Die natuurlike wêreld is 'n komplekse plek. Harmonies laat mense en wetenskaplikes toe om die volgorde daarin te onderskei. In fisika is dit lank reeds verstaan dat die beginsel van simmetrie nou verwant is aan die wette van bewaring. Die drie bekendste reëls is: behoud van energie, momentum en momentum. Die volharding van druk is 'n gevolg van die feit dat die houdings van die natuur nie met enige interval verander nie. Byvoorbeeld, in Newton se swaartekragwet kan mens jou voorstel dat GN, die gravitasiekonstante, van tyd afhang.
In hierdie geval sal geen energie bespaar word nie. Uit eksperimentele soektogte na oortredings van energiebesparing kan streng perke op enige sodanige verandering met verloop van tyd geplaas word. Hierdie simmetriebeginsel is redelik wyd en word in kwantum sowel as in klassieke meganika toegepas. Fisici verwys soms na hierdie parameter as die homogeniteit van tyd. Net so is behoud van momentum 'n gevolg van die feit dat daar geen spesiale plek is nie. Selfs al word die wêreld in terme van Cartesiese koördinate beskryf, sal die natuurwette dit nie omgee nieoorweeg bron.
Hierdie simmetrie word "vertaalinvariansie" of homogeniteit van ruimte genoem. Ten slotte hou behoud van hoekmomentum verband met die bekende beginsel van harmonie in die alledaagse lewe. Die natuurwette is onveranderlik onder rotasies. Dit maak byvoorbeeld nie net saak hoe 'n persoon die oorsprong van koördinate kies nie, maar dit maak nie saak hoe hy die oriëntasie van die asse kies nie.
Diskrete klas
Die beginsel van ruimte-tyd-simmetrie, verskuiwing en rotasie word kontinue harmonieë genoem, want jy kan die koördinaat-asse met enige arbitrêre hoeveelheid beweeg en met 'n arbitrêre hoek roteer. Die ander klas word diskreet genoem. 'n Voorbeeld van harmonie is beide refleksies in 'n spieël en pariteit. Newton se wette het ook hierdie beginsel van bilaterale simmetrie. 'n Mens hoef net die beweging van 'n voorwerp wat in 'n gravitasieveld val waar te neem, en dan dieselfde beweging in 'n spieël te bestudeer.
Terwyl die trajek anders is, gehoorsaam dit Newton se wette. Dit is bekend aan enigiemand wat al ooit voor 'n skoon, goed gepoleerde spieël gestaan het en verward is oor waar die voorwerp was en waar die spieëlbeeld was. Nog 'n manier om hierdie beginsel van simmetrie te beskryf, is die ooreenkoms tussen links en teenoorgestelde. Driedimensionele Cartesiese koördinate word byvoorbeeld gewoonlik volgens die "regterhandreël" geskryf. Dit wil sê, die positiewe vloei langs die z-as lê in die rigting wat die duim wys as die persoon sy regterhand om z draai, begin by x Oy en beweeg na x.
Onkonvensioneelkoördinaatstelsel 2 is teenoorgesteld. Daarop dui die Z-as die rigting aan waarin die linkerhand sal wees. Die stelling dat Newton se wette onveranderlik is, beteken dat 'n persoon enige koördinaatstelsel kan gebruik, en die reëls van die natuur lyk dieselfde. En dit is ook opmerklik dat pariteitsimmetrie gewoonlik met die letter P aangedui word. Kom ons gaan nou aan na die volgende vraag.
Bewerkings en tipes simmetrie, beginsels van simmetrie
Pariteit is nie die enigste diskrete eweredigheid van belang vir die wetenskap nie. Die ander word tydsverandering genoem. In Newtoniaanse meganika kan 'n mens 'n video-opname voorstel van 'n voorwerp wat onder die swaartekrag val. Daarna moet jy dit oorweeg om die video omgekeerd te laat loop. Beide "vorentoe in tyd" en "agtertoe" bewegings sal Newton se wette gehoorsaam (omgekeerde beweging kan 'n situasie beskryf wat nie baie aanneemlik is nie, maar dit sal nie die wette oortree nie). Tydomkering word gewoonlik met die letter T aangedui.
Charge conjugation
Vir elke bekende deeltjie (elektron, proton, ens.) is daar 'n teendeeltjie. Dit het presies dieselfde massa, maar die teenoorgestelde elektriese lading. Die antipartikel van 'n elektron word 'n positron genoem. 'n Proton is 'n antiproton. Onlangs is antiwaterstof geproduseer en bestudeer. Ladingvervoeging is 'n simmetrie tussen deeltjies en hul antideeltjies. Dit is duidelik dat hulle nie dieselfde is nie. Maar die beginsel van simmetrie beteken dat byvoorbeeld die gedrag van 'n elektron in 'n elektriese veld identies is aan die aksies van 'n positron in die teenoorgestelde agtergrond. Ladingvervoeging word aangeduiletter C.
Hierdie simmetrieë is egter nie presiese verhoudings van die natuurwette nie. In 1956 het eksperimente onverwags gewys dat in 'n tipe radioaktiwiteit wat beta-verval genoem word, daar 'n asimmetrie tussen links en regs was. Dit is eers bestudeer in die verval van atoomkerne, maar dit word die maklikste beskryf in die ontbinding van die negatief gelaaide π meson, nog 'n sterk interaksie deeltjie.
Dit ontbind op sy beurt óf in 'n muon, óf in 'n elektron en hul antineutrino. Maar verval op 'n gegewe lading is baie skaars. Dit is te wyte (deur 'n argument wat spesiale relatiwiteit gebruik) aan die feit dat 'n konsep altyd na vore kom met sy rotasie parallel met sy bewegingsrigting. As die natuur simmetries tussen links en regs was, sou 'n mens die neutrino halftyd vind met sy spin parallel en die deel met sy antiparallel.
Dit is te wyte aan die feit dat in die spieël die rigting van beweging nie gewysig word nie, maar deur rotasie. Geassosieer hiermee is die positief gelaaide π + meson, die antipartikel π -. Dit verval in 'n elektronneutrino met 'n parallelle spin tot sy momentum. Dit is die verskil tussen sy gedrag. Sy teendeeltjies is 'n voorbeeld van ladingsvervoeging wat breek.
Na hierdie ontdekkings is die vraag geopper of die tydomkering-invariansie T geskend is. Volgens die algemene beginsels van kwantummeganika en relatiwiteit is die skending van T verwant aan C × P, die produk van vervoeging van heffings en pariteit. SR, as dit 'n goeie simmetriebeginsel is, beteken dit dat die verval π + → e + + ν met dieselfde moet gaanspoed as π - → e - +. In 1964 is 'n voorbeeld van 'n proses ontdek wat CP oortree wat 'n ander stel sterk interaksie deeltjies genoem Kmesons insluit. Dit blyk dat hierdie korrels spesiale eienskappe het wat ons toelaat om 'n effense oortreding van CP te meet. Eers in 2001 is SR-ontwrigting oortuigend gemeet in die verval van 'n ander stel, B mesons.
Hierdie resultate toon duidelik dat die afwesigheid van simmetrie dikwels net so interessant is as die teenwoordigheid daarvan. Inderdaad, kort na die ontdekking van SR-oortreding, het Andrei Sakharov opgemerk dat dit 'n noodsaaklike komponent in die natuurwette is om die oorheersing van materie bo antimaterie in die heelal te verstaan.
Beginsels
Tot nou toe word geglo dat die kombinasie van CPT, ladingvervoeging, pariteit, tydomkering, behoue bly. Dit volg uit die taamlik algemene beginsels van relatiwiteit en kwantummeganika, en is tot op hede deur eksperimentele studies bevestig. As enige skending van hierdie simmetrie gevind word, sal dit diepgaande gevolge hê.
Tot dusver is die proporsies onder bespreking belangrik deurdat dit lei tot bewaringswette of verwantskappe tussen reaksietempo's tussen deeltjies. Daar is 'n ander klas simmetrieë wat eintlik baie van die kragte tussen deeltjies bepaal. Hierdie proporsionaliteite staan bekend as plaaslike of maatverhoudings.
Een so 'n simmetrie lei tot elektromagnetiese interaksies. Die ander, in Einstein se gevolgtrekking, tot swaartekrag. In die uitleg van sy beginsel van algemeenIn relatiwiteitsteorie het die wetenskaplike aangevoer dat die natuurwette nie net beskikbaar moet wees sodat dit onveranderlik kan wees nie, byvoorbeeld wanneer koördinate gelyktydig oral in die ruimte roteer, maar met enige verandering.
Die wiskunde om hierdie verskynsel te beskryf, is in die negentiende eeu deur Friedrich Riemann en ander ontwikkel. Einstein het sommige gedeeltelik aangepas en herontdek vir sy eie behoeftes. Dit blyk dat om vergelykings (wette) te skryf wat hierdie beginsel gehoorsaam, dit nodig is om 'n veld in te voer wat in baie opsigte soortgelyk is aan elektromagneties (behalwe dat dit 'n spin van twee het). Dit verbind Newton se swaartekragwet korrek met dinge wat nie te massief is nie, vinnig beweeg of los is. Vir stelsels wat so is (in vergelyking met die spoed van lig), lei algemene relatiwiteit tot baie eksotiese verskynsels soos swart gate en gravitasiegolwe. Dit alles spruit uit Einstein se taamlik onskadelike idee.
Wiskunde en ander wetenskappe
Die beginsels van simmetrie en bewaringswette wat lei tot elektrisiteit en magnetisme is nog 'n voorbeeld van plaaslike proporsionaliteit. Om dit te betree, moet 'n mens jou tot wiskunde wend. In kwantummeganika word die eienskappe van 'n elektron beskryf deur die "golffunksie" ψ(x). Dit is noodsaaklik vir die werk dat ψ 'n komplekse getal is. Dit kan op sy beurt altyd geskryf word as die produk van 'n reële getal, ρ, en periodes, e iθ. Byvoorbeeld, in kwantummeganika kan jy die golffunksie met die konstante fase vermenigvuldig, sonder enige effek.
Maar as die beginsel van simmetrielê op iets sterker, dat die vergelykings nie afhanklik is van die stadiums nie (meer presies, as daar baie deeltjies met verskillende ladings is, soos in die natuur, is die spesifieke kombinasie nie belangrik nie), is dit nodig, soos in algemene relatiwiteit, om in te voer 'n ander stel velde. Hierdie sones is elektromagneties. Die toepassing van hierdie simmetriebeginsel vereis dat die veld Maxwell se vergelykings moet gehoorsaam. Dit is belangrik.
Vandag word verstaan dat alle interaksies van die Standaardmodel uit sulke beginsels van plaaslike maatsimmetrie volg. Die bestaan van die W- en Z-bande, sowel as hul massas, halfleeftye en ander soortgelyke eienskappe, is suksesvol voorspel as gevolg van hierdie beginsels.
Onmeetbare getalle
Om 'n aantal redes is 'n lys van ander moontlike simmetriebeginsels voorgestel. Een so 'n hipotetiese model staan bekend as supersimmetrie. Dit is om twee redes voorgestel. Eerstens kan dit 'n langdurige raaisel verduidelik: "Waarom is daar baie min dimensielose getalle in die natuurwette."
Byvoorbeeld, toe Planck sy konstante h bekendstel, het hy besef dat dit gebruik kan word om 'n hoeveelheid met massa-afmetings te skryf, wat met Newton se konstante begin. Hierdie getal staan nou bekend as die Planck-waarde.
Die groot kwantumfisikus Paul Dirac (wat die bestaan van antimaterie voorspel het) het die "probleem van groot getalle" afgelei. Dit blyk dat die postuleer van hierdie aard van supersimmetrie die probleem kan help oplos. Supersimmetrie is ook 'n integrale deel van die begrip van hoe die beginsels van algemene relatiwiteit kanwees in ooreenstemming met kwantummeganika.
Wat is supersimmetrie?
Hierdie parameter, as dit bestaan, bring fermione (deeltjies met halfheelgetalspin wat die Pauli-uitsluitingsbeginsel gehoorsaam) in verband met bosone (deeltjies met heelgetalspin wat sogenaamde Bose-statistieke gehoorsaam, wat lei tot die gedrag van lasers en Bose kondensate). Met die eerste oogopslag lyk dit egter simpel om so 'n simmetrie voor te stel, want as dit in die natuur sou voorkom, sou 'n mens verwag dat daar vir elke fermion 'n boson met presies dieselfde massa sou wees, en omgekeerd.
Met ander woorde, bykomend tot die bekende elektron, moet daar 'n deeltjie wees wat 'n selekter genoem word, wat geen spin het nie en nie die uitsluitingsbeginsel gehoorsaam nie, maar in alle ander opsigte is dit dieselfde as die elektron. Net so moet 'n foton verwys na 'n ander deeltjie met spin 1/2 (wat die uitsluitingsbeginsel gehoorsaam, soos 'n elektron) met nulmassa en eienskappe baie soos fotone. Sulke deeltjies is nie gevind nie. Dit blyk egter dat hierdie feite met mekaar versoen kan word, en dit lei tot 'n laaste punt oor simmetrie.
Space
Proporties kan proporsies van die natuurwette wees, maar hoef nie noodwendig in die omringende wêreld gemanifesteer te word nie. Die ruimte rondom is nie eenvormig nie. Dit is gevul met allerhande dinge wat op sekere plekke is. Nietemin, uit die behoud van momentum weet die mens dat die natuurwette simmetries is. Maar in sommige omstandighede proporsionaliteit"spontaan gebreek". In deeltjiefisika word hierdie term nouer gebruik.
Simmetrie word na bewering spontaan verbreek as die laagste energietoestand nie eweredig is nie.
Hierdie verskynsel kom in baie gevalle in die natuur voor:
- In permanente magnete, waar die belyning van spins wat magnetisme in die laagste energietoestand veroorsaak, rotasie-invariansie verbreek.
- In die interaksies van π-mesone, wat die proporsionaliteit wat chiraal genoem word, stomp.
Die vraag: "Bestaan supersimmetrie in so 'n gebroke toestand" is nou die onderwerp van intense eksperimentele navorsing. Dit beset die gedagtes van baie wetenskaplikes.
Beginsels van simmetrie en wette van behoud van fisiese hoeveelhede
In die wetenskap stel hierdie reël dat 'n bepaalde meetbare eienskap van 'n geïsoleerde sisteem nie verander soos dit oor tyd ontwikkel nie. Die presiese bewaringswette sluit die reserwes van energie, lineêre momentum, sy momentum en elektriese lading in. Daar is ook baie reëls van benaderde verlating wat van toepassing is op hoeveelhede soos massas, pariteit, lepton- en bariongetal, vreemdheid, hiperzary, ens. Hierdie hoeveelhede word in sekere klasse fisiese prosesse bewaar, maar nie in almal nie.
Noether se stelling
Plaaslike wet word gewoonlik wiskundig uitgedruk as 'n parsiële differensiële kontinuïteitsvergelyking wat die verhouding tussen hoeveelheid hoeveelheid ensy oordrag. Dit stel dat die nommer wat in 'n punt of volume gestoor is, slegs verander kan word deur dit wat die volume binnegaan of verlaat.
Uit Noether se stelling: elke bewaringswet hou verband met die basiese beginsel van simmetrie in fisika.
Reëls word beskou as fundamentele norme van die natuur met wye toepassing in hierdie wetenskap, sowel as in ander velde soos chemie, biologie, geologie en ingenieurswese.
Die meeste wette is presies of absoluut. In die sin dat hulle van toepassing is op alle moontlike prosesse. Volgens Noether se stelling is simmetriebeginsels gedeeltelik. In die sin dat hulle geldig is vir sommige prosesse, maar nie vir ander nie. Sy meld ook dat daar 'n een-tot-een ooreenkoms tussen elkeen van hulle is en die onderskeibare proporsionaliteit van die natuur.
Besonder belangrike resultate is: die simmetriebeginsel, bewaringswette, Noether se stelling.
