Tabiat dunyosi murakkab joy. Garmoniyalar odamlar va olimlarga undagi tartibni farqlash imkonini beradi. Fizikada simmetriya printsipi saqlanish qonunlari bilan chambarchas bog'liqligi uzoq vaqtdan beri tushunilgan. Eng mashhur uchta qoida: energiyani saqlash, impuls va impuls. Bosimning davom etishi tabiatning munosabatlari hech qanday intervalda o'zgarmasligining natijasidir. Masalan, Nyutonning tortishish qonunida GN, tortishish doimiysi vaqtga bog'liqligini tasavvur qilish mumkin.
Bu holda energiya tejalmaydi. Energiyani tejash buzilishi bo'yicha eksperimental izlanishlardan vaqt o'tishi bilan har qanday bunday o'zgarishlarga qat'iy cheklovlar qo'yilishi mumkin. Ushbu simmetriya printsipi ancha keng va klassik mexanikada bo'lgani kabi kvantda ham qo'llaniladi. Fiziklar ba'zan bu parametrni vaqtning bir xilligi deb atashadi. Xuddi shunday, impulsning saqlanishi ham alohida joy yo'qligining natijasidir. Dunyo Dekart koordinatalari bilan tasvirlangan taqdirda ham, tabiat qonunlari bunga ahamiyat bermaydimanbani hisobga oling.
Bu simmetriya "tarjimaviy o'zgarmaslik" yoki fazoning bir xilligi deb ataladi. Nihoyat, burchak momentumining saqlanishi kundalik hayotda tanish bo'lgan uyg'unlik printsipi bilan bog'liq. Tabiat qonunlari aylanishlarda o'zgarmasdir. Masalan, inson nafaqat koordinatalarning kelib chiqishini qanday tanlashi, balki o'qlar yo'nalishini qanday tanlashi ham muhim emas.
Diskret sinf
Fazo-vaqt simmetriyasi, siljishi va aylanish printsipi uzluksiz garmoniyalar deb ataladi, chunki siz koordinata o'qlarini istalgan ixtiyoriy miqdorga siljitishingiz va ixtiyoriy burchak bilan aylantirishingiz mumkin. Boshqa sinf diskret deb ataladi. Uyg'unlikka misol qilib, ko'zgudagi aks etish va paritetdir. Nyuton qonunlarida ham bu ikki tomonlama simmetriya printsipi mavjud. Faqat tortishish maydoniga tushgan jismning harakatini kuzatish va keyin xuddi shu harakatni oynada oʻrganish kerak.
Traektoriya boshqacha boʻlsa-da, u Nyuton qonunlariga boʻysunadi. Bu toza, yaxshi sayqallangan oyna oldida turgan va ob'ekt qayerda va ko'zgu tasviri qayerda ekanligini bilmay qolgan har bir kishiga tanish. Ushbu simmetriya tamoyilini tavsiflashning yana bir usuli - chap va qarama-qarshilik o'rtasidagi o'xshashlik. Masalan, uch o'lchamli Dekart koordinatalari odatda "o'ng qo'l qoidasi" bo'yicha yoziladi. Ya'ni, z o'qi bo'ylab musbat oqim, agar odam o'ng qo'lini z atrofida aylantirsa, x Oy dan boshlab va x tomon harakatlansa, bosh barmog'i ko'rsatgan yo'nalishda yotadi.
Noan'anaviykoordinata tizimi 2 qarama-qarshi. Unda Z o'qi chap qo'lning qaysi yo'nalishda bo'lishini ko'rsatadi. Nyuton qonunlarining invariant ekanligi haqidagi bayonot odamning har qanday koordinatalar tizimidan foydalanishi mumkinligini anglatadi va tabiat qoidalari bir xil ko'rinadi. Shuni ham ta'kidlash joizki, paritet simmetriya odatda P harfi bilan belgilanadi. Endi keyingi savolga o'tamiz.
Simmetriyaning amallari va turlari, simmetriya tamoyillari
Parite fanga qiziqishning yagona diskret proportsionalligi emas. Ikkinchisi vaqt o'zgarishi deb ataladi. Nyuton mexanikasida jismning tortishish kuchi ta’siriga tushishi tasvirlangan videoyozuvni tasavvur qilish mumkin. Shundan so'ng, videoni teskari yo'nalishda ishga tushirish haqida o'ylashingiz kerak. "Vaqt bo'yicha oldinga" ham, "orqaga" ham Nyuton qonunlariga bo'ysunadi (teskari harakat unchalik ishonarli bo'lmagan vaziyatni tasvirlashi mumkin, lekin u qonunlarni buzmaydi). Vaqtni o'zgartirish odatda T harfi bilan belgilanadi.
Zaryad konjugasiyasi
Har bir ma'lum zarracha (elektron, proton va boshqalar) uchun antizarra mavjud. U aynan bir xil massaga ega, ammo elektr zaryadiga qarama-qarshidir. Elektronning antizarrasi pozitron deyiladi. Proton - bu antiproton. Yaqinda antivodorod ishlab chiqarildi va o'rganildi. Zaryad konjugasiyasi zarralar va ularning antizarralari orasidagi simmetriyadir. Ular bir xil emasligi aniq. Ammo simmetriya printsipi shuni anglatadiki, masalan, elektr maydonidagi elektronning harakati qarama-qarshi fonda pozitronning harakatlari bilan bir xil bo'ladi. Zaryad konjugasiyasi belgilanganC harfi.
Ammo bu simmetriyalar tabiat qonunlarining aniq nisbati emas. 1956 yilda o'tkazilgan tajribalar kutilmaganda beta-parchalanish deb ataladigan radioaktivlik turida chap va o'ng o'rtasida assimetriya mavjudligini ko'rsatdi. U birinchi marta atom yadrolarining yemirilishida oʻrganilgan, lekin uni eng oson taʼrifi manfiy zaryadlangan p-mezon, boshqa kuchli oʻzaro taʼsir qiluvchi zarrachaning parchalanishida tasvirlangan.
U, o'z navbatida, yo muonga yoki elektronga va ularning antineytrinosiga parchalanadi. Ammo ma'lum bir zaryad bo'yicha parchalanish juda kam uchraydi. Buning sababi (maxsus nisbiylikdan foydalanadigan argument orqali) tushunchaning har doim o'zining harakat yo'nalishiga parallel aylanishi bilan paydo bo'lishidir. Agar tabiat chap va o'ng tomonda simmetrik bo'lsa, neytrinoning yarim vaqti spin parallel bilan, qismi esa antiparallel bilan topilgan bo'lar edi.
Bu koʻzguda harakat yoʻnalishi oʻzgartirilmaydi, balki aylanish bilan bogʻliq. Bu bilan musbat zaryadlangan p + mezon, antizarracha p - bog'langan. U impulsga parallel spin bilan elektron neytrinoga parchalanadi. Bu uning xatti-harakati o'rtasidagi farq. Uning antizarralari zaryad konjugatsiyasining uzilishiga misoldir.
Ushbu kashfiyotlardan soʻng T ning vaqtning teskari oʻzgarmasligi buzilganmi degan savol tugʻildi. Kvant mexanikasi va nisbiylikning umumiy tamoyillariga koʻra, T ning buzilishi konjugatsiya mahsuloti boʻlgan C × P bilan bogʻliq. to'lovlar va paritet. SR, agar bu yaxshi simmetriya printsipi bo'lsa, p + → e + + n parchalanishi bir xil bo'lishi kerakligini anglatadi.tezligi p - → e - + sifatida. 1964 yilda Kmeson deb nomlangan kuchli o'zaro ta'sir qiluvchi boshqa zarralar to'plamini o'z ichiga olgan CPni buzadigan jarayonning namunasi topildi. Ma'lum bo'lishicha, bu donalar CP ning engil buzilishini o'lchash imkonini beruvchi maxsus xususiyatlarga ega. Faqat 2001-yilgacha SRning buzilishi boshqa B mezonlarining parchalanishida ishonchli tarzda o'lchandi.
Bu natijalar aniq koʻrsatib turibdiki, simmetriyaning yoʻqligi koʻpincha uning mavjudligi kabi qiziqarli. Darhaqiqat, SR buzilishi aniqlanganidan ko'p o'tmay, Andrey Saxarov bu koinotda materiyaning antimateriyadan ustunligini tushunish uchun tabiat qonunlarining zaruriy tarkibiy qismi ekanligini ta'kidladi.
Prinsiplar
Shu paytgacha CPT, zaryad konjugatsiyasi, paritet, vaqtni teskari aylantirish kombinatsiyasi saqlanib qolgan deb ishoniladi. Bu nisbiylik va kvant mexanikasining ancha umumiy tamoyillaridan kelib chiqadi va bugungi kungacha eksperimental tadqiqotlar bilan tasdiqlangan. Agar ushbu simmetriyaning buzilishi aniqlansa, bu jiddiy oqibatlarga olib keladi.
Hozircha muhokama qilinayotgan nisbatlar muhim ahamiyatga ega, chunki ular saqlanish qonunlari yoki zarralar orasidagi reaksiya tezligi oʻrtasidagi munosabatlarga olib keladi. Zarrachalar orasidagi ko'plab kuchlarni aniqlaydigan yana bir simmetriya sinfi mavjud. Bu mutanosibliklar mahalliy yoki oʻlchovli mutanosibliklar sifatida tanilgan.
Bunday simmetriyalardan biri elektromagnit shovqinlarga olib keladi. Ikkinchisi, Eynshteynning xulosasiga ko'ra, tortishish kuchiga. O'zining umumiy tamoyilini bayon qilishdaOlim nisbiylik nazariyasida tabiat qonunlari nafaqat oʻzgarmas boʻlishi uchun, masalan, koordinatalarni fazoning hamma joyida bir vaqtning oʻzida aylantirganda, balki har qanday oʻzgarish bilan ham mavjud boʻlishi kerakligini taʼkidladi.
Bu hodisani tavsiflash uchun matematika XIX asrda Fridrix Riman va boshqalar tomonidan ishlab chiqilgan. Eynshteyn o'z ehtiyojlari uchun qisman moslashdi va ba'zilarini qayta ixtiro qildi. Ma’lum bo‘lishicha, bu tamoyilga bo‘ysunuvchi tenglamalarni (qonunlarni) yozish uchun ko‘p jihatdan elektromagnitga o‘xshash (uning spini ikkiga teng bo‘lganidan tashqari) maydonni kiritish kerak bo‘ladi. U Nyutonning tortishish qonunini juda katta bo'lmagan, tez yoki bo'sh harakatlanuvchi narsalar bilan to'g'ri bog'laydi. Shunday bo'lgan tizimlar uchun (yorug'lik tezligiga nisbatan) umumiy nisbiylik qora tuynuklar va tortishish to'lqinlari kabi ko'plab ekzotik hodisalarga olib keladi. Bularning barchasi Eynshteynning juda zararsiz tushunchasidan kelib chiqadi.
Matematika va boshqa fanlar
Elektr va magnitlanishga olib keladigan simmetriya tamoyillari va saqlanish qonunlari mahalliy mutanosiblikning yana bir misolidir. Bunga kirish uchun matematikaga murojaat qilish kerak. Kvant mexanikasida elektronning xossalari "to'lqin funksiyasi" ps(x) bilan tavsiflanadi. Ish uchun ps kompleks son bo'lishi juda muhimdir. U, o'z navbatida, har doim haqiqiy son, r va nuqtalar, e ith ko'paytmasi sifatida yozilishi mumkin. Masalan, kvant mexanikasida to‘lqin funksiyasini hech qanday ta’sirsiz doimiy fazaga ko‘paytirishingiz mumkin.
Ammo simmetriya printsipi bo'lsakuchliroq narsaga yotadi, tenglamalar bosqichlarga bog'liq emas (aniqrog'i, tabiatda bo'lgani kabi turli xil zaryadli zarralar ko'p bo'lsa, o'ziga xos birikma muhim emas), umumiy nisbiylik nazariyasidagi kabi, joriy qilish kerak. turli xil maydonlar to'plami. Bu zonalar elektromagnitdir. Ushbu simmetriya printsipini qo'llash maydonning Maksvell tenglamalariga bo'ysunishini talab qiladi. Bu muhim.
Bugungi kunda standart modelning barcha oʻzaro taʼsiri mahalliy oʻlchov simmetriyasining ana shunday tamoyillaridan kelib chiqishi tushuniladi. W va Z diapazonlarining mavjudligi, shuningdek ularning massalari, yarim yemirilish davrlari va boshqa shunga o'xshash xususiyatlari ushbu tamoyillar natijasida muvaffaqiyatli bashorat qilingan.
O'lchovsiz raqamlar
Bir qancha sabablarga koʻra simmetriyaning boshqa mumkin boʻlgan tamoyillari roʻyxati taklif qilingan. Bunday faraziy modellardan biri supersimmetriya deb nomlanadi. Bu ikki sababga ko'ra taklif qilindi. Avvalo, bu uzoq davom etgan topishmoqni tushuntirishi mumkin: "Nima uchun tabiat qonunlarida o'lchovsiz sonlar juda kam."
Masalan, Plank o'zining doimiy h ni kiritganida, u Nyuton doimiysidan boshlab, massa o'lchamlari bo'lgan miqdorni yozish uchun ishlatilishi mumkinligini tushundi. Bu raqam endi Plank qiymati sifatida tanilgan.
Buyuk kvant fizigi Pol Dirak (antimateriya mavjudligini bashorat qilgan) "katta sonlar muammosi" ni chiqardi. Ma'lum bo'lishicha, supersimmetriyaning bunday tabiatini postulatsiya qilish muammoni hal qilishga yordam beradi. Supersimmetriya, shuningdek, umumiy nisbiylik tamoyillarini tushunish uchun ajralmas hisoblanadikvant mexanikasiga mos keling.
Supersimmetriya nima?
Bu parametr, agar mavjud boʻlsa, fermiyonlarni (Pauli istisno qilish tamoyiliga boʻysunadigan yarim butun spinli zarralar) bozonlarga (butun spinli zarralar, Bose statistikasi deb ataladigan boʻlib, lazerlarning harakatiga olib keladi) bogʻlaydi. va Bose kondensatlari). Biroq, bir qarashda, bunday simmetriyani taklif qilish ahmoqona tuyuladi, chunki agar u tabiatda sodir bo'ladigan bo'lsa, har bir fermion uchun aynan bir xil massaga ega bozon bo'lishini kutish mumkin va aksincha.
Boshqacha aytganda, tanish elektrondan tashqari, selektor deb ataladigan, spinga ega boʻlmagan va istisno qilish tamoyiliga boʻysunmaydigan zarracha ham boʻlishi kerak, lekin boshqa barcha jihatlari boʻyicha u elektron bilan bir xil. Xuddi shunday, foton 1/2 spinli (elektron kabi istisno qilish printsipiga bo'ysunadi) nol massaga va fotonlarga o'xshash xususiyatlarga ega bo'lgan boshqa zarraga murojaat qilishi kerak. Bunday zarralar topilmadi. Biroq, bu faktlarni yarashtirish mumkinligi ma'lum bo'ldi va bu simmetriya haqida oxirgi fikrga olib keladi.
Kosmos
Proportionlar tabiat qonunlarining nisbati boʻlishi mumkin, lekin atrofdagi dunyoda namoyon boʻlishi shart emas. Atrofdagi bo'shliq bir xil emas. U ma'lum joylarda bo'lgan har xil narsalar bilan to'ldirilgan. Shunga qaramay, impulsning saqlanishidan inson tabiat qonunlari simmetrik ekanligini biladi. Ammo ba'zi hollarda proportsionallik"o'z-o'zidan buzilgan". Zarrachalar fizikasida bu atama torroq ma'noda qo'llaniladi.
Eng past energiya holati mutanosib boʻlmasa, simmetriya oʻz-oʻzidan buziladi.
Bu hodisa tabiatda koʻp hollarda uchraydi:
- Doimiy magnitlarda, eng past energiya holatida magnitlanishga olib keladigan spinlarning hizalanishi aylanish oʻzgarmasligini buzadi.
- P mezonlarining oʻzaro taʼsirida, bu proportsionallikni xiral deb ataydi.
Savol: "Supersimmetriya shunday buzilgan holatda mavjudmi?" Endi qizg'in eksperimental tadqiqotlar mavzusi. U koʻplab olimlarning ongini band qiladi.
Simmetriya tamoyillari va fizik kattaliklarning saqlanish qonunlari
Ilm-fanda bu qoida izolyatsiyalangan tizimning ma'lum bir o'lchanadigan xususiyati vaqt o'tishi bilan o'zgarmasligini bildiradi. Aniq saqlanish qonunlariga energiya zahiralari, chiziqli impuls, uning impulsi va elektr zaryadi kiradi. Massa, paritet, lepton va barion soni, g'alatilik, giperzariya va boshqalar kabi miqdorlarga nisbatan qo'llaniladigan taxminiy tark etishning ko'plab qoidalari ham mavjud. Bu miqdorlar jismoniy jarayonlarning ma'lum sinflarida saqlanadi, lekin hammasida emas.
Noeter teoremasi
Mahalliy qonun odatda matematik jihatdan miqdor miqdori va miqdori oʻrtasidagi nisbatni beruvchi qisman differentsial uzluksizlik tenglamasi sifatida ifodalanadi.uning transferi. Unda aytilishicha, nuqta yoki hajmda saqlangan raqam faqat ovoz balandligiga kiruvchi yoki undan chiqadigan raqam orqali o'zgartirilishi mumkin.
Noeter teoremasidan: har bir saqlanish qonuni fizikadagi simmetriyaning asosiy printsipi bilan bogʻliq.
Qoidalar tabiatning asosiy normalari hisoblanadi, bu fanda, shuningdek, kimyo, biologiya, geologiya va muhandislik kabi boshqa sohalarda keng qoʻllaniladi.
Koʻpchilik qonunlar aniq yoki mutlaqdir. Ular barcha mumkin bo'lgan jarayonlarga taalluqli degan ma'noda. Noeter teoremasiga ko'ra, simmetriya tamoyillari qismandir. Ular ba'zi jarayonlar uchun amal qiladi, ammo boshqalar uchun emas. U, shuningdek, ularning har biri va tabiatning differensial proportsionalligi o'rtasida yakkama-yakka muvofiqlik mavjudligini ta'kidlaydi.
Ayniqsa muhim natijalar: simmetriya printsipi, saqlanish qonunlari, Noeter teoremasi.
