Bota natyrore është një vend kompleks. Harmonitë i lejojnë njerëzit dhe shkencëtarët të dallojnë rendin në të. Në fizikë, prej kohësh është kuptuar se parimi i simetrisë është i lidhur ngushtë me ligjet e ruajtjes. Tre rregullat më të famshme janë: ruajtja e energjisë, momenti dhe momenti. Këmbëngulja e presionit është pasojë e faktit se qëndrimet e natyrës nuk ndryshojnë në asnjë interval. Për shembull, në ligjin e Njutonit të gravitetit, mund të imagjinohet se GN, konstanta gravitacionale, varet nga koha.
Në këtë rast nuk do të kursehet energji. Nga kërkimet eksperimentale për shkelje të ruajtjes së energjisë, mund të vendosen kufizime strikte për çdo ndryshim të tillë me kalimin e kohës. Ky parim i simetrisë është mjaft i gjerë dhe zbatohet në mekanikën kuantike si dhe në mekanikën klasike. Fizikanët ndonjëherë i referohen këtij parametri si homogjeniteti i kohës. Në mënyrë të ngjashme, ruajtja e momentit është pasojë e faktit se nuk ka vend të veçantë. Edhe nëse bota përshkruhet në terma të koordinatave karteziane, ligjet e natyrës nuk do të kujdesen për këtëmerrni parasysh burimin.
Kjo simetri quhet "pandryshueshmëri përkthimore" ose homogjenitet i hapësirës. Së fundi, ruajtja e momentit këndor lidhet me parimin e njohur të harmonisë në jetën e përditshme. Ligjet e natyrës janë të pandryshueshme nën rrotullime. Për shembull, jo vetëm që nuk ka rëndësi se si një person zgjedh origjinën e koordinatave, por nuk ka rëndësi se si ai zgjedh orientimin e boshteve.
Klasa diskrete
Parimi i simetrisë hapësirë-kohë, zhvendosja dhe rrotullimi quhen harmoni të vazhdueshme, sepse ju mund të lëvizni boshtet e koordinatave me çdo sasi arbitrare dhe të rrotulloheni me një kënd arbitrar. Klasa tjetër quhet diskrete. Një shembull i harmonisë janë si reflektimet në pasqyrë ashtu edhe barazia. Ligjet e Njutonit kanë gjithashtu këtë parim të simetrisë dypalëshe. Njeriu duhet vetëm të vëzhgojë lëvizjen e një objekti që bie në një fushë gravitacionale dhe më pas të studiojë të njëjtën lëvizje në një pasqyrë.
Ndërsa trajektorja është e ndryshme, ajo u bindet ligjeve të Njutonit. Kjo është e njohur për këdo që ka qëndruar ndonjëherë përpara një pasqyre të pastër dhe të lëmuar mirë dhe është i hutuar se ku ishte objekti dhe ku ishte imazhi i pasqyrës. Një mënyrë tjetër për të përshkruar këtë parim të simetrisë është ngjashmëria midis së majtës dhe së kundërtës. Për shembull, koordinatat tredimensionale karteziane zakonisht shkruhen sipas "rregullit të dorës së djathtë". Kjo do të thotë, rrjedha pozitive përgjatë boshtit z qëndron në drejtimin që gishti i madh është duke treguar nëse personi rrotullon dorën e djathtë rreth z, duke filluar nga x Oy dhe duke lëvizur drejt x.
Jokonvencionalesistemi i koordinatave 2 është i kundërt. Mbi të, boshti Z tregon drejtimin në të cilin do të jetë dora e majtë. Deklarata se ligjet e Njutonit janë të pandryshueshme do të thotë që një person mund të përdorë çdo sistem koordinativ dhe rregullat e natyrës duken të njëjta. Dhe gjithashtu vlen të theksohet se simetria e barazisë zakonisht shënohet me shkronjën P. Tani le të kalojmë te pyetja tjetër.
Veprimet dhe llojet e simetrisë, parimet e simetrisë
Barazia nuk është e vetmja proporcionalitet diskrete me interes për shkencën. Tjetra quhet ndryshimi i kohës. Në mekanikën e Njutonit, mund të imagjinohet një regjistrim video i një objekti që bie nën forcën e gravitetit. Pas kësaj, duhet të konsideroni ekzekutimin e videos në të kundërt. Të dyja lëvizjet "përpara në kohë" dhe "prapa" do t'i binden ligjeve të Njutonit (lëvizja e kundërt mund të përshkruajë një situatë që nuk është shumë e besueshme, por nuk do të shkelë ligjet). Kthimi i kohës zakonisht shënohet me shkronjën T.
Konjugim ngarkese
Për çdo grimcë të njohur (elektron, proton, etj.) ekziston një antigrimcë. Ka saktësisht të njëjtën masë, por ngarkesë elektrike të kundërt. Antigrimca e një elektroni quhet pozitron. Një proton është një antiproton. Kohët e fundit, antihidrogjeni është prodhuar dhe studiuar. Konjugimi i ngarkesës është një simetri midis grimcave dhe antigrimcave të tyre. Është e qartë se ata nuk janë të njëjtë. Por parimi i simetrisë do të thotë që, për shembull, sjellja e një elektroni në një fushë elektrike është identike me veprimet e një pozitroni në sfondin e kundërt. Konjugimi i ngarkesës shënohetshkronja C.
Këto simetri, megjithatë, nuk janë përmasa të sakta të ligjeve të natyrës. Në vitin 1956, eksperimentet treguan papritur se në një lloj radioaktiviteti të quajtur zbërthimi beta, kishte një asimetri midis të majtës dhe të djathtës. Ai u studiua fillimisht në zbërthimin e bërthamave atomike, por më lehtë përshkruhet në zbërthimin e mezonit π të ngarkuar negativisht, një grimcë tjetër që ndërvepron fuqishëm.
Ai, nga ana tjetër, zbërthehet ose në një muon, ose në një elektron dhe antineutrinon e tyre. Por prishjet me një ngarkesë të caktuar janë shumë të rralla. Kjo është për shkak (nëpërmjet një argumenti që përdor relativitetin special) për faktin se një koncept shfaqet gjithmonë me rrotullimin e tij paralel me drejtimin e tij të lëvizjes. Nëse natyra do të ishte simetrike ndërmjet të majtës dhe të djathtës, do të gjenim gjysmën e neutrinës me rrotullimin e saj paralel dhe pjesën me antiparalelen e saj.
Kjo për faktin se në pasqyrë drejtimi i lëvizjes nuk modifikohet, por me rrotullim. E lidhur me këtë është mesoni π + i ngarkuar pozitivisht, antigrimca π -. Ai zbërthehet në një neutrino elektronike me një rrotullim paralel me momentin e tij. Ky është ndryshimi midis sjelljes së tij. Antigrimcat e saj janë një shembull i thyerjes së konjugimit të ngarkesës.
Pas këtyre zbulimeve, u shtrua pyetja nëse ishte shkelur pandryshueshmëria e ndryshimit kohor T. Sipas parimeve të përgjithshme të mekanikës kuantike dhe relativitetit, shkelja e T lidhet me C × P, produkt i konjugimit të tarifat dhe barazia. SR, nëse ky është një parim i mirë simetrie do të thotë që prishja π + → e + + ν duhet të shkojë me të njëjtënshpejtësia si π - → e - +. Në vitin 1964, u zbulua një shembull i një procesi që shkel CP që përfshin një grup tjetër grimcash që ndërveprojnë fuqishëm të quajtur Kmesons. Rezulton se këto kokrra kanë veti të veçanta që na lejojnë të matim një shkelje të lehtë të CP. Vetëm në vitin 2001, ndërprerja e SR u mat në mënyrë bindëse në zbërthimin e një grupi tjetër, mesonet B.
Këto rezultate tregojnë qartë se mungesa e simetrisë është shpesh po aq interesante sa prania e saj. Në të vërtetë, menjëherë pas zbulimit të shkeljes së SR, Andrei Sakharov vuri në dukje se është një komponent i domosdoshëm në ligjet e natyrës për të kuptuar mbizotërimin e materies mbi antimateries në univers.
Parimet
Deri tani besohet se janë ruajtur kombinimi i CPT, konjugimi i ngarkesave, pariteti, ndryshimi i kohës. Kjo rrjedh nga parimet mjaft të përgjithshme të relativitetit dhe mekanikës kuantike, dhe është konfirmuar nga studimet eksperimentale deri më sot. Nëse zbulohet ndonjë shkelje e kësaj simetrie, ajo do të ketë pasoja të thella.
Deri më tani, përmasat në diskutim janë të rëndësishme në atë që ato çojnë në ligje të ruajtjes ose marrëdhënie midis shkallëve të reagimit midis grimcave. Ekziston një klasë tjetër simetrish që në fakt përcakton shumë nga forcat midis grimcave. Këto proporcionalitete njihen si proporcionalitete lokale ose matës.
Një simetri e tillë çon në ndërveprime elektromagnetike. Tjetra, në përfundimin e Ajnshtajnit, te graviteti. Në paraqitjen e parimit të tij të përgjithshëmNë teorinë e relativitetit, shkencëtari argumentoi se ligjet e natyrës duhet të jenë të disponueshme jo vetëm në mënyrë që ato të jenë të pandryshueshme, për shembull, kur rrotullohen koordinatat në të njëjtën kohë kudo në hapësirë, por me çdo ndryshim.
Matematika për të përshkruar këtë fenomen u zhvillua nga Friedrich Riemann dhe të tjerë në shekullin e nëntëmbëdhjetë. Ajnshtajni i përshtati pjesërisht dhe i rishpiu disa për nevojat e tij. Rezulton se për të shkruar ekuacione (ligje) që i binden këtij parimi, është e nevojshme të futet një fushë që në shumë mënyra është e ngjashme me atë elektromagnetike (përveç që ka një rrotullim prej dy). Ai lidh saktë ligjin e Njutonit të gravitetit me gjërat që nuk janë shumë masive, që lëvizin shpejt ose të lirshme. Për sistemet që janë të tilla (në krahasim me shpejtësinë e dritës), relativiteti i përgjithshëm çon në shumë fenomene ekzotike si vrimat e zeza dhe valët gravitacionale. E gjithë kjo buron nga nocioni mjaft i padëmshëm i Ajnshtajnit.
Matematika dhe shkenca të tjera
Parimet e simetrisë dhe ligjet e ruajtjes që çojnë në elektricitet dhe magnetizëm janë një shembull tjetër i proporcionalitetit lokal. Për të hyrë në këtë, duhet t'i drejtoheni matematikës. Në mekanikën kuantike, vetitë e një elektroni përshkruhen nga "funksioni valor" ψ(x). Është thelbësore për punën që ψ të jetë një numër kompleks. Ai, nga ana tjetër, mund të shkruhet gjithmonë si prodhim i një numri real, ρ dhe pikave, e iθ. Për shembull, në mekanikën kuantike, ju mund të shumëzoni funksionin e valës me fazën konstante, pa asnjë efekt.
Por nëse parimi i simetrisëqëndron në diçka më të fortë, që ekuacionet të mos varen nga fazat (më saktë, nëse ka shumë grimca me ngarkesa të ndryshme, si në natyrë, kombinimi specifik nuk është i rëndësishëm), është e nevojshme, si në relativitetin e përgjithshëm, të futet një grup fushash të ndryshme. Këto zona janë elektromagnetike. Zbatimi i këtij parimi të simetrisë kërkon që fusha t'i bindet ekuacioneve të Maksuellit. Kjo është e rëndësishme.
Sot, të gjitha ndërveprimet e Modelit Standard kuptohet se rrjedhin nga parime të tilla të simetrisë së matësit lokal. Ekzistenca e brezave W dhe Z, si dhe masat e tyre, gjysma e jetës dhe vetitë e tjera të ngjashme, janë parashikuar me sukses si pasojë e këtyre parimeve.
Numra të pamatshëm
Për një sërë arsyesh, është propozuar një listë e parimeve të tjera të mundshme të simetrisë. Një model i tillë hipotetik njihet si supersimetria. U propozua për dy arsye. Para së gjithash, ai mund të shpjegojë një gjëegjëzë të gjatë: "Pse ka shumë pak numra pa dimension në ligjet e natyrës."
Për shembull, kur Planck prezantoi konstanten e tij h, ai kuptoi se mund të përdoret për të shkruar një sasi me dimensione masive, duke filluar me konstanten e Njutonit. Ky numër tani njihet si vlera e Planck.
Fizikani i madh kuantik Paul Dirac (i cili parashikoi ekzistencën e antimateries) nxori "problemin e numrave të mëdhenj". Rezulton se postulimi i kësaj natyre të supersimetrisë mund të ndihmojë në zgjidhjen e problemit. Supersimetria është gjithashtu integrale për të kuptuar se si munden parimet e relativitetit të përgjithshëmjini në përputhje me mekanikën kuantike.
Çfarë është supersimetria?
Ky parametër, nëse ekziston, lidh fermionet (grimcat me rrotullim gjysmë të plotë që i binden parimit të përjashtimit të Paulit) me bozonët (grimcat me rrotullim numër të plotë që i binden të ashtuquajturave statistika Bose, gjë që çon në sjelljen e lazerëve dhe kondensatat Bose). Megjithatë, në pamje të parë, duket budallallëk të propozohet një simetri e tillë, sepse nëse do të ndodhte në natyrë, do të pritej që për çdo fermion të kishte një bozon me të njëjtën masë saktësisht dhe anasjelltas.
Me fjalë të tjera, përveç elektronit të njohur, duhet të ketë një grimcë të quajtur përzgjedhës, e cila nuk ka spin dhe nuk i bindet parimit të përjashtimit, por në të gjitha aspektet e tjera është e njëjtë me elektronin. Në mënyrë të ngjashme, një foton duhet t'i referohet një grimce tjetër me spin 1/2 (e cila i bindet parimit të përjashtimit, si një elektron) me masë zero dhe veti shumë si fotonet. Grimca të tilla nuk janë gjetur. Megjithatë, rezulton se këto fakte mund të pajtohen, dhe kjo çon në një pikë të fundit në lidhje me simetrinë.
Hapësirë
Proporcionet mund të jenë përmasa të ligjeve të natyrës, por jo domosdoshmërisht duhet të manifestohen në botën përreth. Hapësira përreth nuk është uniforme. Ajo është e mbushur me të gjitha llojet e gjërave që janë në vende të caktuara. Megjithatë, nga ruajtja e momentit, njeriu e di se ligjet e natyrës janë simetrike. Por në disa rrethana proporcionaliteti"thyer spontanisht". Në fizikën e grimcave, ky term përdoret më ngushtë.
Simetria thuhet se prishet spontanisht nëse gjendja më e ulët e energjisë nuk është proporcionale.
Ky fenomen ndodh në shumë raste në natyrë:
- Në magnetët e përhershëm, ku rreshtimi i rrotullimeve që shkakton magnetizëm në gjendjen më të ulët të energjisë thyen pandryshueshmërinë rrotulluese.
- Në ndërveprimet e mezoneve π, të cilat zbehin proporcionalitetin e quajtur kiral.
Pyetja: "A ekziston supersimetria në një gjendje kaq të thyer" tani është objekt i një kërkimi intensiv eksperimental. Ajo pushton mendjen e shumë shkencëtarëve.
Parimet e simetrisë dhe ligjet e ruajtjes së sasive fizike
Në shkencë, ky rregull thotë se një veti e veçantë e matshme e një sistemi të izoluar nuk ndryshon ndërsa evoluon me kalimin e kohës. Ligjet e sakta të ruajtjes përfshijnë rezervat e energjisë, momentin linear, momentin e tij dhe ngarkesën elektrike. Ekzistojnë gjithashtu shumë rregulla të braktisjes së përafërt që zbatohen për sasitë si masat, barazia, numri i leptonit dhe barionit, çuditshmëria, hiperzari, etj. Këto sasi ruhen në klasa të caktuara të proceseve fizike, por jo në të gjitha.
Teorema e Noeterit
Ligji lokal zakonisht shprehet matematikisht si një ekuacion i pjesshëm i vazhdimësisë diferenciale që jep raportin ndërmjet sasisë së sasisë dhetransferimin e saj. Ai thotë se numri i ruajtur në një pikë ose vëllim mund të ndryshohet vetëm nga ai që hyn ose del nga vëllimi.
Nga teorema e Noether: çdo ligj ruajtjeje lidhet me parimin bazë të simetrisë në fizikë.
Rregullat konsiderohen si norma themelore të natyrës me aplikim të gjerë në këtë shkencë, si dhe në fusha të tjera si kimia, biologjia, gjeologjia dhe inxhinieria.
Shumica e ligjeve janë të sakta ose absolute. Në kuptimin që ato zbatohen për të gjitha proceset e mundshme. Sipas teoremës së Noether-it, parimet e simetrisë janë të pjesshme. Në kuptimin që ato janë të vlefshme për disa procese, por jo për të tjerët. Ajo gjithashtu thekson se ekziston një korrespondencë një-për-një ndërmjet secilit prej tyre dhe proporcionalitetit të diferencueshëm të natyrës.
Rezultatet veçanërisht të rëndësishme janë: parimi i simetrisë, ligjet e ruajtjes, teorema e Noether-it.
