Doğal dünya karmaşık bir yerdir. Uyumlar, insanların ve bilim adamlarının içindeki düzeni ayırt etmelerini sağlar. Fizikte, simetri ilkesinin korunum yasalarıyla yakından ilişkili olduğu uzun zamandır anlaşılmıştır. En ünlü üç kural şunlardır: enerjinin korunumu, momentum ve momentum. Baskının sürekliliği, doğanın tutumlarının hiçbir zaman aralığında değişmemesinin bir sonucudur. Örneğin, Newton'un yerçekimi yasasında, yerçekimi sabiti olan GN'nin zamana bağlı olduğu düşünülebilir.
Bu durumda enerji tasarrufu yapılmaz. Enerji tasarrufu ihlallerine yönelik deneysel araştırmalardan, zaman içinde bu tür değişikliklere katı sınırlar konulabilir. Bu simetri ilkesi oldukça geniştir ve klasik mekanikte olduğu kadar kuantumda da uygulanır. Fizikçiler bazen bu parametreye zamanın homojenliği adını verirler. Benzer şekilde, momentumun korunumu da özel bir yer olmamasının bir sonucudur. Dünya Kartezyen koordinatlarla tanımlansa bile, doğa yasaları bunu umursamayacaktır.kaynağı göz önünde bulundurun.
Bu simetriye "çeviri değişmezliği" veya uzayın homojenliği denir. Son olarak, açısal momentumun korunumu, günlük yaşamda bilinen uyum ilkesiyle ilgilidir. Doğa kanunları rotasyonlar altında değişmez. Örneğin, yalnızca bir kişinin koordinatların kökenini nasıl seçtiği değil, eksenlerin yönünü nasıl seçtiği de önemli değildir.
Ayrık sınıf
Uzay-zaman simetrisi, kaydırma ve döndürme ilkesine sürekli uyumlar denir, çünkü koordinat eksenlerini istediğiniz miktarda hareket ettirebilir ve istediğiniz bir açıyla döndürebilirsiniz. Diğer sınıfa ayrık denir. Uyum örneği, hem aynadaki yansımalar hem de paritedir. Newton yasaları da bu ikili simetri ilkesine sahiptir. Yerçekimi alanına düşen bir cismin hareketini gözlemlemek ve sonra aynı hareketi aynada incelemek yeterlidir.
Yörünge farklı olsa da Newton yasalarına uyar. Bu, temiz, iyi cilalanmış bir aynanın önünde durmuş ve nesnenin nerede olduğu ve ayna görüntüsünün nerede olduğu konusunda kafası karışmış olan herkese aşinadır. Bu simetri ilkesini tanımlamanın başka bir yolu da sol ile zıt arasındaki benzerliktir. Örneğin, üç boyutlu Kartezyen koordinatlar genellikle "sağ el kuralına" göre yazılır. Yani, z ekseni boyunca pozitif akış, kişi sağ elini z etrafında döndürürse, x Oy'den başlayıp x'e doğru hareket ederse başparmağın gösterdiği yöndedir.
Geleneksel olmayankoordinat sistemi 2 zıttır. Üzerinde Z ekseni, sol elin olacağı yönü gösterir. Newton yasalarının değişmez olduğu ifadesi, bir kişinin herhangi bir koordinat sistemini kullanabileceği ve doğanın kurallarının aynı göründüğü anlamına gelir. Ayrıca parite simetrisinin genellikle P harfi ile gösterildiğini de belirtmekte fayda var. Şimdi bir sonraki soruya geçelim.
İşlemler ve simetri türleri, simetri ilkeleri
Eşlik, bilime ilginin tek ayrı orantısı değildir. Diğeri ise zaman değişimi olarak adlandırılır. Newton mekaniğinde, yerçekimi kuvveti altına düşen bir cismin video kaydı hayal edilebilir. Bundan sonra, videoyu tersten çalıştırmayı düşünmeniz gerekir. Hem "zamanda ileri" hem de "geriye" hareketler Newton yasalarına uyacaktır (ters hareket çok makul olmayan bir durumu tanımlayabilir, ancak yasaları ihlal etmeyecektir). Zamanın tersine çevrilmesi genellikle T harfi ile gösterilir.
Yük çekimi
Bilinen her parçacık (elektron, proton vb.) için bir karşıparçacık vardır. Tamamen aynı kütleye, ancak zıt elektrik yüküne sahiptir. Elektronun karşıt parçacığına pozitron denir. Proton bir antiprotondur. Son zamanlarda, antihidrojen üretildi ve araştırıldı. Yük konjugasyonu, parçacıklar ve onların antiparçacıkları arasındaki bir simetridir. Açıkçası aynı değiller. Ancak simetri ilkesi, örneğin, bir elektrik alanındaki bir elektronun davranışının, karşıt arka planda bir pozitronun eylemleriyle aynı olduğu anlamına gelir. Yük konjugasyonu belirtilirC harfi.
Ancak bu simetriler, doğa kanunlarının kesin oranları değildir. 1956'da yapılan deneyler beklenmedik bir şekilde beta bozunması adı verilen bir tür radyoaktivitede sol ve sağ arasında bir asimetri olduğunu gösterdi. İlk olarak atom çekirdeğinin bozunmasında çalışıldı, ancak en kolay şekilde, güçlü bir şekilde etkileşime giren bir başka parçacık olan negatif yüklü π mezonunun ayrışmasında tanımlandı.
Sırasıyla, ya bir müona ya da bir elektrona ve onların antineutrinosuna ayrışır. Ancak belirli bir şarjdaki bozulmalar çok nadirdir. Bunun nedeni (özel göreliliği kullanan bir argüman aracılığıyla), bir kavramın her zaman kendi hareket yönüne paralel dönüşüyle ortaya çıkması gerçeğidir. Doğa sol ve sağ arasında simetrik olsaydı, spini paralel olan nötrino yarı zamanı ve antiparalel olan kısmı bulunurdu.
Bunun nedeni, aynada hareket yönünün değişmemesi, tersine dönmesidir. Bununla ilişkili, pozitif yüklü π + mezon, antiparçacık π -'dir. Momentumuna paralel bir dönüşle bir elektron nötrinoya bozunur. Davranışları arasındaki fark budur. Antiparçacıkları, yük konjugasyon kırılmasının bir örneğidir.
Bu keşiflerden sonra, zaman tersinir değişmezliği T'nin ihlal edilip edilmediği sorusu gündeme geldi. Kuantum mekaniği ve göreliliğin genel ilkelerine göre, T'nin ihlali, konjugasyonun ürünü olan C × P ile ilgilidir. ücretler ve parite. SR, eğer bu iyi bir simetri ilkesi ise, π + → e + + ν bozunmasının aynı ile gitmesi gerektiği anlamına gelir.π - → e - + olarak hız. 1964'te, Kmesons adı verilen güçlü bir şekilde etkileşime giren başka bir dizi parçacık içeren CP'yi ihlal eden bir süreç örneği keşfedildi. Bu tanelerin, hafif bir CP ihlalini ölçmemize izin veren özel özelliklere sahip olduğu ortaya çıktı. SR bozulmasının başka bir kümenin, B mezonlarının bozunmalarında inandırıcı bir şekilde ölçüldüğü 2001 yılına kadar değildi.
Bu sonuçlar, simetrinin yokluğunun da çoğu zaman varlığı kadar ilginç olduğunu açıkça göstermektedir. Gerçekten de, SR ihlalinin keşfinden kısa bir süre sonra, Andrei Sakharov, maddenin evrendeki antimadde üzerindeki üstünlüğünü anlamak için doğa yasalarında gerekli bir bileşen olduğunu belirtti.
İlkeler
Şimdiye kadar CPT, yük konjugasyonu, parite, zamanın tersine çevrilmesi kombinasyonunun korunduğuna inanılıyor. Bu, görelilik ve kuantum mekaniğinin oldukça genel ilkelerinden kaynaklanmaktadır ve bugüne kadar deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Bu simetrinin herhangi bir ihlali bulunursa, bunun derin sonuçları olacaktır.
Şimdiye kadar, tartışılan oranlar, korunum yasalarına veya parçacıklar arasındaki reaksiyon hızları arasındaki ilişkilere yol açmaları açısından önemlidir. Parçacıklar arasındaki kuvvetlerin çoğunu gerçekten belirleyen başka bir simetri sınıfı daha vardır. Bu orantılar, yerel veya ölçülü orantılar olarak bilinir.
Böyle bir simetri, elektromanyetik etkileşimlere yol açar. Diğeri, Einstein'ın vardığı sonuca göre yerçekimi. Genel ilkesini ortaya koyarkenGörelilik teorisinde, bilim adamı, doğa yasalarının yalnızca değişmez olmaları için değil, örneğin koordinatları uzayda her yerde aynı anda döndürürken değil, herhangi bir değişiklikle mevcut olması gerektiğini savundu.
Bu fenomeni tanımlayan matematik, Friedrich Riemann ve diğerleri tarafından on dokuzuncu yüzyılda geliştirildi. Einstein, bazılarını kendi ihtiyaçları için kısmen uyarladı ve yeniden icat etti. Bu ilkeye uyan denklemler (yasalar) yazmak için, elektromanyetik alana birçok yönden benzer bir alan (iki dönüşlü olması dışında) tanıtmak gerektiği ortaya çıktı. Newton'un yerçekimi yasasını çok büyük olmayan, hızlı veya gevşek hareket eden şeylere doğru bir şekilde bağlar. Böyle olan sistemler için (ışık hızına kıyasla), genel görelilik kara delikler ve yerçekimi dalgaları gibi birçok egzotik fenomene yol açar. Bütün bunlar Einstein'ın oldukça zararsız fikrinden kaynaklanıyor.
Matematik ve diğer bilimler
Elektriğe ve manyetizmaya yol açan simetri ilkeleri ve korunum yasaları, yerel orantılılığın bir başka örneğidir. Buna girmek için matematiğe yönelmek gerekir. Kuantum mekaniğinde, bir elektronun özellikleri "dalga fonksiyonu" ψ(x) ile tanımlanır. ψ'nin karmaşık bir sayı olması iş için esastır. Sırasıyla, her zaman bir gerçek sayı olan ρ ve periyotların e iθ çarpımı olarak yazılabilir. Örneğin, kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonunu sabit faz ile hiçbir etkisi olmadan çarpabilirsiniz.
Ama simetri ilkesiDenklemlerin aşamalara bağlı olmadığı daha güçlü bir şeye dayanır (daha doğrusu, doğada olduğu gibi farklı yüklere sahip birçok parçacık varsa, belirli kombinasyon önemli değildir), genel görelilikte olduğu gibi, tanıtmak gerekir. farklı bir alan kümesi. Bu bölgeler elektromanyetiktir. Bu simetri ilkesinin uygulanması, alanın Maxwell denklemlerine uymasını gerektirir. Bu önemli.
Bugün, Standart Modelin tüm etkileşimlerinin bu tür yerel ayar simetrisi ilkelerinden geldiği anlaşılmaktadır. W ve Z bantlarının varlığı, kütleleri, yarı ömürleri ve diğer benzer özellikleri bu ilkelerin bir sonucu olarak başarılı bir şekilde tahmin edilmiştir.
Ölçülemez sayılar
Birkaç nedenden dolayı, diğer olası simetri ilkelerinin bir listesi önerilmiştir. Böyle bir varsayımsal model, süpersimetri olarak bilinir. İki nedenden dolayı önerildi. Her şeyden önce, uzun süredir devam eden bir bilmeceyi açıklayabilir: "Doğa yasalarında neden çok az boyutsuz sayılar var?"
Örneğin, Planck h sabitini tanıttığında, bunun Newton sabitinden başlayarak kütle boyutları olan bir miktar yazmak için kullanılabileceğini fark etti. Bu sayı artık Planck değeri olarak biliniyor.
Büyük kuantum fizikçisi Paul Dirac (antimaddenin varlığını öngördü) "büyük sayılar problemini" çıkardı. Süpersimetrinin bu doğasını varsaymanın sorunu çözmeye yardımcı olabileceği ortaya çıktı. Süpersimetri aynı zamanda genel görelilik ilkelerinin nasıl kullanılabileceğini anlamanın ayrılmaz bir parçasıdır.kuantum mekaniği ile tutarlı olun.
Süpersimetri nedir?
Bu parametre, varsa, fermiyonlarla (Pauli dışlama ilkesine uyan yarı tamsayılı spinli parçacıklar) bozonlarla (bose istatistiklerine uyan, lazerlerin davranışına yol açan tamsayılı spinli parçacıklar) ilişkilidir. ve Bose kondensatları). Ancak, ilk bakışta, böyle bir simetri önermek aptalca görünüyor, çünkü doğada oluşsaydı, her fermiyon için tamamen aynı kütleye sahip bir bozon olması beklenirdi.
Başka bir deyişle, tanıdık elektrona ek olarak, seçici adı verilen, spini olmayan ve dışlama ilkesine uymayan, ancak diğer tüm açılardan elektronla aynı olan bir parçacık olmalıdır. Benzer şekilde, bir foton, 1/2 spinli (bir elektron gibi dışlama ilkesine uyan) sıfır kütleli ve fotonlara çok benzeyen özelliklere sahip başka bir parçacığa atıfta bulunmalıdır. Bu tür parçacıklar bulunamadı. Ancak, bu gerçeklerin uzlaştırılabileceği ortaya çıktı ve bu, simetri hakkında son bir noktaya yol açıyor.
Uzay
Oranlar, doğa yasalarının oranları olabilir, ancak mutlaka çevredeki dünyada tezahür etmesi gerekmez. Etraftaki boşluk tek tip değil. Belirli yerlerde olan her türlü şeyle doludur. Bununla birlikte, insan, momentumun korunumundan doğa yasalarının simetrik olduğunu bilir. Ancak bazı durumlarda orantılılık"kendiliğinden kırıldı". Parçacık fiziğinde bu terim daha dar anlamda kullanılır.
En düşük enerji durumu orantılı değilse simetrinin kendiliğinden bozulduğu söylenir.
Bu fenomen doğada birçok durumda meydana gelir:
- En düşük enerji durumunda manyetizmaya neden olan dönüşlerin hizalanmasının dönme değişmezliğini bozduğu kalıcı mıknatıslarda.
- Kiral denilen orantılılığı körelten π mezonlarının etkileşimlerinde.
Soru: "Bu kadar bozuk bir durumda süpersimetri var mı?" Şimdi yoğun deneysel araştırmaların konusu. Birçok bilim insanının zihnini meşgul ediyor.
Simetri ilkeleri ve fiziksel niceliklerin korunumu yasaları
Bilimde bu kural, yalıtılmış bir sistemin belirli bir ölçülebilir özelliğinin zaman içinde geliştikçe değişmediğini belirtir. Kesin korunum yasaları, enerji rezervlerini, lineer momentumu, momentumunu ve elektrik yükünü içerir. Kütleler, parite, lepton ve baryon sayısı, tuhaflık, hiperzary vb. gibi niceliklere uygulanan pek çok yaklaşık terk etme kuralı da vardır. Bu nicelikler, fiziksel süreçlerin belirli sınıflarında korunur, ancak hepsinde değil.
Noether teoremi
Yerel yasa genellikle matematiksel olarak nicelik nicelik ve nicelik arasındaki oranı veren kısmi diferansiyel süreklilik denklemi olarak ifade edilir.onun transferi. Bir noktada veya hacimde saklanan sayının yalnızca hacme giren veya çıkan sayı tarafından değiştirilebileceğini belirtir.
Noether teoreminden: Her korunum yasası fizikteki temel simetri ilkesiyle ilgilidir.
Kurallar, bu bilimde olduğu kadar kimya, biyoloji, jeoloji ve mühendislik gibi diğer alanlarda da geniş uygulama alanına sahip doğanın temel normları olarak kabul edilir.
Çoğu yasa kesin veya mutlaktır. Tüm olası süreçlere uygulandıkları anlamında. Noether teoremi ile simetri ilkeleri kısmidir. Bazı süreçler için geçerli oldukları, ancak diğerleri için geçerli olmadıkları anlamında. Ayrıca her biri ile doğanın türevlenebilir orantılılığı arasında bire bir örtüşme olduğunu belirtiyor.
Özellikle önemli sonuçlar şunlardır: simetri ilkesi, korunum yasaları, Noether teoremi.
