El món natural és un lloc complex. Les harmonies permeten a les persones i als científics distingir-hi l'ordre. En física, fa temps que s'ha entès que el principi de simetria està estretament relacionat amb les lleis de conservació. Les tres regles més famoses són: conservació de l'energia, momentum i momentum. La persistència de la pressió és conseqüència del fet que les actituds de la natura no canvien en cap interval. Per exemple, a la llei de la gravetat de Newton, es pot imaginar que GN, la constant gravitatòria, depèn del temps.
En aquest cas, no s'estalviarà cap energia. A partir de cerques experimentals de violacions de conservació d'energia, es poden posar límits estrictes a qualsevol canvi d'aquest tipus al llarg del temps. Aquest principi de simetria és força ampli i s'aplica tant en mecànica quàntica com en mecànica clàssica. Els físics de vegades es refereixen a aquest paràmetre com a homogeneïtat del temps. De la mateixa manera, la conservació de l'impuls és conseqüència del fet que no hi ha un lloc especial. Fins i tot si el món es descriu en termes de coordenades cartesianes, això no els importarà a les lleis de la naturaconsidereu la font.
Aquesta simetria s'anomena "invariància translacional" o homogeneïtat de l'espai. Finalment, la conservació del moment angular està relacionada amb el principi familiar d'harmonia a la vida quotidiana. Les lleis de la naturalesa són invariables en les rotacions. Per exemple, no només no importa com una persona esculli l'origen de les coordenades, sinó també com tria l'orientació dels eixos.
Classe discreta
El principi de simetria espai-temps, desplaçament i rotació s'anomenen harmonies contínues, perquè podeu moure els eixos de coordenades en qualsevol quantitat arbitrària i girar per un angle arbitrari. L' altra classe s'anomena discreta. Un exemple d'harmonia són els reflexos en un mirall i la paritat. Les lleis de Newton també tenen aquest principi de simetria bilateral. Només cal observar el moviment d'un objecte que cau en un camp gravitatori i després estudiar el mateix moviment en un mirall.
Si bé la trajectòria és diferent, obeeix les lleis de Newton. Això és familiar per a qualsevol que s'hagi posat davant d'un mirall net i ben polit i estigui confós sobre on era l'objecte i on estava la imatge mirall. Una altra manera de descriure aquest principi de simetria és la similitud entre l'esquerra i el contrari. Per exemple, les coordenades cartesianes tridimensionals solen escriure's segons la "regla de la mà dreta". És a dir, el flux positiu al llarg de l'eix z es troba en la direcció que apunta el polze si la persona gira la mà dreta al voltant de z, començant per x Oy i avançant cap a x.
No convencionalEl sistema de coordenades 2 és oposat. En ell, l'eix Z indica la direcció en què estarà la mà esquerra. L'afirmació que les lleis de Newton són invariants significa que una persona pot utilitzar qualsevol sistema de coordenades, i les regles de la naturalesa semblen iguals. I també val la pena assenyalar que la simetria de paritat normalment es denota amb la lletra P. Ara passem a la pregunta següent.
Operacions i tipus de simetria, principis de simetria
La paritat no és l'única proporcionalitat discreta d'interès per a la ciència. L' altre s'anomena canvi de temps. En la mecànica newtoniana, es pot imaginar una gravació de vídeo d'un objecte que cau sota la força de la gravetat. Després d'això, heu de considerar executar el vídeo a la inversa. Tant els moviments "davant en el temps" com els "enrere" obeiran les lleis de Newton (el moviment invers pot descriure una situació que no és molt plausible, però no violarà les lleis). La inversió temporal s'acostuma a indicar amb la lletra T.
Conjugació de càrrega
Per a cada partícula coneguda (electró, protó, etc.) hi ha una antipartícula. Té exactament la mateixa massa, però la càrrega elèctrica oposada. L'antipartícula d'un electró s'anomena positró. Un protó és un antiprotó. Recentment, s'ha produït i estudiat antihidrogen. La conjugació de càrrega és una simetria entre les partícules i les seves antipartícules. Evidentment no són els mateixos. Però el principi de simetria significa que, per exemple, el comportament d'un electró en un camp elèctric és idèntic a les accions d'un positró en el fons oposat. Es denota la conjugació de càrregalletra C.
Aquestes simetries, però, no són proporcions exactes de les lleis de la naturalesa. L'any 1956, experiments van demostrar inesperadament que en un tipus de radioactivitat anomenat desintegració beta, hi havia una asimetria entre l'esquerra i la dreta. Es va estudiar per primera vegada en les desintegracions dels nuclis atòmics, però es descriu més fàcilment en la descomposició del mesó π carregat negativament, una altra partícula que interacciona fortament.
Al seu torn, es descompon en un muó o en un electró i el seu antineutri. Però les decadències amb una càrrega determinada són molt rares. Això es deu (a través d'un argument que fa servir la relativitat especial) al fet que un concepte sempre sorgeix amb la seva rotació paral·lela a la seva direcció de moviment. Si la natura fos simètrica entre l'esquerra i la dreta, es trobaria el neutrin mig temps amb el seu gir paral·lel i la part amb el seu antiparal·lel.
Això es deu al fet que al mirall no es modifica la direcció del moviment, sinó per rotació. Associat a això hi ha el mesó π + carregat positivament, l'antipartícula π -. Decau en un neutrino electrònic amb un gir paral·lel al seu impuls. Aquesta és la diferència entre el seu comportament. Les seves antipartícules són un exemple de trencament de la conjugació de càrrega.
Després d'aquests descobriments, es va plantejar la qüestió de si s'havia violat la invariància d'inversió temporal T. Segons els principis generals de la mecànica quàntica i la relativitat, la violació de T està relacionada amb C × P, el producte de la conjugació de càrrecs i paritat. SR, si aquest és un bon principi de simetria vol dir que la decadència π + → e + + ν ha d'anar amb el mateixvelocitat com π - → e - +. El 1964, es va descobrir un exemple d'un procés que violava la CP que implicava un altre conjunt de partícules fortament interaccionants anomenades Kmesons. Resulta que aquests grans tenen propietats especials que ens permeten mesurar una lleu violació de CP. No va ser fins al 2001 que la interrupció de la SR es va mesurar de manera convincent en les desintegracions d'un altre conjunt, els mesons B.
Aquests resultats mostren clarament que l'absència de simetria sovint és tan interessant com la seva presència. De fet, poc després del descobriment de la violació de la RS, Andrei Sakharov va assenyalar que és un component necessari de les lleis de la natura per entendre el predomini de la matèria sobre l'antimatèria a l'univers.
Principis
Fins ara es creu que es conserva la combinació de CPT, conjugació de càrrega, paritat, inversió temporal. Això es desprèn dels principis més aviat generals de la relativitat i la mecànica quàntica, i ha estat confirmat per estudis experimentals fins ara. Si es troba alguna violació d'aquesta simetria, tindrà conseqüències profundes.
Fins ara, les proporcions que es discuteixen són importants perquè condueixen a lleis de conservació o relacions entre les velocitats de reacció entre partícules. Hi ha una altra classe de simetries que en realitat determina moltes de les forces entre partícules. Aquestes proporcionalitats es coneixen com a proporcionalitats locals o de mesura.
Una d'aquestes simetries condueix a interaccions electromagnètiques. L' altre, en conclusió d'Einstein, a la gravetat. En exposar el seu principi de generalEn teoria de la relativitat, el científic va argumentar que les lleis de la naturalesa haurien d'estar disponibles no només perquè fossin invariants, per exemple, quan es giren les coordenades simultàniament a tot arreu de l'espai, sinó amb qualsevol canvi.
Les matemàtiques per descriure aquest fenomen van ser desenvolupades per Friedrich Riemann i altres al segle XIX. Einstein en va adaptar parcialment i en va reinventar alguns per a les seves pròpies necessitats. Resulta que per escriure equacions (lleis) que obeeixin a aquest principi cal introduir un camp semblant en molts aspectes a l'electromagnètic (excepte que té un gir de dos). Connecta correctament la llei de la gravetat de Newton amb coses que no són massa massives, es mouen ràpidament o soltes. Per als sistemes que ho són (en comparació amb la velocitat de la llum), la relativitat general condueix a molts fenòmens exòtics com els forats negres i les ones gravitatòries. Tot això neix de la noció més aviat innòcua d'Einstein.
Matemàtiques i altres ciències
Els principis de simetria i les lleis de conservació que condueixen a l'electricitat i el magnetisme són un altre exemple de proporcionalitat local. Per entrar-hi, cal recórrer a les matemàtiques. En mecànica quàntica, les propietats d'un electró es descriuen mitjançant la "funció d'ona" ψ(x). És essencial per al treball que ψ sigui un nombre complex. Al seu torn, sempre es pot escriure com el producte d'un nombre real, ρ, i períodes, e iθ. Per exemple, en mecànica quàntica, podeu multiplicar la funció d'ona per la fase constant, sense cap efecte.
Però si el principi de simetriarau en quelcom més fort, que les equacions no depenen de les etapes (més precisament, si hi ha moltes partícules amb càrregues diferents, com en la natura, la combinació específica no és important), cal, com en la relativitat general, introduir un conjunt diferent de camps. Aquestes zones són electromagnètiques. L'aplicació d'aquest principi de simetria requereix que el camp obeeixi les equacions de Maxwell. Això és important.
Avui, s'entén que totes les interaccions del model estàndard segueixen aquests principis de simetria de calibre local. L'existència de les bandes W i Z, així com les seves masses, semivida i altres propietats similars, s'han predit amb èxit com a conseqüència d'aquests principis.
Nombres incommensurables
Per diverses raons, s'ha proposat una llista d' altres possibles principis de simetria. Un d'aquests models hipotètics es coneix com a supersimetria. Es va proposar per dos motius. En primer lloc, pot explicar un enigma de llarga data: "Per què hi ha molt pocs nombres adimensionals a les lleis de la naturalesa?"
Per exemple, quan Planck va introduir la seva constant h, es va adonar que es podia utilitzar per escriure una quantitat amb dimensions de massa, començant per la constant de Newton. Aquest número ara es coneix com el valor de Planck.
El gran físic quàntic Paul Dirac (que va predir l'existència de l'antimatèria) va deduir el "problema dels grans nombres". Resulta que postular aquesta naturalesa de la supersimetria pot ajudar a resoldre el problema. La supersimetria també és integral per entendre com poden fer els principis de la relativitat generalsigui coherent amb la mecànica quàntica.
Què és la supersimetria?
Aquest paràmetre, si existeix, relaciona els fermions (partícules amb espín mig sencer que obeeixen al principi d'exclusió de Pauli) amb bosons (partícules amb espín sencer que obeeixen a les anomenades estadístiques de Bose, que condueixen al comportament dels làsers). i condensats de Bose). Tanmateix, a primer cop d'ull, sembla una tonteria proposar aquesta simetria, perquè si es produís a la natura, hom esperaria que per a cada fermió hi hauria un bosó amb exactament la mateixa massa, i viceversa.
En altres paraules, a més de l'electró familiar, hi ha d'haver una partícula anomenada selector, que no té espín i no obeeix al principi d'exclusió, però en tots els altres aspectes és el mateix que l'electró. De la mateixa manera, un fotó hauria de referir-se a una altra partícula amb espín 1/2 (que obeeix al principi d'exclusió, com un electró) amb massa zero i propietats semblants als fotons. No s'han trobat aquestes partícules. Resulta, però, que aquests fets es poden conciliar, i això porta a un últim punt sobre la simetria.
Espai
Les proporcions poden ser proporcions de les lleis de la natura, però no necessàriament s'han de manifestar al món circumdant. L'espai al voltant no és uniforme. Està ple de tot tipus de coses que hi ha en determinats llocs. No obstant això, des de la conservació de l'impuls, l'home sap que les lleis de la naturalesa són simètriques. Però en algunes circumstàncies la proporcionalitat"espontàniament trencat". A la física de partícules, aquest terme s'utilitza de manera més limitada.
Es diu que la simetria es trenca espontàniament si l'estat d'energia més baixa no és proporcional.
Aquest fenomen es produeix en molts casos a la natura:
- En els imants permanents, on l'alineació dels girs que provoca el magnetisme en l'estat d'energia més baixa trenca la invariància rotacional.
- En les interaccions dels mesons π, que atenuen la proporcionalitat anomenada quiral.
La pregunta: "La supersimetria existeix en un estat tan trencat" és ara objecte d'una intensa investigació experimental. Ocupa la ment de molts científics.
Principis de simetria i lleis de conservació de les magnituds físiques
En ciència, aquesta regla estableix que una propietat mesurable particular d'un sistema aïllat no canvia a mesura que evoluciona amb el temps. Les lleis de conservació exactes inclouen les reserves d'energia, el moment lineal, el seu moment i la càrrega elèctrica. També hi ha moltes regles d'abandonament aproximat que s'apliquen a magnituds com les masses, la paritat, el nombre de leptons i barions, l'estranyesa, l'hiperzaria, etc. Aquestes magnituds es conserven en determinades classes de processos físics, però no en tots.
Teorema de Noether
La llei local sol expressar-se matemàticament com una equació de continuïtat diferencial parcial que dóna la relació entre la quantitat i la quantitat.la seva transferència. Afirma que el número emmagatzemat en un punt o volum només es pot canviar pel que entra o surt del volum.
Del teorema de Noether: tota llei de conservació està relacionada amb el principi bàsic de simetria en física.
Les regles es consideren normes fonamentals de la natura amb una àmplia aplicació en aquesta ciència, així com en altres camps com la química, la biologia, la geologia i l'enginyeria.
La majoria de les lleis són precises o absolutes. En el sentit que s'apliquen a tots els processos possibles. Segons el teorema de Noether, els principis de simetria són parcials. En el sentit que són vàlides per a uns processos, però no per a d' altres. També afirma que hi ha una correspondència un a un entre cadascun d'ells i la proporcionalitat diferenciable de la naturalesa.
Els resultats especialment importants són: el principi de simetria, les lleis de conservació, el teorema de Noether.
