Simetria fenomenelor fizice

Simetria fenomenelor fizice

În plus față de simetria spațiului-timp, există multe alte simetrii care controlează fenomenele fizice care determină proprietățile particulelor elementare și interacțiunile lor. Vom vedea că fiecare simetrie are în mod necesar propria ei lege de conservare, care este satisfăcută de aceeași precizie ca și simetria însăși.

Simetria și legile de conservare

Pe măsură ce fizicienii au pătruns mai adânc în esența simetriei, el a descoperit o legătură uimitoare între proprietățile simetriei și legile conservării energiei, impulsului, încărcăturii electrice.

Fiecare simetrie oferă propria lege de conservare. Legea conservării energiei, de exemplu, este asociată cu omogenitatea timpului; legea conservării impulsului sau momentului - cu uniformitatea spațiului; legea conservării impulsului - cu simetrie în raport cu rotațiile; legea conservării parității - cu o simetrie oglindă.

În cazul în care timpul a fost fluctuant, ar varia în ceea ce privește ritmul proceselor ar putea, de exemplu, schimba periodic constanta gravitatiei. Nu numai că ar fi ușor să veniți cu o mașină de mișcare perpetuă, dar mai mult decât atât - ar funcționa! În cazul în care constanta de greutate nu mai este o „constantă“ poate ar fi ridicarea sarcinilor în timpul gravitatiei slab și rândul său, a dobândit energia lor în energie cinetică, le-dumping într-o perioadă de gravitate puternică. Dar deja Leonardo da Vinci în secolul al XV-lea. știa că o astfel de mașină este imposibilă.

Studind unele fenomene, fizicienii au observat că energia nu pare să fie păstrată, dar de fiecare dată această aparentă neprotejare însemna de fapt trecerea energiei de la o formă la alta. Când aruncăm mingea, la punctul superior se oprește pentru moment - și toată energia cinetică intră în cea potențială. Atunci când o energie mecanică este transformată în căldură, se eliberează o anumită cantitate de căldură. Dacă se lucrează prin răcire, căldura este transferată la o cantitate egală de energie mecanică.

În anii '30. dezintegrarea radioactivă a fost studiată, sa dovedit că energia emisă de decăderea electronilor este mai mică decât diferența dintre energiile nucleelor ​​înainte și după dezintegrare. Fizicienii au presupus că, împreună cu electronii, o particulă neutră - un neutrino izbucnește, îndepărtând un exces de energie. Existența neutrinei a fost apoi dovedită experimental prin efectul său direct asupra materiei. Energia este reținută cu aceeași precizie cu care se observă uniformitatea timpului.

Astfel, fiecare simetrie corespunde legii sale de conservare. În schimb, atunci când orice valoare rămâne neschimbată, atunci există o simetrie care asigură conservarea acestei cantități. Nu este surprinzător faptul că legile conservării energiei, impulsului, momentului unghiular sunt observate în toate fenomenele naturii. Ele sunt o consecință a unei astfel de proprietăți a lumii noastre ca simetria spațiului și a timpului.

Încălcarea simetriei oglinzii

Acum 30 de ani a existat o neașteptată. Sa dovedit că un mezon K încărcat se descompune în două moduri: doi sau trei pioni, iar simetria oglinzilor îl interzice să se descompună în ambele sensuri.

Oglinda simetriei este asociată cu legea conservării - o cantitate numită paritate este conservată. Ce este?

Conform mecanicii cuantice, comportamentul particulelor este determinat de funcția de undă, prin care cantitățile fizice sunt exprimate în mod quadratic. Proprietățile particulelor nu trebuie să se schimbe sub reflecția oglinzilor, dar funcția de undă se poate schimba semn. Când nu schimbă semnul, statul este numit chiar și atunci când se schimbă este ciudat. Prin urmare, dacă există o simetrie în oglindă, fiecare particulă are o anumită paritate. Pionii pentru care se distrug mezonul K deșerați sunt ciudați. Simplu simplificând esența chestiunii, să spunem că dacă mezonul K este egal, se poate descompune în două particule ciudate, iar dacă cel ciudat este doar trei, dar în nici un caz nu ar trebui să se descompună așa, atunci.

În același timp, fizicienii americani au studiat decăderea beta a cobaltului, în care electronii au fost emise de nuclei și antineutrinos. S-a dovedit că electronii apar în principal de la unghiuri obosite la direcția câmpului magnetic în care a fost plasat cobaltul. Conform legii simetriei oglinzilor, ei trebuiau să zboare la fel de des, atât în ​​unghiuri obosite, cât și sub cele ascuțite.

Confuzia fizicienilor era de așa natură încât se îndoiau în alte proprietăți ale simetriei spațiului. Apoi, Lev Davidovich Landau și independent Lee Tsung-dao și Yang Chen-Ning a sugerat că participarea la electronii-dezintegrarea beta, neutrinii, nucleoni oglindă asimetrice și pentru a restabili simetrie, trebuie să mergeți la antiparticule. Se pare că rezultatul a fost găsit - asimetria plecării a fost explicată prin asimetria particulelor participante. Atunci asimetria interacțiunii slabe nu înseamnă o încălcare a simetriei oglinzii a spațiului.

Simetria încărcare-oglindă

Pentru toate fenomenele naturii, pe lângă interacțiunile slabe, există încă simetrie de sarcină: legile naturii nu se schimbă dacă toate încărcăturile electrice sunt înlocuite cu cele inverse. În acest caz, cantitățile inverse și celelalte se schimbă, despre care vorbim.

Antiparticulele - un pozitiv, un antiproton, un antineutron, etc., au fost prezise și detectate, dintre care se poate alcătui nucleul unui anti-element. Dacă adăugăm positroni unui astfel de nucleu, care este încărcat negativ, se va dovedi a fi un anti-atom, de la anti-atomi - antimaterie cu aceleași proprietăți ca și substanța obișnuită.

Cei mai mulți astrofiziciști cred că nu există anti-lume. Faptul este că, la limitele materiei și antimateriei, ar trebui să se producă anihilarea electronilor și a pozitronilor - se vor transforma în perechi de quanta cu o energie de la fiecare 0,5 MeV. Astfel de quanta ar fi trebuit să fie foarte mult în univers, dar ele nu există.

Charge-simetrie în oglindă a fost prea imprecisă - în experimentele pe descompunerea a aceluiași K-Mezonul a fost descoperit în mod fundamental încălcarea importantă a legii simetriei taxa-oglindă. Aceasta înseamnă asimetria spațiului, este încă necunoscută.

Spargerea simetriei spontane

Cea mai mare parte a simetriei este ruptă, dacă luăm în considerare influența unor interacțiuni mai complexe; (deși foarte puține), chiar și legile de conservare asociate cu simetria spațială-timp sunt încălcate, datorită eterogenității universului în spațiu și timp.

Există o rupere mult mai importantă - simetrie spontană -. Exemplele sale se găsesc la fiecare pas: o picătură de apă situată pe o masă este un exemplu al unei astfel de încălcări; Ar fi mai simetric dacă apa ar fi murdară pe masă cu un strat subțire. Grilele cristaline ale solidelor - încălcarea diferitelor simetrii; aranjamentul haotic omogen al atomilor, care apare la o temperatură ridicată, reflectă mai mult simetria, omogenitatea și izotropia spațiului. Dar, la temperaturi suficient de scăzute, starea asimetrică a solidului este stabilă - rețeaua de cristal.

Ecuațiile simetrice pot avea soluții asimetrice. Teoria particulelor elementare presupune că simetria maximă domnește la distanțe foarte mici și apare o rupere spontană mare, care poate masca puternic simetria. Simetria nu este întotdeauna ușor de văzut.

Nedeterminarea particulelor identice

Există o simetrie permutată foarte importantă a obiectelor identice: niciun fenomen fizic nu ar trebui să se schimbe când două particule identice sunt rearanjate, de exemplu, doi electroni sau doi neutroni.

Ce trebuie să faceți pentru a nu confunda creioane complet identice? Pentru a le picta în culori diferite? Sau este suficient să pictezi doar unul? Dacă un gând pic, devine clar că nu merită să pierdem cerneală: nimeni nu câștigă, luând, dar exact același creion altcuiva, desigur, cu condiția ca el va da în schimbul lui. Dificultăți insuperabile pentru străini sunt create de gemeni identici, mai ales atunci când ei pentru divertisment se dau unul câte unul. Sunt confundați chiar de un câine bine instruit atunci când stau alături. Mark Twain, vorbind despre fratele său geamăn înecat într-un jgheab, el spune: „Nimeni nu a găsit vreodată care s-au înecat de fapt, eu sau fratele meu.“ Dacă acestea sunt la fel, nu puteți instala un înlocuitor. Cine dintre ele este o întrebare care nu poate fi verificată și deci una neștiințifică.

Particulele elementare pot fi imaginate ca vârfuri mici de filare care au un moment de impuls sau un moment unghiular. Conform mecanicii cuantice, impulsul unghiular poate lua valori definite, variază în cantități discontinue # 295; - constanta lui Planck. Momentul unghiular măsurat în unități de # 295; se numește spin. Spinul poate fi întreg și jumătate integral. Spinarea electronului în atomul de hidrogen în starea cu cea mai mică energie este de 1/2, iar în stările excitate: 1/2, 3/2, 5/2. Rotirea atomului de heliu în starea solului este 0, iar în starea excitată: 0, 1, 2, 3.

Am menționat deja funcția de undă care descrie comportamentul particulelor atunci când vorbeau despre paritate; se poate schimba semnul sub reflecție oglindă, astfel încât atunci când particulele sunt rearanjate, funcția val poate schimba și semnul. Remarcabil fizician elvețian Wolfgang Pauli în activitatea pe care a avut un impact enorm asupra tuturor fizica ulterioare, a arătat că rearanjarea particulelor la o funcție de undă de spin jumătate de întreg își schimbă semnul, și pentru schimbul de particule cu un spin nu se schimba. El a stabilit o lege numită "interdicția Pauli": două particule cu o centrifugă întreagă nu pot fi în aceeași stare. La urma urmei, în cazul în care rămân în același stat, transpunerea lor nu se schimbă funcția de undă, în timp ce teorema lui Pauli cere ca ea sa schimbat, prin urmare, este zero. O funcție de undă dă probabilitatea de a găsi particula în această stare, astfel încât, în cazul în care este zero, această stare este imposibil.

Ne mai amintim încă o dată de interdicția asupra lui Pauli, spunând despre particulele uimitoare - quarks.