Thế giới tự nhiên là một nơi phức tạp. Lời khai cho phép mọi người và các nhà khoa học phân biệt thứ tự trong đó. Trong vật lý học, từ lâu người ta đã hiểu rằng nguyên lý đối xứng có liên quan mật thiết đến các định luật bảo toàn. Ba quy tắc nổi tiếng nhất là: bảo toàn năng lượng, động lượng và động lượng. Sự dai dẳng của áp lực là hệ quả của thực tế là các thái độ của tự nhiên không thay đổi trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Ví dụ, trong định luật hấp dẫn của Newton, người ta có thể tưởng tượng rằng GN, hằng số hấp dẫn, phụ thuộc vào thời gian.
Trong trường hợp này sẽ không có năng lượng nào được tiết kiệm. Từ các cuộc tìm kiếm thử nghiệm đối với các vi phạm về bảo tồn năng lượng, các giới hạn nghiêm ngặt có thể được đặt ra đối với bất kỳ sự thay đổi nào như vậy theo thời gian. Nguyên lý đối xứng này khá rộng và được áp dụng trong lượng tử cũng như trong cơ học cổ điển. Các nhà vật lý đôi khi gọi thông số này là sự đồng nhất của thời gian. Tương tự, bảo toàn động lượng là hệ quả của thực tế là không có vị trí đặc biệt. Ngay cả khi thế giới được mô tả dưới dạng tọa độ Descartes, các quy luật tự nhiên sẽ không quan tâm đến điều đóxem xét nguồn.
Đối xứng này được gọi là "bất biến tịnh tiến" hay tính đồng nhất của không gian. Cuối cùng, bảo toàn momen động lượng có liên quan đến nguyên lý hài hòa quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày. Các quy luật của tự nhiên là bất biến dưới sự luân chuyển. Ví dụ: không chỉ cách một người chọn gốc tọa độ mà còn không quan trọng cách anh ta chọn hướng của các trục.
Lớp rời rạc
Nguyên tắc đối xứng không-thời gian, dịch chuyển và quay được gọi là sự hài hòa liên tục, bởi vì bạn có thể di chuyển các trục tọa độ theo bất kỳ số lượng tùy ý và xoay theo một góc tùy ý. Lớp còn lại được gọi là rời rạc. Một ví dụ về sự hài hòa là cả sự phản chiếu trong gương và sự ngang bằng. Các định luật Newton cũng có nguyên tắc đối xứng song phương này. Người ta chỉ phải quan sát chuyển động của một vật rơi trong trọng trường, và sau đó nghiên cứu chuyển động tương tự trong gương.
Mặc dù quỹ đạo khác nhau nhưng nó tuân theo định luật Newton. Điều này quen thuộc với những ai đã từng đứng trước một tấm gương sạch sẽ, được đánh bóng tốt và bối rối không biết vật thể ở đâu và hình ảnh trong gương ở đâu. Một cách khác để mô tả nguyên tắc đối xứng này là sự giống nhau giữa bên trái và bên trái. Ví dụ, tọa độ Descartes ba chiều thường được viết theo "quy tắc bàn tay phải". Tức là, dòng dương dọc theo trục z nằm theo hướng ngón tay cái đang trỏ nếu người đó xoay bàn tay phải của họ quanh z, bắt đầu từ x Oy và di chuyển về phía x.
Độc đáohệ tọa độ 2 ngược dấu. Trên đó, trục Z cho biết hướng mà tay trái sẽ ở. Tuyên bố rằng các định luật của Newton là bất biến có nghĩa là một người có thể sử dụng bất kỳ hệ tọa độ nào, và các quy tắc tự nhiên trông giống nhau. Và cũng cần lưu ý rằng đối xứng chẵn lẻ thường được ký hiệu bằng chữ P. Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang câu hỏi tiếp theo.
Các phép toán và các loại đối xứng, nguyên tắc đối xứng
Tính chẵn lẻ không phải là tỷ lệ tương xứng rời rạc duy nhất của mối quan tâm đối với khoa học. Cái còn lại được gọi là thay đổi thời gian. Trong cơ học Newton, người ta có thể tưởng tượng một đoạn video ghi lại cảnh một vật thể rơi xuống dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Sau đó, bạn cần cân nhắc việc chạy ngược lại video. Cả chuyển động "thuận theo thời gian" và "lùi" đều tuân theo định luật Newton (chuyển động ngược có thể mô tả một tình huống không hợp lý lắm, nhưng nó sẽ không vi phạm định luật). Đảo ngược thời gian thường được ký hiệu bằng chữ T.
Liên hợp phí
Đối với mỗi hạt đã biết (electron, proton, v.v.) đều có một phản hạt. Nó có cùng khối lượng, nhưng điện tích ngược lại. Phản hạt của electron được gọi là positron. Một proton là một phản proton. Gần đây, antihydrogen đã được sản xuất và nghiên cứu. Sự liên hợp điện tích là sự đối xứng giữa các hạt và phản hạt của chúng. Rõ ràng là chúng không giống nhau. Nhưng nguyên tắc đối xứng có nghĩa là, ví dụ, hoạt động của một electron trong điện trường giống với hoạt động của một positron trong nền ngược lại. Liên hợp phí được biểu thịchữ C.
Tuy nhiên, những đối xứng này không phải là tỷ lệ chính xác của các quy luật tự nhiên. Năm 1956, các thí nghiệm bất ngờ cho thấy rằng trong một loại phóng xạ được gọi là phân rã beta, có sự bất đối xứng giữa trái và phải. Lần đầu tiên nó được nghiên cứu về sự phân rã của hạt nhân nguyên tử, nhưng nó được mô tả dễ dàng nhất trong sự phân hủy của meson π tích điện âm, một hạt tương tác mạnh khác.
Đến lượt nó, nó phân hủy thành muon, hoặc thành electron và phản neutrino của chúng. Nhưng rất hiếm khi xảy ra sự cố về một khoản phí nhất định. Điều này là do (thông qua một lập luận sử dụng thuyết tương đối hẹp) thực tế là một khái niệm luôn xuất hiện với chuyển động quay song song với hướng chuyển động của nó. Nếu bản chất đối xứng giữa trái và phải, người ta sẽ tìm thấy nửa thời gian neutrino có spin song song và phần có phản song song của nó.
Điều này là do hướng chuyển động trong gương không bị thay đổi, mà là do chuyển động quay. Liên kết với nó là meson π + tích điện dương, phản hạt π -. Nó phân rã thành một hạt neutrino electron với spin song song với động lượng của nó. Đây là sự khác biệt giữa hành vi của anh ta. Phản hạt của nó là một ví dụ về sự phá vỡ liên hợp điện tích.
Sau những khám phá này, câu hỏi được đặt ra là liệu bất biến đảo ngược thời gian T có bị vi phạm hay không. Theo các nguyên tắc tổng quát của cơ học lượng tử và thuyết tương đối, sự vi phạm T liên quan đến C × P, tích của liên hợp phí và tính ngang giá. SR, nếu đây là một nguyên tắc đối xứng tốt có nghĩa là phân rã π + → e + + ν phải đi cùngtốc độ là π - → e - +. Năm 1964, một ví dụ về quy trình vi phạm CP đã được phát hiện liên quan đến một tập hợp các hạt tương tác mạnh khác được gọi là Kmesons. Hóa ra những loại ngũ cốc này có những đặc tính đặc biệt cho phép chúng tôi đo lường mức độ vi phạm CP nhẹ. Mãi đến năm 2001, sự gián đoạn SR mới được đo lường một cách thuyết phục bằng sự phân rã của một tập hợp khác, các meson B.
Những kết quả này cho thấy rõ ràng rằng sự vắng mặt của tính đối xứng thường cũng thú vị như sự hiện diện của nó. Thật vậy, ngay sau khi phát hiện ra vi phạm SR, Andrei Sakharov đã lưu ý rằng nó là một thành phần cần thiết trong quy luật tự nhiên để hiểu được ưu thế của vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ.
Nguyên tắc
Cho đến nay người ta tin rằng sự kết hợp của CPT, liên hợp điện tích, tính chẵn lẻ, đảo ngược thời gian vẫn được giữ nguyên. Điều này tuân theo các nguyên lý khá tổng quát của thuyết tương đối và cơ học lượng tử, và đã được các nghiên cứu thực nghiệm xác nhận cho đến nay. Nếu bất kỳ vi phạm nào đối với sự đối xứng này bị phát hiện, nó sẽ gây ra hậu quả sâu sắc.
Cho đến nay, các tỷ lệ đang được thảo luận quan trọng ở chỗ chúng dẫn đến các định luật bảo toàn hoặc mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng giữa các hạt. Có một loại đối xứng khác thực sự xác định nhiều lực giữa các hạt. Các tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ cục bộ hoặc tỷ lệ đo.
Một sự đối xứng như vậy dẫn đến tương tác điện từ. Điều còn lại, theo kết luận của Einstein, về lực hấp dẫn. Khi đặt ra nguyên tắc chung của mìnhTrong thuyết tương đối, nhà khoa học lập luận rằng các quy luật tự nhiên không chỉ nên có sẵn để chúng bất biến, chẳng hạn khi quay các tọa độ đồng thời ở mọi nơi trong không gian, nhưng với bất kỳ sự thay đổi nào.
Toán học để mô tả hiện tượng này được Friedrich Riemann và những người khác phát triển vào thế kỷ XIX. Einstein đã điều chỉnh một phần và phát minh lại một số cho nhu cầu của riêng mình. Hóa ra là để viết các phương trình (định luật) tuân theo nguyên lý này, cần phải giới thiệu một trường tương tự như điện từ về nhiều mặt (ngoại trừ trường có spin bằng hai). Nó kết nối chính xác định luật hấp dẫn của Newton với những thứ không quá lớn, chuyển động nhanh hoặc lỏng lẻo. Đối với những hệ thống như vậy (so với tốc độ ánh sáng), thuyết tương đối rộng dẫn đến nhiều hiện tượng kỳ lạ như lỗ đen và sóng hấp dẫn. Tất cả những điều này đều bắt nguồn từ quan niệm khá vô thưởng vô phạt của Einstein.
Toán học và các ngành khoa học khác
Các nguyên tắc đối xứng và định luật bảo toàn dẫn đến điện và từ là một ví dụ khác về tính tỷ lệ cục bộ. Để nhập được điều này, người ta phải chuyển sang toán học. Trong cơ học lượng tử, các đặc tính của electron được mô tả bằng "hàm sóng" ψ (x). Điều cần thiết đối với công việc là ψ là một số phức. Đến lượt nó, nó luôn có thể được viết dưới dạng tích của một số thực, ρ và các chu kỳ, e iθ. Ví dụ: trong cơ học lượng tử, bạn có thể nhân hàm sóng với pha không đổi mà không ảnh hưởng gì.
Nhưng nếu nguyên tắc đối xứngnằm trên một cái gì đó mạnh hơn, rằng các phương trình không phụ thuộc vào các giai đoạn (chính xác hơn, nếu có nhiều hạt với các điện tích khác nhau, như trong tự nhiên, sự kết hợp cụ thể là không quan trọng), như trong thuyết tương đối rộng, cần phải giới thiệu một tập hợp các trường khác. Các vùng này là điện từ. Việc áp dụng nguyên lý đối xứng này yêu cầu trường tuân theo các phương trình Maxwell. Đây là điều quan trọng.
Ngày nay, tất cả các tương tác của Mô hình Chuẩn được hiểu là tuân theo các nguyên tắc như vậy của đối xứng khổ cục bộ. Sự tồn tại của các dải W và Z, cũng như khối lượng, chu kỳ bán rã và các đặc tính tương tự khác của chúng, đã được dự đoán thành công là hệ quả của những nguyên tắc này.
Số vô lượng
Vì một số lý do, một danh sách các nguyên tắc đối xứng có thể có khác đã được đề xuất. Một mô hình giả thuyết như vậy được gọi là siêu đối xứng. Nó được đề xuất vì hai lý do. Trước hết, nó có thể giải thích một câu đố lâu đời: "Tại sao có rất ít số không thứ nguyên trong quy luật tự nhiên."
Ví dụ, khi Planck giới thiệu hằng số h của mình, ông nhận ra rằng nó có thể được sử dụng để viết một đại lượng có kích thước khối lượng, bắt đầu bằng hằng số Newton. Con số này hiện được gọi là giá trị Planck.
Nhà vật lý lượng tử vĩ đại Paul Dirac (người đã dự đoán sự tồn tại của phản vật chất) đã suy ra "vấn đề về số lượng lớn". Nó chỉ ra rằng định đề bản chất siêu đối xứng này có thể giúp giải quyết vấn đề. Siêu đối xứng cũng không thể thiếu để hiểu cách các nguyên lý của thuyết tương đối rộng có thểphù hợp với cơ học lượng tử.
Siêu đối xứng là gì?
Tham số này, nếu tồn tại, liên hệ các fermion (các hạt có spin bán nguyên tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli) với các boson (các hạt có spin nguyên tuân theo cái gọi là thống kê Bose, dẫn đến hoạt động của laser và Bose ngưng tụ). Tuy nhiên, thoạt nhìn, có vẻ ngớ ngẩn khi đề xuất một sự đối xứng như vậy, bởi vì nếu nó xảy ra trong tự nhiên, người ta sẽ mong đợi rằng đối với mỗi fermion sẽ có một boson có cùng khối lượng chính xác và ngược lại.
Nói cách khác, ngoài electron quen thuộc, phải có một hạt gọi là hạt chọn, hạt này không có spin và không tuân theo nguyên tắc loại trừ, nhưng về mọi mặt thì nó giống với electron. Tương tự, một photon nên chỉ một hạt khác có spin 1/2 (tuân theo nguyên tắc loại trừ, giống như một electron) với khối lượng bằng không và các tính chất giống như photon. Những hạt như vậy chưa được tìm thấy. Tuy nhiên, hóa ra những sự kiện này có thể được dung hòa và điều này dẫn đến một điểm cuối cùng về sự đối xứng.
Không gian
Tỷ lệ có thể là tỷ lệ của các quy luật tự nhiên, nhưng không nhất thiết phải được thể hiện trong thế giới xung quanh. Không gian xung quanh không đồng nhất. Nó chứa đầy đủ thứ ở những nơi nhất định. Tuy nhiên, từ sự bảo toàn động lượng, con người biết rằng các quy luật tự nhiên là đối xứng. Nhưng trong một số trường hợp, sự tương xứng"tự nhiên bị hỏng". Trong vật lý hạt, thuật ngữ này được sử dụng hẹp hơn.
Sự đối xứng được cho là tự nhiên bị phá vỡ nếu trạng thái năng lượng thấp nhất không tương xứng.
Hiện tượng này xảy ra trong nhiều trường hợp trong tự nhiên:
- Trong nam châm vĩnh cửu, nơi mà sự liên kết của các spin gây ra từ tính ở trạng thái năng lượng thấp nhất sẽ phá vỡ sự bất biến quay.
- Trong tương tác của các meson π, làm giảm tỷ lệ thuận được gọi là bất đối xứng.
Câu hỏi: "Liệu siêu đối xứng có tồn tại trong tình trạng bị phá vỡ như vậy không" hiện đang là chủ đề của các nghiên cứu thực nghiệm gay gắt. Nó chiếm trọn tâm trí của nhiều nhà khoa học.
Nguyên lý đối xứng và định luật bảo toàn các đại lượng vật lý
Trong khoa học, quy tắc này nói rằng một thuộc tính có thể đo lường cụ thể của một hệ thống cô lập không thay đổi khi nó phát triển theo thời gian. Các định luật bảo toàn chính xác bao gồm dự trữ năng lượng, động lượng tuyến tính, động lượng của nó và điện tích. Ngoài ra còn có nhiều quy tắc bỏ gần đúng áp dụng cho các đại lượng như khối lượng, tính chẵn lẻ, lepton và số baryon, độ lạ, hyperzary, v.v. Những đại lượng này được bảo toàn trong một số loại quy trình vật lý, nhưng không phải trong tất cả.
Định lý Noether
Luật cục bộ thường được biểu diễn bằng toán học như một phương trình vi phân liên tục riêng phần cho tỷ số giữa đại lượng vàsự chuyển nhượng của nó. Nó chỉ ra rằng số được lưu trữ trong một điểm hoặc khối lượng chỉ có thể được thay đổi bởi số đó đi vào hoặc thoát ra khỏi khối lượng.
Từ định lý Noether: mọi định luật bảo toàn đều liên quan đến nguyên tắc đối xứng cơ bản trong vật lý.
Các quy tắc được coi là chuẩn mực cơ bản của tự nhiên với ứng dụng rộng rãi trong ngành khoa học này, cũng như trong các lĩnh vực khác như hóa học, sinh học, địa chất và kỹ thuật.
Hầu hết các luật đều chính xác hoặc tuyệt đối. Theo nghĩa chúng áp dụng cho tất cả các quy trình có thể. Theo định lý Noether, các nguyên tắc đối xứng là từng phần. Theo nghĩa chúng có giá trị đối với một số quy trình, nhưng không hợp lệ đối với những quy trình khác. Cô ấy cũng nói rằng có sự tương ứng 1-1 giữa mỗi chúng và sự tương xứng có thể phân biệt được của tự nhiên.
Các kết quả đặc biệt quan trọng là: nguyên lý đối xứng, các định luật bảo toàn, định lý Noether.
