Dunia semula jadi adalah tempat yang kompleks. Harmoni membolehkan orang ramai dan saintis membezakan susunan di dalamnya. Dalam fizik, telah lama difahami bahawa prinsip simetri berkait rapat dengan undang-undang pemuliharaan. Tiga peraturan yang paling terkenal ialah: pemuliharaan tenaga, momentum dan momentum. Tekanan yang berterusan adalah akibat daripada hakikat bahawa sikap alam semula jadi tidak berubah pada bila-bila masa. Contohnya, dalam hukum graviti Newton, seseorang boleh membayangkan bahawa GN, pemalar graviti, bergantung pada masa.
Dalam kes ini tiada tenaga akan disimpan. Daripada carian percubaan untuk pelanggaran penjimatan tenaga, had yang ketat boleh dikenakan ke atas sebarang perubahan sedemikian dari semasa ke semasa. Prinsip simetri ini agak luas dan digunakan dalam kuantum serta dalam mekanik klasik. Ahli fizik kadangkala merujuk kepada parameter ini sebagai kehomogenan masa. Begitu juga, pemuliharaan momentum adalah akibat daripada fakta bahawa tiada tempat istimewa. Walaupun dunia digambarkan dari segi koordinat Cartesian, undang-undang alam tidak akan pedulipertimbangkan sumber.
Simetri ini dipanggil "invarian terjemahan" atau kehomogenan ruang. Akhir sekali, pemuliharaan momentum sudut berkaitan dengan prinsip keharmonian yang biasa dalam kehidupan seharian. Undang-undang alam adalah invarian di bawah putaran. Contohnya, bukan sahaja tidak kira cara seseorang memilih asal koordinat, tetapi tidak kira cara dia memilih orientasi paksi.
Kelas diskret
Prinsip simetri ruang-masa, anjakan dan putaran dipanggil harmoni berterusan, kerana anda boleh menggerakkan paksi koordinat dengan sebarang jumlah sewenang-wenangnya dan berputar mengikut sudut sewenang-wenangnya. Kelas lain dipanggil diskret. Contoh keharmonian ialah pantulan dalam cermin dan pariti. Undang-undang Newton juga mempunyai prinsip simetri dua hala ini. Seseorang hanya perlu memerhati pergerakan objek yang jatuh dalam medan graviti, dan kemudian mengkaji pergerakan yang sama dalam cermin.
Walaupun trajektori berbeza, ia mematuhi undang-undang Newton. Perkara ini biasa kepada sesiapa sahaja yang pernah berdiri di hadapan cermin yang bersih dan digilap dengan baik dan keliru tentang di mana objek itu dan di mana imej cermin itu. Satu lagi cara untuk menerangkan prinsip simetri ini ialah persamaan antara kiri dan bertentangan. Sebagai contoh, koordinat Cartesian tiga dimensi biasanya ditulis mengikut "peraturan tangan kanan". Iaitu, aliran positif sepanjang paksi z terletak pada arah yang dihalakan oleh ibu jari jika orang itu memutarkan tangan kanannya mengelilingi z, bermula pada x Oy dan bergerak ke arah x.
Tidak konvensionalsistem koordinat 2 adalah bertentangan. Di atasnya, paksi Z menunjukkan arah di mana tangan kiri akan berada. Pernyataan bahawa undang-undang Newton adalah invarian bermakna seseorang boleh menggunakan mana-mana sistem koordinat, dan peraturan alam semula jadi kelihatan sama. Dan juga perlu diperhatikan bahawa simetri pariti biasanya dilambangkan dengan huruf P. Sekarang mari kita beralih kepada soalan seterusnya.
Operasi dan jenis simetri, prinsip simetri
Pariti bukan satu-satunya perkadaran diskret kepentingan sains. Yang lain dipanggil perubahan masa. Dalam mekanik Newtonian, seseorang boleh membayangkan rakaman video objek jatuh di bawah daya graviti. Selepas itu, anda perlu mempertimbangkan untuk menjalankan video secara terbalik. Kedua-dua gerakan "ke hadapan dalam masa" dan "ke belakang" akan mematuhi undang-undang Newton (pergerakan songsang mungkin menggambarkan situasi yang tidak begitu munasabah, tetapi ia tidak akan melanggar undang-undang). Pembalikan masa biasanya dilambangkan dengan huruf T.
Caj konjugasi
Untuk setiap zarah yang diketahui (elektron, proton, dll.) terdapat antizarah. Ia mempunyai jisim yang sama, tetapi cas elektrik yang bertentangan. Antizarah elektron dipanggil positron. Proton ialah antiproton. Baru-baru ini, antihidrogen telah dihasilkan dan dikaji. Konjugasi cas ialah simetri antara zarah dan antizarahnya. Jelas sekali mereka tidak sama. Tetapi prinsip simetri bermakna, sebagai contoh, kelakuan elektron dalam medan elektrik adalah sama dengan tindakan positron dalam latar belakang yang bertentangan. Konjugasi cas dilambangkanhuruf C.
Simetri ini, bagaimanapun, bukanlah perkadaran yang tepat bagi undang-undang alam. Pada tahun 1956, eksperimen tanpa diduga menunjukkan bahawa dalam sejenis radioaktiviti yang dipanggil pereputan beta, terdapat asimetri antara kiri dan kanan. Ia pertama kali dikaji dalam pereputan nukleus atom, tetapi ia paling mudah digambarkan dalam penguraian meson π bercas negatif, satu lagi zarah yang berinteraksi kuat.
Ia, seterusnya, terurai sama ada menjadi muon, atau menjadi elektron dan antineutrinonya. Tetapi pereputan pada caj tertentu sangat jarang berlaku. Ini disebabkan (melalui hujah yang menggunakan relativiti khas) kepada fakta bahawa konsep sentiasa muncul dengan putarannya selari dengan arah gerakannya. Jika alam semula jadi simetri antara kiri dan kanan, seseorang akan mendapati separuh masa neutrino dengan putaran selari dan bahagian dengan antiselarinya.
Ini disebabkan oleh fakta bahawa dalam cermin arah pergerakan tidak diubah suai, tetapi dengan putaran. Dikaitkan dengan ini ialah π + meson bercas positif, antizarah π -. Ia mereput menjadi neutrino elektron dengan putaran selari dengan momentumnya. Inilah perbezaan antara perangainya. Antizarahnya ialah contoh pemecahan konjugasi cas.
Selepas penemuan ini, persoalan telah dibangkitkan sama ada invarian pembalikan masa T telah dilanggar. Menurut prinsip umum mekanik kuantum dan relativiti, pelanggaran T berkaitan dengan C × P, hasil konjugasi bagi caj dan pariti. SR, jika ini adalah prinsip simetri yang baik bermakna pereputan π + → e + + ν mesti pergi dengan yang samakelajuan sebagai π - → e - +. Pada tahun 1964, satu contoh proses yang melanggar CP ditemui melibatkan satu lagi set zarah yang berinteraksi kuat dipanggil Kmesons. Ternyata bijirin ini mempunyai ciri khas yang membolehkan kita mengukur sedikit pelanggaran CP. Sehingga tahun 2001 gangguan SR diukur dengan meyakinkan dalam pereputan set lain, B mesons.
Hasil ini jelas menunjukkan bahawa ketiadaan simetri selalunya sama menariknya dengan kehadirannya. Sememangnya, tidak lama selepas penemuan pelanggaran SR, Andrei Sakharov menyatakan bahawa ia adalah komponen yang perlu dalam undang-undang alam untuk memahami penguasaan jirim berbanding antijirim di alam semesta.
Prinsip
Sehingga kini dipercayai bahawa gabungan CPT, konjugasi cas, pariti, pembalikan masa, dipelihara. Ini mengikuti prinsip relativiti dan mekanik kuantum yang agak umum, dan telah disahkan oleh kajian eksperimen sehingga kini. Jika sebarang pelanggaran simetri ini ditemui, ia akan membawa akibat yang mendalam.
Setakat ini, perkadaran yang dibincangkan adalah penting kerana ia membawa kepada undang-undang pemuliharaan atau hubungan antara kadar tindak balas antara zarah. Terdapat satu lagi kelas simetri yang sebenarnya menentukan banyak daya antara zarah. Perkadaran ini dikenali sebagai perkadaran setempat atau pengukur.
Satu simetri sedemikian membawa kepada interaksi elektromagnet. Yang lain, dalam kesimpulan Einstein, kepada graviti. Dalam meletakkan prinsip amnyaDalam teori relativiti, saintis berhujah bahawa undang-undang alam harus tersedia bukan sahaja agar ia tidak berubah, contohnya, apabila berputar koordinat secara serentak di mana-mana di angkasa, tetapi dengan sebarang perubahan.
Matematik untuk menerangkan fenomena ini telah dibangunkan oleh Friedrich Riemann dan yang lain pada abad kesembilan belas. Einstein sebahagiannya menyesuaikan dan mencipta semula beberapa untuk keperluannya sendiri. Ternyata untuk menulis persamaan (undang-undang) yang mematuhi prinsip ini, adalah perlu untuk memperkenalkan medan yang dalam banyak cara serupa dengan elektromagnet (kecuali ia mempunyai putaran dua). Ia menghubungkan hukum graviti Newton dengan betul kepada benda yang tidak terlalu besar, bergerak pantas atau longgar. Bagi sistem yang begitu (berbanding dengan kelajuan cahaya), relativiti am membawa kepada banyak fenomena eksotik seperti lubang hitam dan gelombang graviti. Semua ini berpunca daripada tanggapan Einstein yang agak tidak berbahaya.
Matematik dan sains lain
Prinsip undang-undang simetri dan pemuliharaan yang membawa kepada elektrik dan kemagnetan ialah satu lagi contoh perkadaran tempatan. Untuk memasuki ini, seseorang mesti beralih kepada matematik. Dalam mekanik kuantum, sifat-sifat elektron diterangkan oleh "fungsi gelombang" ψ(x). Adalah penting untuk kerja yang ψ menjadi nombor kompleks. Ia, seterusnya, sentiasa boleh ditulis sebagai hasil darab nombor nyata, ρ, dan noktah, e iθ. Contohnya, dalam mekanik kuantum, anda boleh mendarabkan fungsi gelombang dengan fasa malar, tanpa kesan.
Tetapi jika prinsip simetriterletak pada sesuatu yang lebih kuat, bahawa persamaan tidak bergantung pada peringkat (lebih tepat, jika terdapat banyak zarah dengan cas yang berbeza, seperti dalam alam semula jadi, gabungan khusus tidak penting), adalah perlu, seperti dalam kerelatifan umum, untuk memperkenalkan set medan yang berbeza. Zon ini adalah elektromagnet. Penggunaan prinsip simetri ini memerlukan medan mematuhi persamaan Maxwell. Ini penting.
Hari ini, semua interaksi Model Standard difahamkan mengikut prinsip simetri tolok tempatan sedemikian. Kewujudan jalur W dan Z, serta jisim, separuh hayat dan sifat lain yang serupa, telah berjaya diramalkan sebagai akibat daripada prinsip ini.
Nombor tidak boleh diukur
Atas beberapa sebab, senarai prinsip simetri lain yang mungkin telah dicadangkan. Satu model hipotesis sedemikian dikenali sebagai supersimetri. Ia dicadangkan atas dua sebab. Pertama sekali, ia boleh menerangkan teka-teki yang sudah lama wujud: "Mengapa terdapat sangat sedikit nombor tidak berdimensi dalam undang-undang alam."
Sebagai contoh, apabila Planck memperkenalkan pemalar h, dia menyedari bahawa ia boleh digunakan untuk menulis kuantiti dengan dimensi jisim, bermula dengan pemalar Newton. Nombor ini kini dikenali sebagai nilai Planck.
Ahli fizik kuantum yang hebat Paul Dirac (yang meramalkan kewujudan antijirim) menyimpulkan "masalah bilangan besar". Ternyata postulat sifat supersimetri ini boleh membantu menyelesaikan masalah. Supersimetri juga penting untuk memahami bagaimana prinsip relativiti am bolehkonsisten dengan mekanik kuantum.
Apakah supersimetri?
Parameter ini, jika wujud, mengaitkan fermion (zarah dengan putaran separuh integer yang mematuhi prinsip pengecualian Pauli) dengan boson (zarah dengan putaran integer yang mematuhi apa yang dipanggil statistik Bose, yang membawa kepada kelakuan laser dan kondensat Bose). Walau bagaimanapun, pada pandangan pertama, nampaknya bodoh untuk mencadangkan simetri sedemikian, kerana jika ia berlaku di alam semula jadi, seseorang akan menjangkakan bahawa untuk setiap fermion akan ada boson dengan jisim yang sama, dan sebaliknya.
Dengan kata lain, sebagai tambahan kepada elektron biasa, mesti ada zarah yang dipanggil pemilih, yang tidak mempunyai putaran dan tidak mematuhi prinsip pengecualian, tetapi dalam semua aspek lain ia adalah sama dengan elektron. Begitu juga, foton harus merujuk kepada zarah lain dengan putaran 1/2 (yang mematuhi prinsip pengecualian, seperti elektron) dengan jisim sifar dan sifat seperti foton. Zarah seperti itu tidak dijumpai. Walau bagaimanapun, ternyata fakta ini boleh diselaraskan, dan ini membawa kepada satu perkara terakhir tentang simetri.
Ruang
Perkadaran boleh menjadi perkadaran undang-undang alam, tetapi tidak semestinya perlu dimanifestasikan di dunia sekeliling. Ruang di sekeliling tidak seragam. Ia dipenuhi dengan pelbagai perkara yang ada di tempat-tempat tertentu. Namun begitu, daripada pemuliharaan momentum, manusia mengetahui bahawa undang-undang alam adalah simetri. Tetapi dalam beberapa keadaan perkadaran"pecah secara spontan". Dalam fizik zarah, istilah ini digunakan dengan lebih sempit.
Simetri dikatakan pecah secara spontan jika keadaan tenaga terendah tidak sepadan.
Fenomena ini berlaku dalam banyak kes di alam semula jadi:
- Dalam magnet kekal, di mana penjajaran putaran yang menyebabkan kemagnetan dalam keadaan tenaga terendah memecahkan invarian putaran.
- Dalam interaksi π meson, yang menumpulkan perkadaran yang dipanggil kiral.
Soalan: "Adakah supersimetri wujud dalam keadaan rosak sedemikian" kini menjadi subjek penyelidikan eksperimen yang sengit. Ia menduduki fikiran ramai saintis.
Prinsip simetri dan undang-undang pengekalan kuantiti fizik
Dalam sains, peraturan ini menyatakan bahawa sifat boleh diukur tertentu bagi sistem terpencil tidak berubah apabila ia berkembang dari semasa ke semasa. Undang-undang pemuliharaan yang tepat termasuk rizab tenaga, momentum linear, momentumnya, dan cas elektrik. Terdapat juga banyak peraturan pengabaian anggaran yang terpakai pada kuantiti seperti jisim, pariti, nombor lepton dan baryon, keanehan, hyperzary, dll. Kuantiti ini dipelihara dalam kelas proses fizikal tertentu, tetapi tidak semuanya.
Teorem Noether
Undang-undang tempatan biasanya dinyatakan secara matematik sebagai persamaan kesinambungan pembezaan separa yang memberikan nisbah antara kuantiti kuantiti danpemindahannya. Ia menyatakan bahawa nombor yang disimpan dalam titik atau kelantangan hanya boleh ditukar dengan nombor yang masuk atau keluar dari kelantangan.
Daripada teorem Noether: setiap undang-undang pemuliharaan adalah berkaitan dengan prinsip asas simetri dalam fizik.
Peraturan dianggap sebagai norma asas alam dengan aplikasi luas dalam sains ini, serta dalam bidang lain seperti kimia, biologi, geologi dan kejuruteraan.
Kebanyakan undang-undang adalah tepat atau mutlak. Dalam erti kata bahawa ia digunakan untuk semua proses yang mungkin. Dengan teorem Noether, prinsip simetri adalah separa. Dalam erti kata bahawa mereka sah untuk beberapa proses, tetapi tidak untuk yang lain. Dia juga menyatakan bahawa terdapat korespondensi satu dengan satu antara setiap daripada mereka dan perkadaran alam yang boleh dibezakan.
Hasil yang paling penting ialah: prinsip simetri, undang-undang pemuliharaan, teorem Noether.
