Табиғат әлемі күрделі жер. Гармония адамдар мен ғалымдарға ондағы тәртіпті ажыратуға мүмкіндік береді. Физикада симметрия принципі сақталу заңдарымен тығыз байланысты екені бұрыннан белгілі. Ең танымал үш ереже: энергияның сақталуы, импульс және импульс. Қысымның тұрақтылығы табиғат қатынасының кез келген аралықта өзгермейтіндігінің салдары. Мысалы, Ньютонның ауырлық заңында гравитациялық тұрақты GN уақытқа тәуелді деп елестетуге болады.
Бұл жағдайда қуат үнемделмейді. Энергияны үнемдеу бұзылыстарын эксперименталды іздеуден уақыт өте келе кез келген осындай өзгерістерге қатаң шектеулер қоюға болады. Бұл симметрия принципі өте кең және кванттық, сондай-ақ классикалық механикада қолданылады. Физиктер кейде бұл параметрді уақыттың біртектілігі деп атайды. Сол сияқты, импульстің сақталуы ерекше орынның жоқтығының салдары болып табылады. Дүние декарттық координаталар арқылы сипатталса да, табиғат заңдары бұған мән бермейдідереккөзді қарастырыңыз.
Бұл симметрия «трансляциялық инварианттылық» немесе кеңістіктің біртектілігі деп аталады. Соңында, бұрыштық импульстің сақталуы күнделікті өмірде таныс үйлесімділік принципімен байланысты. Табиғат заңдары айналу кезінде өзгермейтін. Мысалы, адамның координаттардың басын қалай таңдағаны ғана емес, осьтердің бағытын қалай таңдағаны маңызды емес.
Дискретті сынып
Кеңістік-уақыт симметриясы, ығысу және айналу принципі үздіксіз гармониялар деп аталады, өйткені координат осьтерін кез келген ерікті шамаға жылжытуға және ерікті бұрышпен айналдыруға болады. Басқа класс дискретті деп аталады. Гармонияның мысалы ретінде айнадағы көріністер де, паритет те болады. Ньютон заңдарында да екі жақты симметрияның бұл принципі бар. Гравитациялық өрісте құлаған заттың қозғалысын бақылап, содан кейін айнадағы дәл сол қозғалысты зерттеу керек.
Траектория әртүрлі болғанымен, ол Ньютон заңдарына бағынады. Бұл таза, жақсы жылтыратылған айнаның алдында тұрған және объектінің қай жерде және айнадағы кескіннің қайда екенін білмеген кез келген адамға таныс. Бұл симметрия принципін сипаттаудың тағы бір тәсілі - сол жақ пен қарама-қарсы жақтың ұқсастығы. Мысалы, үш өлшемді декарттық координаталар әдетте «оң қол ережесіне» сәйкес жазылады. Яғни, адам оң қолын z айналасында айналдырып, x Oy нүктесінен басталып, x-ке қарай қозғалса, z осі бойындағы оң ағын бас бармақ көрсететін бағытта болады.
Дәстүрлі емескоординаталар жүйесі 2 қарама-қарсы. Онда Z осі сол қолдың қай бағытта болатынын көрсетеді. Ньютон заңдарының өзгермейтіндігі туралы мәлімдеме адамның кез келген координат жүйесін қолдана алатынын білдіреді және табиғат ережелері бірдей көрінеді. Сондай-ақ, паритет симметриясының әдетте P әрпімен белгіленетінін атап өткен жөн. Енді келесі сұраққа көшейік.
Симметрия амалдары мен түрлері, симметрия принциптері
Паритет ғылымға қызығушылықтың жалғыз дискретті пропорционалдығы емес. Екіншісі уақыттың өзгеруі деп аталады. Ньютондық механикада ауырлық күшінің әсерінен объектінің түсірілген бейнежазбасын елестетуге болады. Осыдан кейін бейнені кері бағытта іске қосуды қарастыру керек. «Уақыт бойынша алға» және «артқа» қозғалыстар Ньютон заңдарына бағынады (кері қозғалыс өте ақылға қонымды емес жағдайды сипаттауы мүмкін, бірақ ол заңдарды бұзбайды). Уақытты өзгерту әдетте T әрпімен белгіленеді.
Зарядтау конъюгациясы
Әрбір белгілі бөлшек (электрон, протон, т.б.) үшін антибөлшек болады. Оның массасы бірдей, бірақ электр заряды керісінше. Электронның антибөлшегі позитрон деп аталады. Протон - антипротон. Соңғы уақытта антисутек өндіріліп, зерттелді. Заряд конъюгациясы - бөлшектер мен олардың антибөлшектері арасындағы симметрия. Олар бірдей емес екені анық. Бірақ симметрия принципі, мысалы, электр өрісіндегі электронның әрекеті қарама-қарсы фондағы позитронның әрекеттерімен бірдей екенін білдіреді. Заряд конъюгациясы белгіленедіC әрпі.
Алайда бұл симметриялар табиғат заңдарының дәл пропорциялары емес. 1956 жылы эксперименттер күтпеген жерден бета-ыдырау деп аталатын радиоактивтіліктің бір түрінде сол және оң жақта ассиметрия бар екенін көрсетті. Ол алғаш рет атом ядроларының ыдырауында зерттелді, бірақ ол ең оңай теріс зарядталған π-мезонның ыдырауында сипатталады, басқа күшті әсерлесетін бөлшек.
Ол өз кезегінде не мюонға, не электронға және олардың антинейтриносына ыдырайды. Бірақ берілген зарядтағы ыдыраулар өте сирек кездеседі. Бұл (арнайы салыстырмалылықты қолданатын аргумент арқылы) тұжырымдаманың әрқашан оның қозғалыс бағытына параллель айналуымен пайда болуымен байланысты. Табиғат сол және оң жақ арасында симметриялы болса, нейтриноның жарты уақыты спиніне параллель, ал бөлігі антипараллельді болады.
Бұл айнада қозғалыс бағыты өзгертілмей, айналу арқылы болатындығына байланысты. Осыған байланысты оң зарядталған π + мезон, антибөлшек π -. Ол импульсіне параллель спині бар электронды нейтриноға ыдырайды. Бұл оның мінез-құлқының айырмашылығы. Оның антибөлшектері заряд конъюгациясының үзілуінің мысалы болып табылады.
Осы ашылулардан кейін уақыттың кері инварианты T бұзылды ма деген сұрақ туындады. Кванттық механиканың және салыстырмалық теориясының жалпы принциптеріне сәйкес Т-ның бұзылуы C × P конъюгациясының туындысы болып табылады. алымдар мен паритет. SR, егер бұл жақсы симметрия принципі π + → e + + ν ыдырауы бірдей жүруі керек дегенді білдіредіжылдамдығы π - → e - + ретінде. 1964 жылы Кмесон деп аталатын күшті өзара әрекеттесетін бөлшектердің басқа жиынтығын қамтитын CP бұзатын процестің мысалы табылды. Бұл дәндердің CP-нің шамалы бұзылуын өлшеуге мүмкіндік беретін ерекше қасиеттері бар екені белгілі болды. Тек 2001 жылға дейін SR бұзылуы басқа жиынтық В мезондарының ыдырауында сенімді түрде өлшенді.
Бұл нәтижелер симметрияның болмауы көбінесе оның болуы сияқты қызықты екенін анық көрсетеді. Шынында да, SR бұзылуын ашқаннан кейін көп ұзамай Андрей Сахаров бұл ғаламдағы антиматериядан материяның басымдығын түсіну үшін табиғат заңдарының қажетті құрамдас бөлігі екенін атап өтті.
Қағидалар
Осы уақытқа дейін CPT, заряд конъюгациясы, паритет, уақытты өзгерту комбинациясы сақталған деп есептеледі. Бұл салыстырмалылық пен кванттық механиканың жалпы принциптерінен туындайды және бүгінгі күнге дейін эксперименталды зерттеулермен расталды. Бұл симметрияның қандай да бір бұзылуы анықталса, оның салдары ауыр болады.
Әзірше талқыланатын пропорциялар сақталу заңдарына немесе бөлшектер арасындағы реакция жылдамдықтары арасындағы қатынастарға әкелетіндіктен маңызды. Бөлшектер арасындағы көптеген күштерді нақты анықтайтын симметриялардың тағы бір класы бар. Бұл пропорциялар жергілікті немесе калибрлі пропорциялар ретінде белгілі.
Осындай симметрияның бірі электромагниттік әсерлесуге әкеледі. Екіншісі, Эйнштейннің қорытындысында, гравитацияға. Оның жалпылық принципін баяндау кезіндеСалыстырмалылық теориясында ғалым табиғат заңдары олардың инвариантты болуы үшін ғана емес, мысалы, кеңістіктің барлық жерінде бір мезгілде координаттарды айналдырған кезде, бірақ кез келген өзгеріс кезінде қол жетімді болуы керек деп тұжырымдады.
Бұл құбылысты сипаттайтын математиканы ХІХ ғасырда Фридрих Риман және басқалар жасаған. Эйнштейн ішінара бейімделіп, кейбіреулерін өз қажеттіліктері үшін қайта ойлап тапты. Бұл принципке бағынатын теңдеулерді (заңдарды) жазу үшін электромагниттікке көп жағынан ұқсас өрісті енгізу керек екен (оның спині екіге тең болғаннан басқа). Ол Ньютонның тартылыс заңын тым массасы жоқ, жылдам немесе бос қозғалатын заттармен дұрыс байланыстырады. Мұндай жүйелер үшін (жарық жылдамдығымен салыстырғанда) жалпы салыстырмалылық қара тесіктер мен гравитациялық толқындар сияқты көптеген экзотикалық құбылыстарға әкеледі. Мұның бәрі Эйнштейннің өте зиянсыз түсінігінен туындайды.
Математика және басқа ғылымдар
Симметрия принциптері мен электр және магнетизмге әкелетін сақталу заңдары жергілікті пропорционалдылықтың тағы бір мысалы болып табылады. Бұған кіру үшін математикаға жүгіну керек. Кванттық механикада электронның қасиеттері «толқындық функция» ψ(x) арқылы сипатталады. Жұмыс үшін ψ күрделі сан болуы өте маңызды. Ол, өз кезегінде, әрқашан нақты санның, ρ және нүктелердің, e iθ көбейтіндісі ретінде жазылуы мүмкін. Мысалы, кванттық механикада толқындық функцияны ешбір әсерсіз тұрақты фазаға көбейтуге болады.
Бірақ симметрия принципі болсакүштірек нәрседе жатыр, теңдеулер кезеңдерге тәуелді емес (дәлірек айтқанда, әртүрлі зарядтары бар бөлшектер көп болса, табиғаттағыдай, меншікті комбинация маңызды емес), жалпы салыстырмалылықтағы сияқты, енгізу қажет. өрістердің басқа жиынтығы. Бұл аймақтар электромагниттік болып табылады. Бұл симметрия принципін қолдану өрістің Максвелл теңдеулеріне бағынуын талап етеді. Бұл маңызды.
Бүгінгі таңда Стандартты модельдің барлық өзара әрекеттесулері жергілікті калибрлер симметриясының осындай принциптерінен туындайтыны түсініледі. W және Z жолақтарының бар болуы, сондай-ақ олардың массалары, жартылай ыдырау кезеңдері және басқа ұқсас қасиеттері осы принциптердің салдары ретінде сәтті болжалды.
Өлшеусіз сандар
Бірқатар себептерге байланысты басқа ықтимал симметрия принциптерінің тізімі ұсынылды. Осындай гипотетикалық үлгілердің бірі суперсимметрия ретінде белгілі. Ол екі себеп бойынша ұсынылды. Ең алдымен, ол бұрыннан келе жатқан жұмбақты түсіндіре алады: «Неге табиғат заңдарында өлшемсіз сандар өте аз».
Мысалы, Планк өзінің h тұрақтысын енгізгенде, оны Ньютон тұрақтысынан бастап массалық өлшемдері бар шаманы жазу үшін қолдануға болатынын түсінді. Бұл сан енді Планк мәні ретінде белгілі.
Ұлы кванттық физик Пол Дирак (антиматерияның бар екенін болжаған) «үлкен сандар мәселесін» шығарды. Бұл суперсимметрияның бұл табиғатын постулациялау мәселені шешуге көмектесетіні белгілі болды. Суперсимметрия жалпы салыстырмалылық принциптерінің қалай болатынын түсінудің ажырамас бөлігі болып табыладыкванттық механикаға сәйкес болыңыз.
Суперсиметрия дегеніміз не?
Бұл параметр, егер бар болса, фермиондарды (Паули алып тастау принципіне бағынатын жартылай бүтін спині бар бөлшектер) бозондарға (лазерлердің әрекетіне әкелетін Bose статистикасы деп аталатын бүтін спині бар бөлшектер) қатыстырады. және Bose конденсаттары). Алайда, бір қарағанда, мұндай симметрияны ұсыну ақымақтық болып көрінеді, өйткені ол табиғатта болатын болса, әрбір фермион үшін дәл осындай массасы бар бозон болады деп күтуге болады және керісінше.
Басқаша айтқанда, таныс электроннан басқа, селектор деп аталатын, спині жоқ және алып тастау принципіне бағынбайтын бөлшек болуы керек, бірақ басқа жағынан ол электронмен бірдей. Сол сияқты, фотон нөлдік массасы және фотондарға ұқсас қасиеттері бар спинінің 1/2 (ол электрон сияқты алып тастау принципіне бағынатын) басқа бөлшекке сілтеме жасауы керек. Мұндай бөлшектер табылған жоқ. Алайда, бұл фактілерді сәйкес келтіруге болатыны белгілі болды және бұл симметрияға қатысты соңғы бір нүктеге әкеледі.
Бос орын
Пропорциялар табиғат заңдарының пропорциялары болуы мүмкін, бірақ оны қоршаған әлемде көрсету міндетті емес. Айналадағы кеңістік біркелкі емес. Ол белгілі бір жерлерде болатын барлық нәрселерге толы. Соған қарамастан, импульстің сақталуынан адам табиғат заңдарының симметриялы екенін біледі. Бірақ кейбір жағдайларда пропорционалдылық«өздігінен бұзылған». Бөлшектер физикасында бұл термин тар мағынада қолданылады.
Егер ең төменгі энергия күйі сәйкес келмесе, симметрия өздігінен бұзылады деп айтылады.
Бұл құбылыс табиғатта көп жағдайда кездеседі:
- Тұрақты магниттерде, ең төменгі энергия күйінде магнетизмді тудыратын спиндердің туралануы айналу өзгермейтіндігін бұзады.
- Хираль деп аталатын пропорционалдылықты жоққа шығаратын π мезондарының әрекеттесуінде.
Сұрақ: «Осындай бұзылған күйде суперсимметрия бар ма?» Қазір қарқынды эксперименталды зерттеулердің тақырыбы. Ол көптеген ғалымдардың ойында.
Симметрия принциптері және физикалық шамалардың сақталу заңдары
Ғылымда бұл ереже оқшауланған жүйенің белгілі бір өлшенетін қасиеті уақыт өте келе өзгермейтінін айтады. Нақты сақталу заңдарына энергия қорлары, сызықтық импульс, оның импульсі және электр заряды жатады. Сондай-ақ масса, паритет, лептон және барион саны, оғаштық, гиперзария және т.б. сияқты шамаларға қолданылатын шамамен бас тартудың көптеген ережелері бар. Бұл шамалар физикалық процестердің белгілі бір сыныптарында сақталады, бірақ барлығында емес.
Нотер теоремасы
Жергілікті заң әдетте математикалық түрде шама мен шама арасындағы қатынасты беретін ішінара дифференциалдық үздіксіздік теңдеуі ретінде өрнектеледі.оның тасымалдануы. Ол нүктеде немесе томда сақталған санды дыбыс деңгейіне кіретін немесе шығатын сан арқылы ғана өзгертуге болатынын айтады.
Нетер теоремасынан: әрбір сақталу заңы физикадағы симметрияның негізгі принципімен байланысты.
Ережелер осы ғылымда, сондай-ақ химия, биология, геология және техника сияқты басқа салаларда кеңінен қолданылатын табиғаттың іргелі нормалары болып саналады.
Заңдардың көпшілігі дәл немесе абсолютті. Олар барлық мүмкін болатын процестерге қатысты деген мағынада. Ноетер теоремасы бойынша симметрия принциптері жартылай болады. Олар кейбір процестер үшін жарамды, ал басқалары үшін емес деген мағынада. Ол сондай-ақ олардың әрқайсысының арасында жеке сәйкестік пен табиғаттың дифференциалданатын пропорционалдылығы бар екенін айтады.
Әсіресе маңызды нәтижелер: симметрия принципі, сақталу заңдары, Ноэтер теоремасы.
