Ang natural na mundo ay isang masalimuot na lugar. Ang mga Harmonies ay nagpapahintulot sa mga tao at mga siyentipiko na makilala ang pagkakasunud-sunod dito. Sa pisika, matagal nang naiintindihan na ang prinsipyo ng simetrya ay malapit na nauugnay sa mga batas ng konserbasyon. Ang tatlong pinakatanyag na panuntunan ay: konserbasyon ng enerhiya, momentum at momentum. Ang pananatili ng presyur ay bunga ng katotohanan na ang mga ugali ng kalikasan ay hindi nagbabago sa anumang pagitan. Halimbawa, sa batas ng grabidad ni Newton, maiisip ng isang tao na ang GN, ang gravitational constant, ay nakasalalay sa oras.
Sa kasong ito, walang mase-save na enerhiya. Mula sa mga eksperimentong paghahanap para sa mga paglabag sa pagtitipid ng enerhiya, maaaring maglagay ng mahigpit na limitasyon sa anumang pagbabago sa paglipas ng panahon. Ang prinsipyong ito ng symmetry ay medyo malawak at inilalapat sa quantum gayundin sa mga klasikal na mekanika. Minsan tinutukoy ng mga physicist ang parameter na ito bilang homogeneity ng oras. Katulad nito, ang konserbasyon ng momentum ay bunga ng katotohanang walang espesyal na lugar. Kahit na ang mundo ay inilarawan sa mga tuntunin ng mga coordinate ng Cartesian, ang mga batas ng kalikasan ay walang pakialam doonisaalang-alang ang pinagmulan.
Ang symmetry na ito ay tinatawag na "translational invariance" o homogeneity ng espasyo. Sa wakas, ang konserbasyon ng angular momentum ay nauugnay sa pamilyar na prinsipyo ng pagkakaisa sa pang-araw-araw na buhay. Ang mga batas ng kalikasan ay invariant sa ilalim ng mga pag-ikot. Halimbawa, hindi lamang mahalaga kung paano pinipili ng isang tao ang pinagmulan ng mga coordinate, ngunit hindi mahalaga kung paano niya pinipili ang oryentasyon ng mga axes.
Discrete class
Ang prinsipyo ng space-time symmetry, shift at rotation ay tinatawag na tuluy-tuloy na harmonies, dahil maaari mong ilipat ang coordinate axes sa anumang arbitrary na halaga at paikutin sa isang arbitrary na anggulo. Ang ibang klase ay tinatawag na discrete. Ang isang halimbawa ng pagkakaisa ay ang parehong mga pagmuni-muni sa isang salamin at pagkakapareho. Ang mga batas ni Newton ay mayroon ding prinsipyong ito ng bilateral symmetry. Kailangan lang obserbahan ang paggalaw ng isang bagay na bumabagsak sa isang gravitational field, at pagkatapos ay pag-aralan ang parehong paggalaw sa salamin.
Bagama't iba ang trajectory, sinusunod nito ang mga batas ni Newton. Pamilyar ito sa sinumang nakatayo sa harap ng malinis at makintab na salamin at nalilito kung nasaan ang bagay at kung nasaan ang imahe ng salamin. Ang isa pang paraan upang ilarawan ang prinsipyong ito ng simetrya ay ang pagkakatulad sa pagitan ng kaliwa at kabaligtaran. Halimbawa, ang tatlong-dimensional na mga coordinate ng Cartesian ay karaniwang isinusulat ayon sa "panuntunan sa kanang kamay". Ibig sabihin, ang positibong daloy sa kahabaan ng z-axis ay nasa direksyon na itinuturo ng hinlalaki kung iikot ng tao ang kanyang kanang kamay sa paligid ng z, simula sa x Oy at lilipat patungo sa x.
Hindi kinaugalianAng coordinate system 2 ay kabaligtaran. Dito, ipinapahiwatig ng Z-axis ang direksyon kung saan pupunta ang kaliwang kamay. Ang pahayag na ang mga batas ni Newton ay invariant ay nangangahulugan na ang isang tao ay maaaring gumamit ng anumang coordinate system, at ang mga alituntunin ng kalikasan ay mukhang pareho. At nararapat ding tandaan na ang parity symmetry ay karaniwang tinutukoy ng letrang P. Ngayon ay lumipat tayo sa susunod na tanong.
Mga operasyon at uri ng symmetry, mga prinsipyo ng symmetry
Ang
Parity ay hindi lamang ang discrete proportionality ng interes sa agham. Ang isa pa ay tinatawag na pagbabago ng panahon. Sa Newtonian mechanics, maiisip ng isang tao ang isang video recording ng isang bagay na nahulog sa ilalim ng puwersa ng grabidad. Pagkatapos nito, kailangan mong isaalang-alang ang pagpapatakbo ng video sa kabaligtaran. Parehong "pasulong sa oras" at "paatras" na mga galaw ay susunod sa mga batas ni Newton (maaaring ilarawan ng reverse movement ang isang sitwasyon na hindi masyadong kapani-paniwala, ngunit hindi ito lalabag sa mga batas). Ang pagbabalik ng oras ay karaniwang tinutukoy ng titik T.
Charge conjugation
Para sa bawat kilalang particle (electron, proton, atbp.) ay mayroong antiparticle. Mayroon itong eksaktong parehong masa, ngunit ang kabaligtaran ng singil sa kuryente. Ang antiparticle ng isang electron ay tinatawag na positron. Ang proton ay isang antiproton. Kamakailan lamang, ang antihydrogen ay ginawa at pinag-aralan. Ang conjugation ng charge ay isang simetrya sa pagitan ng mga particle at ng kanilang mga antiparticle. Malinaw na hindi sila pareho. Ngunit ang prinsipyo ng simetrya ay nangangahulugan na, halimbawa, ang pag-uugali ng isang elektron sa isang electric field ay magkapareho sa mga aksyon ng isang positron sa kabaligtaran na background. Ang conjugation ng singil ay tinutukoytitik C.
Ang mga simetriyang ito, gayunpaman, ay hindi eksaktong sukat ng mga batas ng kalikasan. Noong 1956, hindi inaasahang ipinakita ng mga eksperimento na sa isang uri ng radioactivity na tinatawag na beta decay, nagkaroon ng asymmetry sa pagitan ng kaliwa at kanan. Una itong pinag-aralan sa mga pagkabulok ng atomic nuclei, ngunit ito ay pinakamadaling inilarawan sa pagkabulok ng negatibong sisingilin na π meson, isa pang particle na malakas na nakikipag-ugnayan.
Ito naman ay nabubulok sa isang muon, o sa isang electron at sa kanilang antineutrino. Ngunit ang mga pagkabulok sa isang naibigay na bayad ay napakabihirang. Ito ay dahil (sa pamamagitan ng isang argumento na gumagamit ng espesyal na relativity) sa katotohanan na ang isang konsepto ay palaging lumalabas na ang pag-ikot nito ay kahanay sa direksyon ng paggalaw nito. Kung simetriko ang kalikasan sa pagitan ng kaliwa at kanan, mahahanap ng isa ang neutrino na kalahating oras na kahanay ng pag-ikot nito at ang bahaging may antiparallel nito.
Ito ay dahil sa ang katunayan na sa salamin ang direksyon ng paggalaw ay hindi binago, ngunit sa pamamagitan ng pag-ikot. Kaugnay nito ay ang positibong sisingilin na π + meson, ang antiparticle na π -. Ito ay nabubulok sa isang electron neutrino na may parallel spin sa momentum nito. Ito ang pagkakaiba ng kanyang pag-uugali. Ang mga antiparticle nito ay isang halimbawa ng pagsira ng conjugation ng singil.
Pagkatapos ng mga pagtuklas na ito, itinaas ang tanong kung nilabag ba ang time reversal invariance T. Ayon sa pangkalahatang mga prinsipyo ng quantum mechanics at relativity, ang paglabag sa T ay nauugnay sa C × P, ang produkto ng conjugation ng singil at pagkakapantay-pantay. SR, kung ito ay isang magandang simetrya na prinsipyo ay nangangahulugan na ang pagkabulok π + → e + + ν ay dapat sumama sa parehobilis bilang π - → e - +. Noong 1964, natuklasan ang isang halimbawa ng prosesong lumalabag sa CP na kinasasangkutan ng isa pang hanay ng mga partikulo na malakas na nakikipag-ugnayan na tinatawag na Kmesons. Lumalabas na ang mga butil na ito ay may mga espesyal na katangian na nagpapahintulot sa amin na sukatin ang isang bahagyang paglabag sa CP. Noon lamang 2001 na nakakumbinsi ang pagkagambala ng SR sa mga pagkabulok ng isa pang set, B mesons.
Malinaw na ipinapakita ng mga resultang ito na ang kawalan ng symmetry ay kadalasang kasing interesante ng pagkakaroon nito. Sa katunayan, sa lalong madaling panahon pagkatapos ng pagtuklas ng paglabag sa SR, nabanggit ni Andrei Sakharov na ito ay isang kinakailangang bahagi sa mga batas ng kalikasan para maunawaan ang pamamayani ng bagay sa antimatter sa uniberso.
Mga Prinsipyo
Hanggang ngayon ay pinaniniwalaan na ang kumbinasyon ng CPT, charge conjugation, parity, time reversal, ay napreserba. Ito ay sumusunod mula sa medyo pangkalahatang mga prinsipyo ng relativity at quantum mechanics, at nakumpirma ng mga eksperimentong pag-aaral hanggang sa kasalukuyan. Kung may makitang anumang paglabag sa simetriyang ito, magkakaroon ito ng matinding kahihinatnan.
Sa ngayon, ang mga proporsyon na pinag-uusapan ay mahalaga dahil humahantong sila sa mga batas sa konserbasyon o mga ugnayan sa pagitan ng mga rate ng reaksyon sa pagitan ng mga particle. May isa pang klase ng mga simetriko na aktwal na tumutukoy sa marami sa mga puwersa sa pagitan ng mga particle. Ang mga proporsyonalidad na ito ay kilala bilang mga lokal o sukat na proporsyonalidad.
Ang isang ganoong symmetry ay humahantong sa mga electromagnetic na pakikipag-ugnayan. Ang isa pa, sa konklusyon ni Einstein, sa gravity. Sa paglalatag ng kanyang prinsipyo ng heneralSa teorya ng relativity, nangatuwiran ang siyentipiko na ang mga batas ng kalikasan ay dapat na magagamit hindi lamang upang ang mga ito ay maging invariant, halimbawa, kapag umiikot ang mga coordinate nang sabay-sabay saanman sa kalawakan, ngunit sa anumang pagbabago.
Ang matematika upang ilarawan ang phenomenon na ito ay binuo ni Friedrich Riemann at ng iba pa noong ikalabinsiyam na siglo. Bahagyang inangkop at muling inimbento ni Einstein ang ilan para sa kanyang sariling mga pangangailangan. Lumalabas na upang magsulat ng mga equation (mga batas) na sumusunod sa prinsipyong ito, kinakailangan na ipakilala ang isang patlang na sa maraming paraan ay katulad ng electromagnetic (maliban na mayroon itong spin ng dalawa). Tama nitong iniuugnay ang batas ng grabidad ni Newton sa mga bagay na hindi masyadong malaki, mabilis o maluwag. Para sa mga system na ganoon (kumpara sa bilis ng liwanag), ang pangkalahatang relativity ay humahantong sa maraming kakaibang phenomena tulad ng mga black hole at gravitational wave. Ang lahat ng ito ay nagmula sa medyo hindi nakapipinsalang paniwala ni Einstein.
Matematika at iba pang agham
Ang mga prinsipyo ng symmetry at mga batas sa konserbasyon na humahantong sa kuryente at magnetism ay isa pang halimbawa ng lokal na proporsyonalidad. Upang makapasok dito, dapat bumaling sa matematika. Sa quantum mechanics, ang mga katangian ng isang electron ay inilalarawan ng "wave function" ψ(x). Mahalaga sa gawain na ang ψ ay isang kumplikadong numero. Ito naman, ay maaaring palaging isulat bilang produkto ng isang tunay na numero, ρ, at mga tuldok, e iθ. Halimbawa, sa quantum mechanics, maaari mong i-multiply ang wave function sa constant phase, nang walang epekto.
Ngunit kung ang prinsipyo ng mahusay na proporsyonnamamalagi sa isang bagay na mas malakas, na ang mga equation ay hindi nakasalalay sa mga yugto (mas tiyak, kung mayroong maraming mga particle na may iba't ibang mga singil, tulad ng sa likas na katangian, ang tiyak na kumbinasyon ay hindi mahalaga), ito ay kinakailangan, tulad ng sa pangkalahatang kapamanggitan, upang ipakilala ibang hanay ng mga patlang. Ang mga zone na ito ay electromagnetic. Ang paglalapat ng prinsipyong ito ng symmetry ay nangangailangan na ang field ay sumunod sa mga equation ni Maxwell. Mahalaga ito.
Ngayon, ang lahat ng pakikipag-ugnayan ng Standard Model ay nauunawaan na sumusunod mula sa mga naturang prinsipyo ng local gauge symmetry. Ang pagkakaroon ng W at Z band, gayundin ang kanilang mga masa, kalahating buhay, at iba pang katulad na katangian, ay matagumpay na nahula bilang resulta ng mga prinsipyong ito.
Mga hindi masusukat na numero
Para sa ilang kadahilanan, iminungkahi ang isang listahan ng iba pang posibleng mga prinsipyo ng symmetry. Ang isa sa gayong hypothetical na modelo ay kilala bilang supersymmetry. Ito ay iminungkahi para sa dalawang kadahilanan. Una sa lahat, maaari nitong ipaliwanag ang isang matagal nang bugtong: "Bakit kakaunti ang mga walang sukat na numero sa mga batas ng kalikasan."
Halimbawa, nang ipakilala ni Planck ang kanyang pare-parehong h, napagtanto niya na maaari itong magamit upang magsulat ng isang dami na may mga sukat ng masa, simula sa pare-pareho ni Newton. Ang numerong ito ay kilala na ngayon bilang ang halaga ng Planck.
Ang dakilang quantum physicist na si Paul Dirac (na hinulaan ang pagkakaroon ng antimatter) ay naghinuha sa "problema ng malalaking numero". Lumalabas na ang pag-post ng ganitong uri ng supersymmetry ay maaaring makatulong sa paglutas ng problema. Mahalaga rin ang supersymmetry sa pag-unawa kung paano magagawa ng mga prinsipyo ng pangkalahatang relativitymaging pare-pareho sa quantum mechanics.
Ano ang supersymmetry?
Ang parameter na ito, kung mayroon man, ay nag-uugnay ng mga fermion (mga partikulo na may half-integer spin na sumusunod sa prinsipyo ng pagbubukod ng Pauli) sa mga boson (mga partikulo na may integer spin na sumusunod sa tinatawag na mga istatistika ng Bose, na humahantong sa gawi ng mga laser at Bose condensates). Gayunpaman, sa unang tingin, tila hangal na magmungkahi ng gayong simetrya, dahil kung ito ay mangyayari sa kalikasan, aasahan ng isa na para sa bawat fermion ay magkakaroon ng boson na may eksaktong parehong masa, at kabaliktaran.
Sa madaling salita, bilang karagdagan sa pamilyar na elektron, dapat mayroong isang particle na tinatawag na selector, na walang spin at hindi sumusunod sa prinsipyo ng pagbubukod, ngunit sa lahat ng iba pang aspeto ito ay kapareho ng electron. Katulad nito, ang isang photon ay dapat sumangguni sa isa pang particle na may spin 1/2 (na sumusunod sa prinsipyo ng pagbubukod, tulad ng isang electron) na may zero na masa at mga katangian na katulad ng mga photon. Ang mga naturang particle ay hindi natagpuan. Lumalabas, gayunpaman, na ang mga katotohanang ito ay maaaring magkasundo, at ito ay humahantong sa isang huling punto tungkol sa simetrya.
Space
Ang mga proporsyon ay maaaring mga proporsyon ng mga batas ng kalikasan, ngunit hindi kinakailangang ipakita sa nakapaligid na mundo. Hindi pare-pareho ang espasyo sa paligid. Ito ay puno ng lahat ng uri ng mga bagay na nasa ilang mga lugar. Gayunpaman, mula sa konserbasyon ng momentum, alam ng tao na ang mga batas ng kalikasan ay simetriko. Ngunit sa ilang mga pagkakataon proporsyonalidad"kusang nasira". Sa particle physics, mas makitid ang paggamit ng terminong ito.
Symmetry ay sinasabing kusang nasira kung ang pinakamababang energy state ay hindi katumbas.
Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nangyayari sa maraming kaso sa kalikasan:
- Sa mga permanenteng magnet, kung saan ang alignment ng mga spin na nagdudulot ng magnetism sa pinakamababang energy state ay sumisira sa rotational invariance.
- Sa mga pakikipag-ugnayan ng π meson, na pumutol sa proporsyonalidad na tinatawag na chiral.
Ang tanong: "Ang supersymmetry ba ay umiiral sa ganitong sirang estado" ay paksa na ngayon ng matinding eksperimentong pananaliksik. Sinasakop nito ang isipan ng maraming siyentipiko.
Mga prinsipyo ng simetrya at mga batas ng konserbasyon ng mga pisikal na dami
Sa agham, ang panuntunang ito ay nagsasaad na ang isang partikular na masusukat na katangian ng isang nakahiwalay na sistema ay hindi nagbabago habang umuunlad ito sa paglipas ng panahon. Kasama sa eksaktong mga batas sa konserbasyon ang mga reserbang enerhiya, linear momentum, momentum nito, at singil ng kuryente. Marami ring panuntunan ng tinatayang pag-abanduna na nalalapat sa mga dami gaya ng masa, parity, lepton at baryon number, strangeness, hyperzary, atbp. Ang mga dami na ito ay pinananatili sa ilang partikular na klase ng mga pisikal na proseso, ngunit hindi sa lahat.
Noether's theorem
Ang lokal na batas ay karaniwang ipinapahayag sa matematika bilang isang partial differential continuity equation na nagbibigay ng ratio sa pagitan ng quantity quantity atpaglipat nito. Ito ay nagsasaad na ang numerong nakaimbak sa isang punto o volume ay maaari lamang mapalitan ng pumapasok o lumalabas sa volume.
Mula sa theorem ni Noether: ang bawat batas sa konserbasyon ay nauugnay sa pangunahing prinsipyo ng simetrya sa pisika.
Ang mga panuntunan ay itinuturing na pangunahing pamantayan ng kalikasan na may malawak na aplikasyon sa agham na ito, gayundin sa iba pang larangan gaya ng chemistry, biology, geology at engineering.
Karamihan sa mga batas ay tiyak o ganap. Sa kahulugan na nalalapat ang mga ito sa lahat ng posibleng proseso. Sa pamamagitan ng teorama ni Noether, ang mga prinsipyo ng simetrya ay bahagyang. Sa kahulugan na ang mga ito ay wasto para sa ilang mga proseso, ngunit hindi para sa iba. Sinabi rin niya na mayroong one-to-one na pagsusulatan sa pagitan ng bawat isa sa kanila at ang pagkakaiba-iba ng proporsyonalidad ng kalikasan.
Partikular na mahahalagang resulta ay: ang simetrya na prinsipyo, mga batas sa konserbasyon, Noether's theorem.
