Den naturlige verden er et komplekst sted. Harmonier tillader mennesker og videnskabsmænd at skelne rækkefølgen i den. I fysik har man længe forstået, at symmetriprincippet er tæt forbundet med bevaringslovene. De tre mest kendte regler er: energibevarelse, momentum og momentum. Det vedvarende pres er en konsekvens af, at naturens holdninger ikke ændres med noget interval. For eksempel kan man i Newtons tyngdelov forestille sig, at GN, gravitationskonstanten, afhænger af tid.
I dette tilfælde vil der ikke blive sparet energi. Fra eksperimentelle søgninger efter overtrædelser af energibesparelser kan der sættes strenge grænser for enhver sådan ændring over tid. Dette symmetriprincip er ret bredt og anvendes i kvante såvel som i klassisk mekanik. Fysikere omtaler nogle gange denne parameter som tidens homogenitet. På samme måde er bevarelse af momentum en konsekvens af, at der ikke er noget særligt sted. Selvom verden beskrives i form af kartesiske koordinater, vil naturlovene være ligeglade med detovervej kilden.
Denne symmetri kaldes "translationel invarians" eller rummets homogenitet. Endelig er bevarelse af vinkelmomentum relateret til det velkendte princip om harmoni i hverdagen. Naturlovene er invariable under rotationer. For eksempel er det ikke kun ligegyldigt, hvordan en person vælger oprindelsen af koordinater, men det er ligegyldigt, hvordan han vælger orienteringen af akserne.
Diskret klasse
Princippet om rum-tidssymmetri, skift og rotation kaldes kontinuerlige harmonier, fordi du kan flytte koordinatakserne med en hvilken som helst vilkårlig mængde og rotere med en vilkårlig vinkel. Den anden klasse kaldes diskret. Et eksempel på harmoni er både refleksioner i et spejl og paritet. Newtons love har også dette princip om bilateral symmetri. Man behøver kun at observere bevægelsen af et objekt, der falder i et gravitationsfelt, og derefter studere den samme bevægelse i et spejl.
Mens banen er anderledes, adlyder den Newtons love. Dette er bekendt for enhver, der nogensinde har stået foran et rent, velpoleret spejl og er forvirret over, hvor objektet var, og hvor spejlbilledet var. En anden måde at beskrive dette symmetriprincip på er ligheden mellem venstre og modsat. For eksempel skrives tredimensionelle kartesiske koordinater norm alt efter "højrehåndsreglen". Det vil sige, at det positive flow langs z-aksen ligger i den retning, som tommelfingeren peger, hvis personen drejer højre hånd rundt om z, startende ved x Oy og bevæger sig mod x.
Ukonventioneltkoordinatsystem 2 er modsat. På den angiver Z-aksen den retning, som venstre hånd vil være. Udsagnet om, at Newtons love er invariante betyder, at en person kan bruge et hvilket som helst koordinatsystem, og naturens regler ser ens ud. Og det er også værd at bemærke, at paritetssymmetri norm alt betegnes med bogstavet P. Lad os nu gå videre til næste spørgsmål.
Operationer og typer af symmetri, principper for symmetri
Paritet er ikke den eneste diskrete proportionalitet af interesse for videnskaben. Den anden kaldes tidsændring. I newtonsk mekanik kan man forestille sig en videooptagelse af et objekt, der falder under tyngdekraften. Derefter skal du overveje at køre videoen omvendt. Både "fremad i tid" og "tilbage" træk vil adlyde Newtons love (omvendt bevægelse kan beskrive en situation, der ikke er særlig plausibel, men den vil ikke overtræde lovene). Tidsskift er norm alt angivet med bogstavet T.
Charge conjugation
For hver kendt partikel (elektron, proton osv.) er der en antipartikel. Den har nøjagtig samme masse, men den modsatte elektriske ladning. En elektrons antipartikel kaldes en positron. En proton er en antiproton. For nylig er antibrint blevet produceret og undersøgt. Ladningskonjugation er en symmetri mellem partikler og deres antipartikler. Det er klart, at de ikke er ens. Men symmetriprincippet betyder, at for eksempel en elektrons opførsel i et elektrisk felt er identisk med en positrons handlinger i den modsatte baggrund. Ladningskonjugation er angivetbogstavet C.
Disse symmetrier er imidlertid ikke nøjagtige proportioner af naturlovene. I 1956 viste eksperimenter uventet, at der i en type radioaktivitet kaldet beta-henfald var en asymmetri mellem venstre og højre. Det blev først undersøgt i henfald af atomkerner, men det er nemmest beskrevet i nedbrydningen af den negativt ladede π meson, en anden stærkt interagerende partikel.
Det nedbrydes til gengæld enten til en myon eller til en elektron og deres antineutrino. Men henfald på en given ladning er meget sjældne. Dette skyldes (gennem et argument, der bruger speciel relativitet) at et begreb altid opstår med dets rotation parallelt med dets bevægelsesretning. Hvis naturen var symmetrisk mellem venstre og højre, ville man finde neutrinoen halvtid med dens spin parallel og delen med dens antiparallelle.
Dette skyldes, at bevægelsesretningen i spejlet ikke ændres, men ved rotation. Tilknyttet dette er den positivt ladede π + meson, antipartiklen π -. Det henfalder til en elektronneutrino med et parallelt spin til dets momentum. Dette er forskellen mellem hans adfærd. Dens antipartikler er et eksempel på, at ladningskonjugering brydes.
Efter disse opdagelser blev spørgsmålet rejst, om tidsvendingsinvariansen T var blevet overtrådt. Ifølge de generelle principper for kvantemekanik og relativitetsteori er overtrædelsen af T relateret til C × P, produktet af konjugation af afgifter og paritet. SR, hvis dette er et godt symmetriprincip betyder det, at henfaldet π + → e + + ν skal gå med det sammehastighed som π - → e - +. I 1964 blev et eksempel på en proces, der krænker CP, opdaget, der involverer et andet sæt stærkt interagerende partikler kaldet Kmesons. Det viser sig, at disse korn har særlige egenskaber, der giver os mulighed for at måle en lille krænkelse af CP. Det var først i 2001, at SR-forstyrrelser på overbevisende måde blev målt i henfaldene af et andet sæt, B mesons.
Disse resultater viser tydeligt, at fraværet af symmetri ofte er lige så interessant som tilstedeværelsen af det. Kort efter opdagelsen af SR-krænkelse bemærkede Andrei Sakharov, at det er en nødvendig komponent i naturlovene for at forstå stoffets overvægt over antistof i universet.
Principles
Indtil nu menes det, at kombinationen af CPT, ladningskonjugation, paritet, tidsvending er bevaret. Dette følger af de ret generelle principper om relativitet og kvantemekanik, og er blevet bekræftet af eksperimentelle undersøgelser til dato. Hvis der konstateres en overtrædelse af denne symmetri, vil det få dybe konsekvenser.
Hidtil er proportionerne under diskussion vigtige, fordi de fører til bevarelseslove eller forhold mellem reaktionshastigheder mellem partikler. Der er en anden klasse af symmetrier, der faktisk bestemmer mange af kræfterne mellem partikler. Disse proportionaliteter er kendt som lokale eller gauge proportionaliteter.
En sådan symmetri fører til elektromagnetiske interaktioner. Den anden, i Einsteins konklusion, til tyngdekraften. Ved at udlægge sit princip om almenI relativitetsteorien hævdede videnskabsmanden, at naturlovene ikke kun skulle være tilgængelige for at de kunne være invariante, for eksempel når koordinater roterer samtidigt over alt i rummet, men med enhver ændring.
Matematikken til at beskrive dette fænomen blev udviklet af Friedrich Riemann og andre i det nittende århundrede. Einstein tilpassede og genopfandt nogle til sine egne behov. Det viser sig, at for at kunne skrive ligninger (love), der adlyder dette princip, er det nødvendigt at indføre et felt, der på mange måder ligner elektromagnetisk (bortset fra at det har et spin på to). Den forbinder korrekt Newtons tyngdelov til ting, der ikke er for massive, bevæger sig hurtigt eller løse. For systemer, der er det (sammenlignet med lysets hastighed), fører generel relativitetsteori til mange eksotiske fænomener som sorte huller og gravitationsbølger. Alt dette stammer fra Einsteins ret uskyldige forestilling.
Matematik og andre videnskaber
Principperne for symmetri og bevarelseslove, der fører til elektricitet og magnetisme, er endnu et eksempel på lokal proportionalitet. For at komme ind i dette skal man vende sig til matematikken. I kvantemekanikken er en elektrons egenskaber beskrevet af "bølgefunktionen" ψ(x). Det er væsentligt for arbejdet, at ψ er et komplekst tal. Det kan til gengæld altid skrives som produktet af et reelt tal, ρ, og perioder, e iθ. I kvantemekanik kan du for eksempel gange bølgefunktionen med den konstante fase uden effekt.
Men hvis princippet om symmetriligger på noget stærkere, at ligningerne ikke afhænger af stadierne (mere præcist, hvis der er mange partikler med forskellige ladninger, som i naturen, er den specifikke kombination ikke vigtig), er det nødvendigt, som i generel relativitetsteori, at indføre et andet sæt felter. Disse zoner er elektromagnetiske. Anvendelsen af dette symmetriprincip kræver, at feltet adlyder Maxwells ligninger. Dette er vigtigt.
I dag forstås alle interaktioner af standardmodellen som følge af sådanne principper for lokal sporviddesymmetri. Eksistensen af W- og Z-båndene såvel som deres masser, halveringstider og andre lignende egenskaber er blevet forudsagt med succes som en konsekvens af disse principper.
Umålelige tal
Af en række årsager er en liste over andre mulige symmetriprincipper blevet foreslået. En sådan hypotetisk model er kendt som supersymmetri. Det blev foreslået af to grunde. Først og fremmest kan det forklare en langvarig gåde: "Hvorfor er der meget få dimensionsløse tal i naturens love."
For eksempel, da Planck introducerede sin konstant h, indså han, at den kunne bruges til at skrive en mængde med massedimensioner, begyndende med Newtons konstant. Dette tal er nu kendt som Planck-værdien.
Den store kvantefysiker Paul Dirac (som forudsagde eksistensen af antistof) udledte "problemet med store tal". Det viser sig, at postulering af denne karakter af supersymmetri kan hjælpe med at løse problemet. Supersymmetri er også en integreret del af forståelsen af, hvordan principperne for generel relativitet kanvære i overensstemmelse med kvantemekanikken.
Hvad er supersymmetri?
Denne parameter, hvis den eksisterer, relaterer fermioner (partikler med et halvt heltals spin, der overholder Pauli-ekskluderingsprincippet) til bosoner (partikler med heltals spin, der adlyder såkaldte Bose-statistikker, hvilket fører til opførsel af lasere og Bose-kondensater). Men ved første øjekast virker det fjollet at foreslå en sådan symmetri, for hvis den skulle forekomme i naturen, ville man forvente, at der for hver fermion ville være en boson med nøjagtig samme masse, og omvendt.
Med andre ord skal der udover den velkendte elektron være en partikel kaldet en selektor, som ikke har noget spin og ikke overholder udelukkelsesprincippet, men i alle andre henseender er det det samme som elektronen. På samme måde bør en foton referere til en anden partikel med spin 1/2 (som adlyder udelukkelsesprincippet, som en elektron) med nul masse og egenskaber meget ligesom fotoner. Sådanne partikler er ikke blevet fundet. Det viser sig dog, at disse kendsgerninger kan forenes, og det leder til en sidste pointe om symmetri.
Space
Proportioner kan være proportioner af naturlovene, men behøver ikke nødvendigvis at være manifesteret i den omgivende verden. Rummet omkring er ikke ensartet. Den er fyldt med alle mulige ting, der er bestemte steder. Ikke desto mindre, fra bevarelsen af momentum, ved mennesket, at naturlovene er symmetriske. Men i nogle tilfælde proportionalitet"spontant brudt". I partikelfysik bruges dette udtryk mere snævert.
Symmetri siges at blive brudt spontant, hvis den laveste energitilstand ikke er passende.
Dette fænomen forekommer i mange tilfælde i naturen:
- I permanente magneter, hvor justeringen af spin, der forårsager magnetisme i den laveste energitilstand, bryder rotationsinvariansen.
- I interaktioner af π mesoner, som gør proportionaliteten kaldet chiral sløv.
Spørgsmålet: "Eksisterer supersymmetri i sådan en brudt tilstand" er nu genstand for intens eksperimentel forskning. Det optager mange videnskabsmænds sind.
Principper for symmetri og love for bevarelse af fysiske mængder
I videnskaben siger denne regel, at en bestemt målbar egenskab ved et isoleret system ikke ændrer sig, efterhånden som den udvikler sig over tid. De nøjagtige bevarelseslove inkluderer energireserverne, lineært momentum, dets momentum og elektrisk ladning. Der er også mange regler for omtrentlig opgivelse, der gælder for mængder, såsom masser, paritet, lepton- og baryontal, mærkværdighed, hyperzary osv. Disse mængder er bevaret i visse klasser af fysiske processer, men ikke i alle.
Noethers sætning
Lokal lov udtrykkes norm alt matematisk som en partiel differentialkontinuitetsligning, der giver forholdet mellem kvantitetsmængde ogdens overførsel. Den angiver, at nummeret, der er gemt i et punkt eller volumen, kun kan ændres af det, der går ind eller ud af lydstyrken.
Fra Noethers sætning: enhver bevaringslov er relateret til det grundlæggende princip om symmetri i fysik.
Regler betragtes som grundlæggende naturnormer med bred anvendelse i denne videnskab såvel som inden for andre områder såsom kemi, biologi, geologi og teknik.
De fleste love er præcise eller absolutte. I den forstand, at de gælder for alle mulige processer. Ifølge Noethers sætning er symmetriprincipperne partielle. I den forstand, at de er gyldige for nogle processer, men ikke for andre. Hun udtaler også, at der er en en-til-en-korrespondance mellem hver af dem og naturens differentierbare proportionalitet.
Særligt vigtige resultater er: symmetriprincippet, bevarelseslove, Noethers teorem.
