivät ole liian massiivisia, liikkuvat nopeasti tai löysällä. Tällaisissa järjestelmissä (verrattuna valonnopeuteen) yleinen suhteellisuusteoria johtaa moniin eksoottisiin ilmiöihin, kuten mustiin aukkoihin ja gravitaatioaalloille. Kaikki tämä johtuu Einsteinin melko harmittomasta käsityksestä.
Matematiikka ja muut tieteet
Symetrian periaatteet ja säilymislait, jotka johtavat sähköön ja magnetismiin, ovat toinen esimerkki paikallisesta suhteellisuudesta. Tämän saavuttamiseksi on käännyttävä matematiikkaan. Kvanttimekaniikassa elektronin ominaisuuksia kuvaa "a altofunktio" ψ(x). Työlle on olennaista, että ψ on kompleksiluku. Se puolestaan voidaan aina kirjoittaa reaaliluvun ρ ja pisteiden e iθ tulona. Esimerkiksi kvanttimekaniikassa voit kertoa a altofunktion vakiovaiheella ilman vaikutusta.
Mutta jos symmetriaperiaateperustuu johonkin vahvempaan, että yhtälöt eivät ole riippuvaisia vaiheista (tarkemmin sanottuna, jos hiukkasia on useita eri varauksilla, kuten luonnossa, erityinen yhdistelmä ei ole tärkeä), on tarpeen ottaa käyttöön, kuten yleisessä suhteellisuusteoriassa erilaiset kentät. Nämä vyöhykkeet ovat sähkömagneettisia. Tämän symmetriaperiaatteen soveltaminen edellyttää, että kenttä noudattaa Maxwellin yhtälöitä. Tämä on tärkeää.
Tänä päivänä kaikkien standardimallin vuorovaikutusten katsotaan johtuvan sellaisista paikallisen ulottuman symmetrian periaatteista. W- ja Z-vyöhykkeiden olemassaolo sekä niiden massat, puoliintumisajat ja muut vastaavat ominaisuudet on onnistuneesti ennustettu näiden periaatteiden seurauksena.
Mittamattomat numerot
Luetteloa muista mahdollisista symmetriaperiaatteista on ehdotettu useista syistä. Yksi tällainen hypoteettinen malli tunnetaan supersymmetriana. Sitä ehdotettiin kahdesta syystä. Ensinnäkin se voi selittää pitkään jatkuneen arvoituksen: "Miksi luonnonlaeissa on hyvin vähän dimensiottomia lukuja."
Esimerkiksi kun Planck esitteli vakionsa h, hän tajusi, että sitä voidaan käyttää suuren kirjoittamiseen massamitoilla, alkaen Newtonin vakiosta. Tämä luku tunnetaan nyt Planck-arvona.
Suuri kvanttifyysikko Paul Dirac (joka ennusti antiaineen olemassaolon) päätteli "suurten lukujen ongelman". Osoittautuu, että tämän supersymmetrian luonteen olettaminen voi auttaa ratkaisemaan ongelman. Supersymmetria on myös olennainen osa sen ymmärtämistä, kuinka yleisen suhteellisuusteorian periaatteet voivatole johdonmukainen kvanttimekaniikan kanssa.
Mitä on supersymmetria?
Tämä parametri, jos se on olemassa, liittää fermionit (hiukkaset, joilla on puolikokonaisluvun spin ja jotka noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta) bosoneihin (hiukkasiin, joilla on kokonaislukuspin ja jotka noudattavat ns. Bose-tilastoja, mikä johtaa laserien käyttäytymiseen ja Bosen kondensaatit). Kuitenkin ensi silmäyksellä näyttää typerältä ehdottaa tällaista symmetriaa, koska jos se esiintyisi luonnossa, voisi olettaa, että jokaisessa fermionissa on bosoni, jonka massa on täsmälleen sama, ja päinvastoin.
Toisin sanoen, tutun elektronin lisäksi täytyy olla hiukkanen nimeltä valitsin, jolla ei ole spiniä ja joka ei noudata poissulkemisperiaatetta, mutta joka muussa suhteessa se on sama kuin elektroni. Samoin fotonin tulisi viitata toiseen hiukkaseen, jonka spin 1/2 (joka noudattaa poissulkemisperiaatetta, kuten elektroni), jolla on nollamassa ja ominaisuudet kuten fotonit. Tällaisia hiukkasia ei ole löydetty. Osoittautuu kuitenkin, että nämä tosiasiat voidaan sovittaa yhteen, ja tämä johtaa viimeiseen kohtaan symmetriasta.
Space
Suhteet voivat olla luonnonlakien mittasuhteita, mutta niiden ei välttämättä tarvitse ilmetä ympäröivässä maailmassa. Ympäröivä tila ei ole yhtenäinen. Se on täynnä kaikenlaisia asioita, jotka ovat tietyissä paikoissa. Siitä huolimatta, liikemäärän säilymisen perusteella ihminen tietää, että luonnonlait ovat symmetrisiä. Mutta joissain olosuhteissa suhteellisuus"spontaanisti rikki". Hiukkasfysiikassa tätä termiä käytetään suppeammin.
Symmetrian sanotaan rikkoutuvan spontaanisti, jos alhaisin energiatila ei ole oikeassa suhteessa.
Tätä ilmiötä esiintyy monissa tapauksissa luonnossa:
- Kestomagneeteissa, joissa spinien kohdistus, joka aiheuttaa magnetismin alimmassa energiatilassa, katkaisee pyörimisinvarianssin.
- π-mesonien vuorovaikutuksissa, jotka tylstävät kiraalista suhteellisuutta.
Kysymys: "Onko supersymmetria olemassa niin rikkinäisessä tilassa" on nyt intensiivisen kokeellisen tutkimuksen aihe. Se askarruttaa monia tiedemiehiä.
Symetrian periaatteet ja fysikaalisten määrien säilymisen lait
Tieteessä tämä sääntö sanoo, että eristetyn järjestelmän tietty mitattavissa oleva ominaisuus ei muutu, kun se kehittyy ajan myötä. Tarkat säilymissäännöt sisältävät energiavarannot, lineaarisen liikemäärän, sen liikemäärän ja sähkövarauksen. On myös monia likimääräisen hylkäämisen sääntöjä, jotka koskevat suureita, kuten massoja, pariteettia, leptoni- ja baryonilukua, outoa, hypertaarilukua jne. Nämä suureet säilyvät tietyissä fysikaalisten prosessien luokissa, mutta eivät kaikissa.
Noetherin lause
Paikallinen laki ilmaistaan yleensä matemaattisesti osittaisena differentiaalista jatkuvuusyhtälönä, joka antaa määrän määrän jasen siirto. Siinä todetaan, että pisteeseen tai tilavuuteen tallennettua numeroa voi muuttaa vain se, joka tulee tai poistuu tilavuudesta.
Noetherin lauseesta: jokainen säilymislaki liittyy fysiikan symmetrian perusperiaatteeseen.
Sääntöjä pidetään luonnon perusnormeina, ja niitä sovelletaan laajasti tässä tieteessä sekä muilla aloilla, kuten kemiassa, biologiassa, geologiassa ja tekniikassa.
Useimmat lait ovat tarkkoja tai ehdottomia. Siinä mielessä, että ne koskevat kaikkia mahdollisia prosesseja. Noetherin lauseen mukaan symmetriaperiaatteet ovat osittaisia. Siinä mielessä, että ne pätevät joihinkin prosesseihin, mutta eivät toisiin. Hän toteaa myös, että niiden välillä on yksi-yhteen vastaavuus ja luonnon erotettava suhteellisuus.
Erityisen tärkeitä tuloksia ovat: symmetriaperiaate, säilymislait, Noetherin lause.
