Symmetrian periaatteet fysiikassa

Luonnontieteet perustuvat muutamaan poikkeuksellisen hedelmälliseen ajatukseen. Symmetria on ajatus, jonka kautta ihminen on vuosisatojen ajan yrittänyt luoda järjestystä, kauneutta. Termi "symmetria" tarkoittaa kreikaksi suhteellisuutta, suhteellisuutta, osien järjestelyn samanlaista. Symmetrian periaatteiden hallitseva rooli määrää viime kädessä symmetrian todellisen läsnäolon kaikessa, mikä meitä ympäröi.

Soveltamalla symmetriaperiaatteita tieteellisten luokittelujen kehittämisessä rakennetutkimuksissa voidaan tehdä tieteellisiä ennusteita. Esimerkiksi O.P. Frost uskoo, että kun yritämme ratkaista mysteerin siitä, mikä työnsi Maxwellin ratkaisevaan askeleeseen ja ehdotimme hänelle ajatusta siirtymävirrasta, tapauksen olosuhteet johtavat meidät hyvin todennäköiseen vastaukseen: symmetria. Symmetria sähkön ja magnetismin välillä.

Tarkastellaanpa alkuainehiukkasten luokitteluongelmaa. Ne jaetaan yleensä kolmeen perheeseen: ensimmäinen on fotoni; toinen koostuu kuudesta leptonista: elektroni, elektronineutrino, myon, myonneutrino, taon, taon neutrino; kolmas perhe koostuu useista sadoista hadroneista (mesoneista ja baryoneista). Jokaisella hiukkasella, lukuun ottamatta fotonia, neutraalia pionia ja eta-mesonia, on antihiukkanen.

Viime aikoihin asti fyysikot olivat melko hämmentyneitä hadronien runsauden ja leptonien erittäin pienen määrän välisestä terävästä erosta. Vuonna 1964 Gell-Mann ja Zweig ehdottivat, että kaikki hadronit koostuvat kvarkeista ja että kvarkkityyppien lukumäärän tulisi olla yhtä suuri kuin leptonityyppien lukumäärä. Tällä hetkellä tunnetaan kuusi leptonia ja kuusi kvarkkityyppiä. Kvarkkien ja leptonien välinen symmetria näyttää nykyään erittäin merkittävältä. Se viittaa siihen, että hiukkasten silmiinpistävästä erosta huolimatta niiden luonteessa on jotain yhteistä. Ilmeisesti fyysikkojen ponnistelut suuntautuvat tulevaisuudessa nimenomaan kvarkkien ja leptonien yhtenäisen teorian luomiseen.

G. Weilin mukaan objektia kutsutaan symmetriseksi, jos sitä voidaan jollakin tavalla muuttaa, jolloin tuloksena on sama kuin aloitimme. Tämä esine ei voi olla vain keho, vaan myös fyysinen
laki. Fysikaalisten lakien symmetria piilee niiden muuttumattomuudessa (tai invarianssissa) tiettyjen muunnosten suhteen.

Mitkä ovat fysikaalisten lakien symmetriat (invarianssit)? Ovatko fysikaaliset lait esimerkiksi invariantteja samankaltaisuusmuunnosten (tai tilamittakaavamuutosten) aikana? Tänään tiedämme vastauksen: ei. Mikrohiukkasten liikettä kuvattaessa klassisen mekaniikan lakeja ei todellakaan voida soveltaa, vaan kvanttimekaniikan lakeja on käytettävä.

Mitä jos muutamme viitejärjestelmää? Kaikki fysikaaliset lait ovat muuttumattomia suhteessa siirtymiseen inertiaalisesta viitekehyksestä toiseen (Einsteinin suhteellisuusperiaate).

Onko mahdollista vaihtaa hiukkasia? Kvanttimekaniikan lait ovat muuttumattomia minkä tahansa kahden samantyyppisen hiukkasen permutaatioiden suhteen.

Symmetrian periaatteet vahvistetaan kokeellisesti tunnettujen lakien analysoinnissa. Tunnetut symmetriaperiaatteet puolestaan ​​mahdollistavat uusien lakien löytämisen, paljastavat fysikaalisten teorioiden rakenteen ja niiden luontaisten lakien väliset yhteydet sekä mahdollistavat ongelmatilanteiden ratkaisemisen tieteellisen tiedon kehityksessä.

Muinaisen maailman tutkijat tiesivät avaruuden symmetriasta (homogeenisuus ja isotropia) ja ajan symmetrioista (homogeenisuus ja kääntyvyys): minkä tahansa kohteen (esimerkiksi kolmion) ominaisuudet, ja näin ollen lait eivät ole riippuvaisia ​​kummastakaan kohteen sijainti tietyllä akselilla tai tämän akselin sijainnilla, eikä ajankohdasta, jolloin nämä ominaisuudet otetaan huomioon. Mekaniikassa ja sähködynamiikassa lakien kääntyvyys nähdään yhtälöistä (yhtälöt eivät muutu, kun t- t).

On havaittu, että jokaisella symmetrialla on oma säilymislakinsa: liikemäärän säilymislaki johtuu avaruuden homogeenisuudesta, liikemäärän säilymislaki johtuu avaruuden isotropiasta, energian säilymislaki johtuu ajan homogeenisuus. Päinvastoin, kun määrä pysyy muuttumattomana, tämä tarkoittaa, että on olemassa symmetria, joka varmistaa tämän määrän säilymisen. Esimerkiksi elektroni-, myoni- ja baryonivarausten säilymislait sekä outouden säilymislaki tunnetaan. Voidaan olettaa, että nämä säilymislait ovat myös seurausta tietyistä symmetrioista, joista emme tiedä.

Alkuainehiukkasten teoria olettaa, että suurin symmetria vallitsee ultrapienillä etäisyyksillä ja suurilla etäisyyksillä tapahtuu spontaania murtumista, joka voi peittää symmetrian voimakkaasti.

Symmetrian periaatteet ovat paljon vakaampia kuin lait. Siksi tunnettujen symmetrioiden rikkomusten havaitseminen johtaa merkittäviin ongelmatilanteisiin. Niiden ratkaiseminen antaa sinun tehdä upeita löytöjä.

Joten esimerkiksi Galileo reagoi erittäin negatiivisesti Kepplerin lakeihin, joiden mukaan Kopernikuksen ehdottama planeettojen liikkeiden ympyräsymmetria korvattiin vähemmän ilmeisellä - elliptisellä. Tämän ongelmallisen tilanteen voittamiseksi oli Newtonin työ, joka selitti täydellisesti "Kepplerin symmetriat".

Kun havaittiin, että Maxwellin yhtälöt eivät ole invariantteja Galilean muunnoksissa, syntyi ongelmallinen tilanne. Radikaalin ratkaisun ongelmaan löysi Einstein, joka perusteli Lorentzin muunnoksia erityisen suhteellisuusteorian puitteissa.

Historiasta tunnetaan kuitenkin tilanteita, jolloin symmetriaperiaatteesta, joka on nostettu universaalin ja ehdottoman luotettavan totuuden arvoon, tuli este fysiikan kehitykselle. Esimerkiksi Aristoteleen ajatus maan pinnalle omistetusta pystysuorasta nostettiin horjumattoman totuuden arvoon. Nicholas Cusalaisen, Giordano Brunon, Kopernikuksen, Galileon, Descartesin ja muiden tutkijoiden sankarilliset ponnistelut tasoittivat tietä symmetriaperiaatteen toteamukselle - "avaruus on isotrooppinen".

Ja sitten mieleeni puhkesi loisto korkeuksista,

Kantaen kaikkien ponnistelujensa saavutusta.

(Dante)

Kaikki ihmistieto

alkaa mietiskelystä

siirrytään käsitteisiin

ja päättyy ideoihin.

(I. Kant)

Suunnitelma:sivu

I. Johdanto

1. Luonnontieteet.

2. Mikä sai minut kiinnostumaan aiheesta?

II. Pääosa

1. Fysiikka ja matematiikka.
2. Tieteen kauneus.
3. Ajan ja tilan symmetria.
4. Avaruuden symmetria.
5. Homogeenisuus ja ajan kääntyvyys.
6. Peilin symmetria.
7. Pyöritykset aika-avaruudessa.
8. Fysikaalisten ilmiöiden symmetria.
9. Peilin symmetria rikkoo.
10. Lataus-peili symmetria.
11. Spontaani symmetrian rikkoutuminen.
12. Sisäinen symmetria.
13. Mittarin invarianssi.
14. Isotooppinen symmetria.
15. Outoa. Yhden symmetrian historia.
16. Kvarkit.

III. Johtopäätös

1. Fysiikan tiede on intohimoni.

IV. Termit ja kirjallisuus

I. Johdanto

Luonnontiede, fysiikka, joka paljastaa aineellisen maailman olemuksen ja perusteet, johdattaa meidät tiukkaan ja vaikean polun kohti totuutta. Uteliaisuus ja yllätys työntävät ihmisen tälle tielle, saavat hänet opiskelemaan koko pitkän ikänsä. Tätä varten luonto antaa hänelle suuren tiedon siunauksen, ja se palvelee ihmistä, helpottaa hänen työtä maan päällä ja avaa tien avaruuteen.

Tieteen kehityksellä on omat lakinsa. Ympäristön havainnoinnin perusteella syntyy oletus prosessien ja ilmiöiden luonteesta ja yhteyksistä; teoria rakentuu tosiasioista ja uskottavista oletuksista; teoria testataan kokein ja vahvistuttuaan jatkaa kehitystään, testataan uudelleen lukemattomia kertoja... Tällainen kehityskulku muodostaa tieteellisen menetelmän; sen avulla voit erottaa virheen tieteellisestä totuudesta, vahvistaa oletuksen, välttää virheitä.

Fysiikalla on oma yleisen tieteellisen menetelmän soveltamismuoto, omat tiedon periaatteensa. Ne antavat meille mahdollisuuden nähdä outo symmetrioiden maailma, alkaen yksinkertaisimmasta geometrisesta säännöllisyydestä ja ulottuen alkuainehiukkasten ominaisuuksiin. periaatteet symmetria ovat monimutkaisimpien, nykyaikaisimpien fysikaalisten teorioiden perusta, ja lisäksi luonnonlakien perusta. Modernin fysiikan pääsuunta on symmetrioiden ja luonnonlakien yhtenäisyyden etsiminen.

Yritämme ymmärtää niiden hämmästyttävien tapahtumien ydintä, jotka tapahtuivat fysiikassa 1900-luvulla, jolloin luotiin kvanttiteoria, joka mahdollisti mikroobjekteja hallitsevien lakien löytämisen; suhteellisuusteoria, joka antoi uuden käsityksen tilasta ja ajasta... Kun nämä teoriat yhdistettiin, ne johtivat kokonaisen alkuainehiukkasten maailman löytämiseen, kaukaisten tähtien salaisuuksien selvittämiseen, tietoon maailmankaikkeuden historiasta.

Kerran lehdestä luin raportin lento-onnettomuudesta, jonka syynä oli rakenteen symmetriarikkomus, vain 1o. Minua kiinnosti symmetrian yhteys muihin tieteisiin, erityisesti fysiikkaan. Halusin tietää enemmän. Ja kävi ilmi, että tästä aiheesta on runsaasti materiaalia, jota luin, opiskelin ja ihailin ilolla. Abstraktissaan hän valitsi huolellisesti tietoja, jotka osoittavat symmetrian ja fysiikan välisen suhteen. Fysiikka hahmottelee tapoja ymmärtää luonnonilmiöiden yhtenäisyyttä, symmetriaa, dynamiikkaa, yrittää piirtää mahdollisuuksien mukaan tarkan kuvan maailmasta, selvittää mitä mahdollisia geometrisia käsitteitä maailmassamme toteutuu. Tärkein käsite ympäröivän maailman tutkimisessa on symmetria. Ajatus symmetriasta on luonnon itsensä ehdottama. Uteliaisuus, halu saada selville, miten luonto toimii, kaikki tämä sai minut tutkimaan tätä aihetta. Mitä on teoreettinen fysiikka, miten teoreettiset fyysikot työskentelevät? Miten he tutkivat luontoa paperilla ja lyijykynällä, johtaen uusia suhteita aiemmin kokeellisesti ja teoreettisesti löydettyjen luonnonlakien perusteella. Mikä rooli symmetrialla on?

II. Pääosa.

1. Fysiikka ja matematiikka.

Max Born, saksalainen tiedemies, yksi kvanttimekaniikan perustajista, sanoi: Matemaattinen formalismi tarjoaa ehdottoman hämmästyttävän palvelun monimutkaisten asioiden kuvaamisessa... Itse asiassa fyysisen maailman kvantitatiivinen kuvaus on mahdotonta ilman matematiikkaa: se tarjoaa tavan ratkaista yhtälöitä, kuvausmenetelmiä, se paljastaa kokeellisten tieteiden kauneuden. Monet symmetriat voidaan nähdä vain monimutkaisimpien matemaattisten konstruktien avulla, taitavien muunnosten jälkeen.

Aloitimme Max Bornin sanoilla, mutta olemme antaneet vain ensimmäisen puoliskon hänen lausunnostaan ​​matemaattisesta formalismista, ja toinen on: ... mutta se ei auta yhtään todellisten prosessien ymmärtämiseen.

Matemaattiset rakenteet eivät riipu ympäröivän maailman ominaisuuksista, matematiikkaa ei kiinnosta, mihin fysikaalisiin suureisiin yhtälöitä käytetään, joten matematiikasta on tullut universaali työkalu kaikille luonnontieteille. Kaikkien matematiikan johtopäätösten on oltava loogisesti tarkkoja ja moitteettomia, seurattavia ja hyväksyttäviä aksioomeina.

Symmetria (fysiikassa) Symmetria fysiikassa. Jos lait, jotka luovat suhteita fyysistä järjestelmää luonnehtivien suureiden välille tai määrittävät näiden suureiden muutoksen ajan kuluessa, eivät muutu tietyissä operaatioissa (muunnoksissa), joille järjestelmä voidaan altistaa, niin näillä laeilla sanotaan olevan S (tai ovat muuttumattomia) datamuunnosten suhteen. Matemaattisesti S:n muunnokset ovat ryhmä.

Kokemus osoittaa, että fysikaaliset lait ovat symmetrisiä seuraavien yleisimpien muunnosten suhteen.

Jatkuvat muunnokset

1) Koko järjestelmän siirto (siirto) avaruudessa. Tämä ja sitä seuraavat tila-aikamuunnokset voidaan ymmärtää kahdessa mielessä: aktiivisena muunnoksena - fyysisen järjestelmän todellinen siirto suhteessa valittuun referenssijärjestelmään tai passiivinen muunnos - vertailujärjestelmän rinnakkaissiirto. S. fysikaaliset lait avaruuden siirtymien suhteen tarkoittavat kaikkien avaruuden pisteiden ekvivalenssia, eli avaruuden valittujen pisteiden puuttumista (avaruuden homogeenisuus).

2) Koko järjestelmän pyöriminen avaruudessa. S. fyysiset lait tämän muunnoksen suhteen tarkoittavat avaruuden kaikkien suuntien ekvivalenssia (avaruuden isotropiaa).

3) Ajan alkuperän muuttaminen (aikasiirto). S. tähän muutokseen liittyen tarkoittaa, että fyysiset lait eivät muutu ajan myötä.

4) Siirtyminen vertailukehykseen, joka liikkuu suhteessa annettuun kehykseen vakionopeudella (suunnassa ja magnitudissa). C. tarkoittaa tämän muunnoksen suhteen erityisesti kaikkien vastaavuutta inertiaaliset viitekehykset(cm. Suhteellisuusteoria).

5) Mittarimuunnokset. Lait, jotka kuvaavat hiukkasten vuorovaikutusta jonkinlaisen varauksen kanssa ( sähkövaraus, baryonipanos, lepton-lataus, ylilataus) ovat symmetrisiä ensimmäisen tyyppisten mittarimuunnosten suhteen. Nämä muunnokset ovat aaltofunktiot Kaikista hiukkasista voidaan kertoa samanaikaisesti mielivaltaisella vaihekertoimella:

missä y j on hiukkasen j aaltofunktio, on sen kompleksinen konjugaattifunktio, z j on hiukkasta vastaava varaus, joka ilmaistaan ​​alkuvarauksen yksiköissä (esim. alkeissähkövaraus e ), b on mielivaltainen numeerinen tekijä.

Kanssa sähkömagneettisia vuorovaikutuksia ovat symmetrisiä toisen tyyppisten mittarin (gradientti) muunnosten suhteen sähkömagneettisen kentän potentiaalit(A, j):

A ® A + luokka f, , (2)

missä f(x, y, z, t) on mielivaltainen koordinaattien (x, y, z) ja ajan (t) funktio, c on valon nopeus. Jotta muunnokset (1) ja (2) suoritettaisiin samanaikaisesti sähkömagneettisten kenttien tapauksessa, on välttämätöntä yleistää 1. tyypin mittamuunnokset: on tarpeen vaatia, että vuorovaikutuslait ovat symmetrisiä muunnosten suhteen. (1) arvolla b, joka on mielivaltainen koordinaattien ja ajan funktio: , missä

‒ Pylväs on vakio. Sähkömagneettisten vuorovaikutusten 1. ja 2. tyyppisten mittamuunnosten välinen suhde johtuu sähkövarauksen kaksoisroolista: toisaalta sähkövaraus on säilynyt suuruus ja toisaalta se toimii vuorovaikutusvakiona. joka luonnehtii sähkömagneettisen kentän suhdetta varautuneisiin hiukkasiin.

Transformaatiot (1) vastaavat eri varausten säilymislakeja (katso alla) sekä joitain sisäisiä symmetrisiä vuorovaikutuksia. Jos varaukset eivät ole vain säilyviä suureita, vaan myös kenttien lähteitä (kuten sähkövaraus), niin niitä vastaavien kenttien on myös oltava mittakenttiä (samankaltaisia ​​kuin sähkömagneettisia kenttiä), ja muunnokset (1) yleistyvät tapaukseen, jossa suureet b ovat mielivaltaisia ​​koordinaattien ja ajan funktioita (ja parillisia operaattorit, joka muuttaa sisäisen S:n tilat.). Tällainen lähestymistapa vuorovaikuttavien kenttien teoriassa johtaa erilaisiin vahvojen ja heikkojen vuorovaikutusten teorioihin (ns. Yang-Mils teoria).

6) Isotooppinen invarianssi vahvoja vuorovaikutuksia. Vahvat vuorovaikutukset ovat symmetrisiä kiertojen suhteen erityisessä "isotonisessa tilassa". Yksi tämän S:n ilmenemismuodoista on varausriippumattomuus ydinvoimat, joka koostuu neutronien ja neutronien, protonien ja protonien ja neutronien ja protonien (jos ne ovat vastaavasti samoissa tiloissa) välisten voimakkaiden vuorovaikutusten yhtäläisyydestä. Isotooppinen invarianssi on likimääräinen invarianssi, jota sähkömagneettiset vuorovaikutukset rikkovat. Se on osa laajempaa likimääräistä vahvojen vuorovaikutusten C.:tä, SU (3)-C . (cm. Vahvoja vuorovaikutuksia).

Diskreetit muunnokset

Yllä luetelluille S.-tyypeille on ominaista parametrit, jotka voivat muuttua jatkuvasti tietyllä arvoalueella (esimerkiksi avaruuden siirtymälle on ominaista kolme siirtymäparametria kutakin koordinaattiakselia pitkin, kierto kolmella kiertokulmalla näiden akselien ympärillä jne.). Jatkuvien aaltomuotojen ohella diskreetillä aaltomuodolla on suuri merkitys fysiikassa, joista tärkeimmät ovat seuraavat.

1) Spatiaalinen inversio(R). Tämän muunnoksen suhteen voimakkaiden ja sähkömagneettisten vuorovaikutusten aiheuttamat prosessit ovat symmetrisiä. Näitä prosesseja kuvataan samalla tavalla kahdessa eri suorakulmaisessa koordinaattijärjestelmässä, jotka saadaan toisistaan ​​vaihtamalla koordinaattiakselien suuntia vastakkaisiin (ns. siirtyminen "oikealta" "vasemmalle" koordinaattijärjestelmälle). Tämä muunnos voidaan saada myös peiliheijastuksella kolmen keskenään kohtisuorassa olevan tason ympärillä; siksi S. suhteessa spatiaaliseen inversioon, jota yleensä kutsutaan peiliksi S. Peilin S. läsnäolo tarkoittaa, että jos jokin prosessi tapahtuu luonnossa voimakkaan tai sähkömagneettisen vuorovaikutuksen vuoksi, voi tapahtua toinen prosessi, joka etenee samalla todennäköisyydellä ja on kuin olisi "peilikuva" ensimmäisestä. Tässä tapauksessa molempia prosesseja kuvaavat fyysiset suureet liittyvät tietyllä tavalla. Esimerkiksi hiukkasten nopeudet ja sähkökenttävoimakkuudet muuttavat suuntia vastakkaisiin suuntiin, mutta magneettikentän voimakkuuden ja kulmamomentin suunnat eivät muutu.

Ilmiöt (esim. valon polarisaatiotason kierto oikealle tai vasemmalle), joita esiintyy isomeeriaineissa (optinen isomerismi). Todellisuudessa peili S. ei kuitenkaan riko tällaisissa ilmiöissä: se ilmenee siinä, että mille tahansa aineelle, esimerkiksi vasenkätiselle, on olemassa kemialliselta koostumukseltaan samanlainen aine, jonka molekyylit ovat "peilikuva" ensimmäisen molekyylin molekyyleistä ja joka on oikeakätinen.

Peili S.:n häiriö havaitaan aiheuttamissa prosesseissa heikko vuorovaikutus.

2) Muutos kaikkien hiukkasten korvaamisesta antihiukkasilla ( latauskonjugaatio, FROM). S. tämän muunnoksen suhteen tapahtuu myös voimakkaiden ja sähkömagneettisten vuorovaikutusten seurauksena tapahtuville prosesseille, ja se rikkoutuu heikon vuorovaikutuksen prosesseissa. Kun varauskonjugaatio muuttuu, hiukkasten varaukset, sähkö- ja magneettikenttien voimakkuus muuttuvat vastakkaisiin arvoihin.

3) Inversion ja varauskonjugaatiomuunnosten peräkkäinen suorituskyky (tulo) ( yhdistetty inversio, SR ). Koska vahvat ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset ovat symmetrisiä kunkin muunnoksen suhteen, ne ovat symmetrisiä myös yhdistetyn inversion suhteen. Kuitenkin tämän muunnoksen suhteen symmetrisiksi osoittautuvat myös heikot vuorovaikutukset, joilla ei ole S.:tä inversiomuunnoksen ja varauskonjugaation suhteen erikseen. Heikkojen vuorovaikutusprosessien S. yhdistetyn inversion suhteen voi olla osoitus siitä, että peilin S. puuttuminen niissä liittyy alkuainehiukkasten rakenteeseen ja että niiden rakenteessa olevat antihiukkaset ovat ikään kuin "peilikuva" vastaavat hiukkaset. Tässä mielessä minkä tahansa hiukkasten kanssa tapahtuvat heikon vuorovaikutuksen prosessit ja vastaavat prosessit niiden antihiukkasten kanssa liittyvät toisiinsa samalla tavalla kuin optisten isomeerien ilmiöt.

Pitkäikäisen K:n rappeutumisten löytö 0 litraa-mesonit 2 p-mesoniksi ja varausepäsymmetrian esiintyminen K:n hajoamisissa 0 litraa® p+ + e- + ne (p+ + m- + nm ) ja K 0 litraa® p- + e+ + ne (p- + m+ + nm ) (katso K-mesonit) osoittavat sellaisten voimien olemassaolon, jotka ovat epäsymmetrisiä yhdistetyn inversion suhteen. Vielä ei ole selvitetty, ovatko nämä voimat pieniä lisäyksiä tunnettuihin perusvuorovaikutuksiin (vahva, sähkömagneettinen, heikko) vai onko niillä erityisluonne. On myös mahdotonta sulkea pois sitä mahdollisuutta, että SR-C:n rikkominen. liittyy aika-avaruuden erityisiin geometrisiin ominaisuuksiin pienillä aikaväleillä.

4) Aikamerkin muutoksen muunnos ( ajan käännös, T). Tämän muunnoksen suhteen kaikki voimakkaiden, sähkömagneettisten ja heikkojen vuorovaikutusten seurauksena tapahtuvat alkuaineprosessit ovat symmetrisiä (poikkeuksena K:n vaimeneminen 0 litraa-mesonit).

5) Kolmen muunnoksen tulos: varauskonjugaatio C, inversio P ja ajan kääntyminen T (CPT-symmetria; katso. CPT-lause). CPT-S seuraa kvanttikenttäteorian yleisistä periaatteista. Se liittyy pääasiassa S. koskee Lorentzin muunnoksia ja vuorovaikutuksen paikka (eli kenttien vuorovaikutuksen kanssa yhdessä pisteessä). Tämän C.:n olisi oltava voimassa, vaikka vuorovaikutukset olisivat epäsymmetrisiä kullekin muunnokselle C, P ja T erikseen otettuna. CPT-invarianssin seurauksena on ns. risti (risteytys) S. hiukkasten ja antihiukkasten kanssa tapahtuvien prosessien kuvauksessa. Joten esimerkiksi kolme reaktiota - hiukkasen a elastinen sironta hiukkaselle b: a + b ® a + b, antihiukkasen elastinen sironta

hiukkasella b: + b ®

B ja hiukkasen a ja sen antihiukkasen tuhoutuminen

hiukkaspariksi b, : a +

kuvataan yhdellä analyyttinen toiminto(riippuen järjestelmän kokonaisenergian neliöstä ja siirretyn liikemäärän neliöstä), joka näiden muuttujien eri muutosalueilla antaa kunkin prosessin amplitudin.

6) Muunna identtisten hiukkasten permutaatio. Identtisiä hiukkasia sisältävän järjestelmän aaltofunktio on symmetrinen minkä tahansa identtisten hiukkasparien permutaatioon (eli niiden koordinaatteihin ja pyörii) kokonaisluvulla, erityisesti nollalla, spin ja on antisymmetrinen suhteessa tällaiseen permutaatioon hiukkasille, joilla on puolikokonaisluvun spin (ks. Kvanttimekaniikka).

Symmetria ja luonnonsuojelulaki

Mukaan Ei kumpikaan lause, jokainen S.-muunnos, jolle on tunnusomaista yksi jatkuvasti muuttuva parametri, vastaa arvoa, joka säilyy (ei muutu ajan myötä) järjestelmälle, jolla on tämä S. S.:stä fysikaaliset lait, jotka koskevat suljetun järjestelmän siirtymistä avaruudessa, sen pyöriminen kokonaisuudessaan ja alkuajan muutos noudattavat liikemäärän, liikemäärän ja energian säilymislakeja. S.:ltä ensimmäisen tyyppisten mittamuunnosten suhteen - varausten säilymisen lait (sähkö, baryon jne.), isotooppiinvarianssista - säilyminen isotooppinen spin vahvoissa vuorovaikutusprosesseissa. Mitä tulee diskreeteihin järjestelmiin, ne eivät johda mihinkään säilymislakeihin klassisessa mekaniikassa. Kuitenkin kvanttimekaniikassa, jossa järjestelmän tilaa kuvataan aaltofunktiolla, tai aaltokentille (esim. sähkömagneettinen kenttä), jossa superpositioperiaate, diskreetin S.:n olemassaolosta seuraa tiettyjen tiettyjen suureiden säilymislakeja, joilla ei ole analogeja klassisessa mekaniikassa. Tällaisten suureiden olemassaolo voidaan osoittaa spatiaalin esimerkillä pariteetti, jonka säilyminen seuraa S.:stä spatiaalisen inversion suhteen. Todellakin, olkoon y1 aaltofunktio, joka kuvaa jotakin järjestelmän tilaa, ja y2 avaruudesta johtuva järjestelmän aaltofunktio. inversio (symbolisesti: y2 = Р y1 , missä Р on avaruuden inversiooperaattori). Sitten , jos on olemassa S. spatiaalisen inversion suhteen, y2 on yksi järjestelmän mahdollisista tiloista ja superpositioperiaatteen mukaan järjestelmän mahdolliset tilat ovat superpositiot y1 ja y2: symmetrinen yhdistelmä ys = y1 + y2 ja antisymmetrinen yhdistelmä ya = y1 – y2 . Inversiomuunnoksissa tila y2 ei muutu (koska P ys = P y1 + P y2 = y2 + y1 = ys ), ja tila ya vaihtaa etumerkkiä (P ya = P y1 ‒ P y2 = y2 ‒ y1 = ‒ ya ) . Ensimmäisessä tapauksessa järjestelmän spatiaalisen pariteetin sanotaan olevan positiivinen (+1), toisessa negatiiviseksi (‒1). Jos järjestelmän aaltofunktio määritellään käyttämällä suureita, jotka eivät muutu avaruudellisen inversion aikana (kuten esim. kulmaliikemäärä ja energia), niin järjestelmän pariteetilla on myös melko selvä arvo. Järjestelmä on tilassa, jossa on joko positiivinen tai negatiivinen pariteetti (lisäksi siirtymät tilasta toiseen tilainversion suhteen symmetristen voimien vaikutuksesta ovat ehdottomasti kiellettyjä).

Vastaavasti varauspariteetin (C-pariteetti) ja yhdistetyn pariteetin (CP-pariteetti) olemassaolo seuraa C:stä varauksen konjugaation ja yhdistetyn inversion suhteen. Nämä suuret voivat kuitenkin toimia ominaisuutena vain ehdottoman neutraaleille (joilla on nolla-arvot kaikista varauksista) hiukkasille tai järjestelmille. Itse asiassa järjestelmä, jossa on nollasta poikkeava varaus, siirtyy varauksen konjugoinnissa järjestelmään, jolla on vastakkainen varausmerkki, ja siksi on mahdotonta muodostaa näiden kahden tilan superpositiota rikkomatta varauksen säilymislakia. Samalla luonnehditaan voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten (hadronien) järjestelmää, joilla on nollabaryonivaraus ja kummajainen(tai ylilataus), mutta muulla sähkövarauksella kuin nolla, voit ottaa käyttöön ns. G-pariteetti. Tämä ominaisuus johtuu vahvojen vuorovaikutusten isotooppiinvarianssista (joka voidaan tulkita S.:ksi suhteessa rotaatiomuunnokseen "isotooppitilassa") ja varauskonjugaatiosta. Esimerkki tällaisesta järjestelmästä on pi meson. Katso myös Art. Luonnonsuojelulakeja.

Kvanttimekaanisten järjestelmien ja stationääritilojen symmetria. Degeneraatioon

Erilaisia ​​kvanttimekaanisia järjestelmiä vastaavien suureiden säilyminen on seurausta siitä, että niitä vastaavat operaattorit kommutoivat järjestelmän Hamiltonin kanssa, jos se ei ole nimenomaisesti riippuvainen ajasta (vrt. Kvanttimekaniikka, Permutaatiosuhteet). Tämä tarkoittaa, että nämä suureet ovat mitattavissa samanaikaisesti järjestelmän energian kanssa, eli niillä voi olla varsin määrätyt arvot tietylle energiaarvolle. Siksi niistä voit tehdä ns. täydellinen joukko suureita, jotka määrittävät järjestelmän tilan. Että., kiinteät tilat(tiloja tietyllä energialla) määritetään suureilla, jotka vastaavat tarkasteltavana olevan järjestelmän S.:tä.

S.:n esiintyminen johtaa siihen, että kvanttimekaanisen järjestelmän eri liiketiloilla, jotka saadaan toisistaan ​​S.-muunnoksen avulla, on samat fysikaalisten suureiden arvot, jotka eivät muutu näiden muunnosten aikana. Siten järjestelmän S. johtaa pääsääntöisesti siihen rappeutuminen. Esimerkiksi useat eri tilat voivat vastata tiettyä järjestelmän energian arvoa, jotka muuntuvat toistensa läpi C:n muunnoksissa. Matemaattisesti nämä tilat edustavat järjestelmän ryhmän C pelkistymättömän esityksen perustaa (ks. Sec. Ryhmä). Tämä määrittää kvanttimekaniikan ryhmäteorian menetelmien soveltamisen hedelmällisyyden.

Järjestelmän eksplisiittiseen S.:hen liittyvän energiatasojen rappeutumisen lisäksi (esimerkiksi järjestelmän kiertojen osalta kokonaisuutena) useissa ongelmissa on lisädegeneraatio, joka liittyy ns. piilotettu S. vuorovaikutus. Tällaisia ​​piilotettuja S.:itä on olemassa esimerkiksi Coulombin vuorovaikutukselle ja isotrooppiselle oskillaattori.

Jos järjestelmä, jolla on jonkin verran S.:tä, on tätä S.:tä rikkovien voimien kentässä (mutta tarpeeksi heikko, jotta niitä voidaan pitää pienenä häiriönä), alkuperäisen järjestelmän rappeutuneet energiatasot jakautuvat: eri tilat, jotka , koska S.-järjestelmillä oli sama energia, "epäsymmetrisen" häiriön vaikutuksesta ne saavat erilaisia ​​energiasiirtymiä. Tapauksissa, joissa häiritsevällä kentällä on tietty S., joka on osa alkuperäisen järjestelmän S.:tä, energiatasojen degeneraatiota ei poisteta kokonaan: osa tasoista jää degeneroituneiksi vuorovaikutuksen S.:n mukaisesti. joka "säätää" häiritsevän kentän.

Energiadegeneroituneiden tilojen läsnäolo järjestelmässä puolestaan ​​osoittaa S.-vuorovaikutuksen olemassaolon ja mahdollistaa periaatteessa tämän S.:n löytämisen, kun sitä ei tiedetä etukäteen. Jälkimmäisellä seikalla on tärkeä rooli esimerkiksi alkeishiukkasfysiikassa. Hiukkasryhmien, joilla on samanlaiset massat ja muut samanlaiset ominaisuudet, mutta erilaiset sähkövaraukset (ns. isotooppiset multipletit) olemassaolo mahdollisti vahvojen vuorovaikutusten isotooppisen invarianssin ja mahdollisuuden yhdistää hiukkasia, joilla on samat ominaisuudet, laajemmiksi. ryhmät johtivat SU:n löytämiseen (3) - C. vahva vuorovaikutus ja vuorovaikutukset, jotka rikkovat tätä S.:tä (katso. Vahvoja vuorovaikutuksia). On viitteitä siitä, että vahvalla vuorovaikutuksella on vielä laajempi ryhmä C.

Erittäin hedelmällinen konsepti on ns. dynaaminen S.-järjestelmä, joka syntyy, kun tarkastellaan muunnoksia, mukaan lukien siirtymät järjestelmän eri energioiden tilojen välillä. Dynaamisen S.:n ryhmän pelkistymätön esitys on järjestelmän stationääritilojen koko spektri. Dynaamisen S.:n käsite voidaan laajentaa myös tapauksiin, joissa järjestelmän Hamiltonin on eksplisiittisesti riippuvainen ajasta, ja tässä tapauksessa kaikki kvanttimekaanisen järjestelmän tilat, jotka eivät ole stationäärisiä (eli joilla ei ole annettua energiaa) ovat yhdistetty yhdeksi pelkistymättömäksi esitykseksi S:n dynaamisesta ryhmästä).

Lit.: Wigner E., Etüüdit symmetriasta, s. Englannista, M., 1971.

S. S. Gershtein.

Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja. 1969-1978 .

Katso, mitä "Symmetry (inphysics)" on muissa sanakirjoissa:

- (kreikan sanasta symmetria suhteellisuus) fysiikan lait. Jos lait, jotka määrittävät suhteen fyysistä kuvaavien määrien välillä. järjestelmä tai näiden määrien muutoksen määrittäminen ajan kuluessa, eivät muutu tiettyjen toimintojen aikana ... ... Fyysinen tietosanakirja

Symmetria (kreikan sanasta symmetria - suhteellisuus) matematiikassa, 1) symmetria (suppeassa merkityksessä) tai heijastus (peili) suhteessa tasoon a avaruudessa (suhteessa tasoon a tasoon), - avaruuden muunnos (lentokone), jossa ... ... Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja

"Mielestäni olisi mielenkiintoista tuoda fysikaalisten ilmiöiden tutkimukseen myös symmetrian ominaisuuksien huomioiminen, joka on niin tuttua kristallografeille."

Näin alkoi Pierre Curien pieni artikkeli "Symmetry in Physical Phenomen: Symmetry of Electric and Magnetic Fields", joka julkaistiin vuonna 1894 French Journal of Physics -lehdessä.

Ennen Curieta fyysikot käyttivät usein symmetriaolosuhteista johtuvia näkökohtia. Riittää, kun sanotaan, että monet mekaniikan ja erityisesti staattisen ongelmat ratkaistiin vain symmetriaehtojen perusteella. Mutta yleensä nämä ehdot ovat melko yksinkertaisia ​​ja selkeitä eivätkä vaadi yksityiskohtaista harkintaa. Ensimmäistä kertaa fyysikot kohtasivat fysikaalisten ominaisuuksien symmetrian ei-triviaalin ilmentymän kiteitä tutkiessaan.

Curie antoi artikkelissaan ensimmäistä kertaa selkeän määritelmän fysikaalisten ilmiöiden symmetrialle. "Jonkin ilmiön tyypillinen symmetria", hän kirjoitti, "on suurin symmetria, joka on yhteensopiva ilmiön olemassaolon kanssa." Marie Curie selitti hänen kehittämän yleisen lähestymistavan fyysisten ilmiöiden symmetriaan hyvin tarkasti aviomiehestään kertovassa elämäkerrassa: "P. Curie laajensi äärettömästi symmetrian käsitettä pitäen jälkimmäistä avaruuden tilana, jossa tietty ilmiö esiintyy. Tämän tilan määrittämiseksi on tarpeen tuntea välineen rakenteen lisäksi myös tutkittavan kohteen liikkeen luonne sekä siihen vaikuttavat fyysiset tekijät. Median symmetriaa luonnehdittaessa on tärkeää muistaa seuraavat Curien ajatukset: jokaisen ilmiön erityinen symmetria on määritettävä ja luokittelu, joka mahdollistaa tärkeimpien symmetriaryhmien selkeän näkemisen. Massalla, sähkövarauksella ja lämpötilalla on samantyyppinen symmetria, jota kutsutaan skalaariksi; se on toisin sanoen pallon symmetria. Veden virtauksella ja tasavirralla on nuolen symmetria kuin napavektorilla. Oikean pyöreän sylinterin symmetria kuuluu tensorityyppiin.

1. Symmetria mekaniikassa

Pierre Curie päätyi fysikaalisten ilmiöiden symmetriaan kiteiden (geometristen hahmojen) symmetriasta materiaalihahmojen symmetrian kautta. Tämä on tuonut tärkeitä tuloksia kiteiden fysikaalisten ominaisuuksien kuvaamisessa ja lupaa suuria edistysaskeleita muilla fysiikan alueilla.

Mutta Pierre Curien työ ei vaikuttanut symmetria-ajatuksen kehittymiseen fysiikassa. Tämän oudon paradoksin syyt ovat aiemmin esitettyjen (Curien teosten kristallografinen luonne, esityksen lyhyys, ellei ytimekkyys) lisäksi myös siinä, että ne ilmestyivät liian myöhään, kun fysiikkaa oli jo kertynyt paljon. kokemusta hieman erilaisesta lähestymistavasta fysikaalisten ilmiöiden symmetriaan, joka liittyy mekaniikan kehitykseen XVII-XIX-luvuilla.

Tuohon aikaan mekaniikka oli käytännössä koko fysiikkaa. Tärkeintä oli ruumiiden liikkeen ja vuorovaikutuksen tutkiminen. Asiaan liittyvät lait, jotka nyt näyttävät meille niin ilmeisiltä, ​​vaativat useiden erinomaisten tiedemiesten sukupolvien valtavaa työtä. Kopernikus, Kepler, Galileo, Descartes, Huygens etenivät askel askeleelta ymmärtämään aineellisten kappaleiden liikkumista sääteleviä todellisia lakeja.

Nämä lait lopulta muotoili Isaac Newton (1643-1727). Mutta koska liike tapahtuu tilassa ja ajassa, hänen täytyi yleistää ja muotoilla tiettyjä säännöksiä, jotka esittivät niiden ominaisuuksia.

Newton uskoi, että on olemassa absoluuttinen avaruus, vapaa ja riippumaton kaikista kappaleista. Tämä absoluuttinen avaruus on isotrooppinen, eli kaikki sen suunnat ovat samat. Lisäksi se on homogeeninen, koska mitkä tahansa kaksi avaruuden pistettä eivät ole erotettavissa toisistaan. On myös absoluuttista, prosesseista riippumatonta aikaa, joka virtaa ikuisesti ja tasaisesti. Ajan kulumisen tasaisuus merkitsee sen homogeenisuutta: ajan kulumisen nopeus ei muutu ajan myötä.

Ja sitten mieleeni puhkesi loisto korkeuksista,

Kantaen kaikkien ponnistelujensa saavutusta.

(Dante)

Kaikki ihmistieto

alkaa mietiskelystä

siirrytään käsitteisiin

ja päättyy ideoihin.

(I. Kant)

Suunnitelma:sivu

I. Johdanto

1. Luonnontieteet.

2. Mikä sai minut kiinnostumaan aiheesta?

II. Pääosa

1. Fysiikka ja matematiikka.

2. Tieteen kauneus.

3. Tilan ja ajan symmetria.

4. Avaruuden symmetria.

5. Ajan homogeenisuus ja palautuvuus.

6. Peilin symmetria.

7. Kääntyy avaruudessa - ajassa.

8. Fysikaalisten ilmiöiden symmetria.

9. Peilin symmetrian rikkominen.

10. Varaus-peilisymmetria.

11. Spontaani symmetrian rikkoutuminen.

12. Sisäinen symmetria.

13. Mittarin invarianssi.

14. Isotooppinen symmetria.

15. Oudot. Yhden symmetrian historia.

16. Kvarkit.

III. Johtopäätös

1. Fysiikan tiede on harrastukseni.

IV. Termit ja kirjallisuus

minä. Johdanto

Luontotiede - fysiikka, joka paljastaa aineellisen maailman olemuksen ja perusteet, johtaa meidät tiukkaan ja vaikeaan polkuun kohti totuutta. Uteliaisuus ja yllätys työntävät ihmisen tälle tielle, saavat hänet opiskelemaan koko pitkän ikänsä. Tätä varten luonto antaa hänelle suuren siunauksen - tiedon, ja se palvelee ihmistä, helpottaa hänen työtä maan päällä, avaa tien avaruuteen.

Tieteen kehityksellä on omat lakinsa. Ympäristön havainnoinnin perusteella syntyy oletus prosessien ja ilmiöiden luonteesta ja yhteyksistä; teoria rakentuu tosiasioista ja uskottavista oletuksista; teoria testataan kokein ja vahvistuttuaan jatkaa kehitystään, testataan uudelleen lukemattomia kertoja... Tällainen kehityskulku muodostaa tieteellisen menetelmän; sen avulla voit erottaa virheen tieteellisestä totuudesta, vahvistaa oletuksen, välttää virheitä.

Fysiikalla on oma yleisen tieteellisen menetelmän soveltamismuoto, omat tiedon periaatteensa. Ne antavat meille mahdollisuuden nähdä outo symmetrioiden maailma, alkaen yksinkertaisimmasta geometrisesta säännöllisyydestä ja ulottuen alkuainehiukkasten ominaisuuksiin. periaatteet symmetria ovat monimutkaisimpien, nykyaikaisimpien fysikaalisten teorioiden perusta, ja lisäksi luonnonlakien perusta. Modernin fysiikan pääsuunta on symmetrioiden ja luonnonlakien yhtenäisyyden etsiminen.

Yritämme ymmärtää niiden hämmästyttävien tapahtumien ydintä, jotka tapahtuivat fysiikassa 1900-luvulla, jolloin luotiin kvanttiteoria, joka mahdollisti mikroobjekteja hallitsevien lakien löytämisen; suhteellisuusteoria, joka antoi uuden käsityksen tilasta ja ajasta... Kun nämä teoriat yhdistettiin, ne johtivat kokonaisen alkuainehiukkasten maailman löytämiseen, kaukaisten tähtien salaisuuksien selvittämiseen, tietoon maailmankaikkeuden historiasta.

Kerran lehdestä luin raportin lento-onnettomuudesta, jonka syynä oli rakenteen symmetriarikkomus, vain 1 o. Minua kiinnosti symmetrian yhteys muihin tieteisiin, erityisesti fysiikkaan. Halusin tietää enemmän. Ja kävi ilmi, että tästä aiheesta on runsaasti materiaalia, jota luin, opiskelin ja ihailin ilolla. Abstraktissaan hän valitsi huolellisesti tietoja, jotka osoittavat symmetrian ja fysiikan välisen suhteen. Fysiikka hahmottelee tapoja ymmärtää luonnonilmiöiden yhtenäisyyttä, symmetriaa, dynamiikkaa, yrittää piirtää mahdollisuuksien mukaan tarkan kuvan maailmasta, selvittää mitä mahdollisia geometrisia käsitteitä maailmassamme toteutuu. Tärkein käsite ympäröivän maailman tutkimisessa on symmetria. Ajatus symmetriasta on luonnon itsensä ehdottama. Uteliaisuus, halu saada selville, miten luonto toimii - kaikki tämä sai minut tutkimaan tätä aihetta. Mitä on teoreettinen fysiikka, miten teoreettiset fyysikot työskentelevät? Miten he tutkivat luontoa paperilla ja lyijykynällä, johtaen uusia suhteita aiemmin kokeellisesti ja teoreettisesti löydettyjen luonnonlakien perusteella. Mikä rooli symmetrialla on?

II. Pääosa.

1. Fysiikka ja matematiikka.

Max Born, saksalainen tiedemies, yksi kvanttimekaniikan perustajista, sanoi: "Matemaattinen formalismi tekee ehdottoman hämmästyttävän palvelun monimutkaisten asioiden kuvauksessa..." Itse asiassa fyysisen maailman kvantitatiivinen kuvaus on mahdotonta ilman matematiikkaa: se tarjoaa tapa ratkaista yhtälöitä, kuvausmenetelmiä, se paljastaa kauneuden kokeneita tieteitä. Monet symmetriat voidaan nähdä vain monimutkaisimpien matemaattisten konstruktien avulla, taitavien muunnosten jälkeen.

Aloitimme Max Bornin sanoilla, mutta lainasimme vain ensimmäisen puoliskon hänen lausunnostaan ​​matemaattisesta formalismista, ja toinen on: "...mutta se ei auta yhtään todellisten prosessien ymmärtämisessä."

Matemaattiset rakenteet eivät riipu ympäröivän maailman ominaisuuksista, matematiikka ei ole kiinnostunut siitä, mihin fysikaalisiin suureisiin yhtälöitä käytetään, joten matematiikasta on tullut "yleinen työkalu kaikille luonnontieteille". Kaikkien matematiikan johtopäätösten on oltava loogisesti tarkkoja ja moitteettomia, seurattavia ja hyväksyttäviä aksioomeina.

Fysiikka pyrkii piirtämään mahdollisimman tarkan kuvan maailmasta käyttämällä todentamattomia olettamuksia, arvioiden niiden vakuuttavuutta, arvaamalla, mitä puuttuvia suhteita luonnossa toteutuu. Jos matemaatikko tutkii kaikkia mahdollisia geometrioita, fyysikko selvittää tarkalleen, mitä geometrisia suhteita maailmassamme toteutetaan.

Fyysikko ei ajattele niinkään ratkaisumenetelmiä, vaan sitä, ovatko tehdyt yksinkertaistukset oikeutettuja, millä tarkkuudella ja millä muuttujien arvoilla löydetyt yhtälöt kuvaavat ilmiötä oikein ja mikä tärkeintä, mitä tapahtuu, jos kokemus vahvistaa tai kumoaa tuloksen, mitkä olettamukset joutuvat hylkäämään, kuinka näkemyksemme kaikista muista tunnetuista ilmiöistä muuttuu. Jos tapahtuu niin, että minkä tahansa fysiikan alan tulokset voidaan johtaa muutamasta tiukasti vahvistetusta kokeellisesta aksioomasta, tästä alueesta tulee soveltavan matematiikan tai teknologian haara, kuten tapahtui klassisen mekaniikan, sähködynamiikan ja suhteellisuusteorian kanssa. . Fysiikan teoreettiset rakenteet vaativat jatkuvaa koordinointia jo tunnettujen luonnonlakien kanssa, sen kanssa, mitä tiedämme ympäröivästä maailmasta. Fysikaalinen teoria ei ole looginen rakennelma, vaan rakennus, joka on rakennettu uskottaville olettamuksille, jotka on testattava.

Fysiikka ja matematiikka ovat tieteitä, joilla on erilaiset tavoitteet ja lähestymistavat ongelmien ratkaisemiseen.

2. Tieteen kauneus.

Muinainen kreikkalainen tähtitieteilijä Ptolemaios kehitti matemaattisen teorian planeettojen liikkeestä paikallaan olevan Maan ympärillä, ja tämä teoria mahdollisti niiden laskemisen taivaalla. Vuonna 1542 kirjoitettiin suuren puolalaisen tiedemiehen Nicolaus Copernicuksen pääteos "Taivaanpallojen vallankumouksesta", joka teki vallankumouksen luonnontieteessä selittäen taivaankappaleiden liikettä Maan pyörimisellä akselinsa ympäri ja Maan ja planeettojen kierto Auringon ympärillä. Kopernikuksen heliosentrinen järjestelmä korvasi Ptolemaioksen monimutkaisen geosentrisen järjestelmän.

1900-luvun merkittävän teorian mukaan. - suhteellisuusteoria, luonnonlait voidaan muotoilla missä tahansa koordinaattijärjestelmässä, myös pyörivässä. Universumissa ei ole omistettua koordinaattijärjestelmää, ja jos on, niin molemmat näkökulmat - sekä Ptolemaios että Kopernikus - ovat samanarvoisia, ensimmäinen ottaa maapallon vertailujärjestelmänä ja toinen - Auringon.

Mutta tässä Kopernikaanisen järjestelmän kauneus sanoi painavan sanansa. Heliosentrisen järjestelmän planeettojen liikkeen kuvauksen yksinkertaisuus tekee siitä niin helppoa työ……. , joka muuttuu laadullisesti uudeksi ilmiöksi, antaa tietä teorian kehitykselle. Keplerin lakien löytäminen, Newtonin taivaanmekaniikka ovat seurauksia Kopernikuksen löytämästä maailman kauneudesta.

Fysiikassa on maailmankaikkeuden piilotettu sisäinen kauneus, mutta itse fysiikan teorian kauneus on usein niin vakuuttava, että se pakottaa fyysikot tekemään monimutkaisimpia kokeita tehtyjen oletusten vahvistamiseksi tai kumoamiseksi.

Kun tiedemies löytää tyylikkään rakenteen, se melkein aina joko ratkaisee ongelman tai on hyödyllinen tulevaisuudessa muihin ongelmiin. Kauneuden etsintä johdattaa meidät tuntemaan luontoa.

3. Tilan ja ajan symmetria.

Suhteellisuus on sanan "symmetria" ikivanha merkitys. Muinaiset filosofit pitivät symmetriaa, järjestystä ja varmuutta kauneuden olemuksena. Arkkitehdit, taiteilijat, jopa runoilijat ja muusikot ovat tunteneet symmetrian lait muinaisista ajoista lähtien. Geometriset koristeet on rakennettu tiukasti symmetrisesti; klassista arkkitehtuuria hallitsevat suorat linjat, kulmat, ympyrät, pylväiden tasa-arvo, ikkunat, kaaret, holvit. Tietenkin symmetria taiteessa ei ole kirjaimellista - emme näe kuvassa henkilöä vasemmalla ja täsmälleen samaa oikealla. Taideteoksen symmetrian lait eivät tarkoita muotojen yhtenäisyyttä, vaan elementtien syvää johdonmukaisuutta. Epäsymmetria on symmetrian toinen puoli, ei luonto eikä taide siedä tarkkaa symmetriaa.

Tieteen symmetrian käsitettä on jatkuvasti kehitetty ja jalostettu. Tiede on avannut koko maailman uusia, aiemmin tuntemattomia symmetrioita, jotka hämmästyttävät monimutkaisuudessaan ja rikkaudessaan - spatiaaliset ja sisäiset, globaalit ja paikalliset symmetriat; Myös sellaiset kysymykset kuin antimaailmojen olemassaolon mahdollisuus, uusien hiukkasten etsiminen liittyvät symmetrian käsitteeseen.

4. Avaruuden symmetria.

Yksinkertaisin symmetrioista on avaruuden homogeenisuus ja isotropia. Kaunis sana "isotropia" tarkoittaa esineiden ominaisuuksien riippumattomuutta suunnasta. Avaruuden homogeenisuus tarkoittaa, että jokaisen fyysisen laitteen on toimittava samalla tavalla missä tahansa, kunhan ympäröivät fyysiset olosuhteet eivät muutu.

Ja niin, fysiikan lakien on oltava muuttumattomia - muuttumattomia - siirtymien ja pyörien suhteen.

5. Ajan homogeenisuus ja palautuvuus.

Homogeeninen ei ole vain tila, vaan myös aika. Kaikki fyysiset ilmiöt etenevät samalla tavalla riippumatta siitä, milloin ne alkavat - minuutti tai miljardi vuotta sitten. Kaukaisten tähtien valo kulkee meille miljardeja vuosia, mutta tähtien atomien lähettämän valon aallonpituudet ovat samat kuin maan atomien, elektronit liikkuvat kaukaisissa tähdissä samalla tavalla kuin maan päällä. Tässä esimerkissä ajan kulun tasaisuus on todettu suurella tarkkuudella, mikä tarkoittaa, että kaikkina aikoina luonnon kaikkien prosessien suhteellinen nopeus on sama.

Luonnonlait eivät muutu ajan korvaamisesta vastakkaisella; katsomalla ajassa taaksepäin näemme saman asian kuin edessä.

Ja kuitenkin tämä näennäinen peruuttamattomuus havaittiin käytännön elämässä. Sen takana seisoo mekaanisten lakien tiukka käännettävyys. Mutta kun järjestelmä on monimutkainen, joudut odottamaan hyvin kauan, kunnes tapahtuu ihme ja rikkoutunut kuppi tulee jälleen kokonaiseksi. Tämä kestää kauemmin kuin maailmankaikkeus on olemassa. Itse asiassa molekyylit voivat vahingossa koordinoida liikkeitään niin, että uskomatonta tapahtuu. Yksinkertaisissa järjestelmissä omituiset tapahtumat ovat paljon todennäköisempiä; siellä voit suoraan tarkkailla samaa tapahtumien järjestystä ajassa eteenpäin ja taaksepäin. Pienessä kaasutilavuudessa molekyylit joko parveilevat yhteen tai leviävät niin, että tiheys on vain keskimäärin yhtä suuri kuin kaasun tiheys ja näiden värähtelyjen luonne on täysin symmetrinen menneisyyden ja tulevaisuuden suhteen.

Mekaniikassa ja sähködynamiikassa ajan kääntyvyys näkyy suoraan yhtälöistä; analysoituaan syvällisesti muita ilmiöitä, mukaan lukien biologisia, fyysikot tulivat siihen tulokseen, että puhumme maailmankaikkeuden kattavasta ominaisuudesta. Mutta kävi ilmi, että alkuainehiukkasten "heikossa vuorovaikutuksessa" joitain symmetrioita rikotaan, mukaan lukien ajan palautuvuus. Lisäksi symmetriat rikkoutuvat kosmologisilla etäisyyksillä ja aikoina. Koska maailmankaikkeus oli supertiheä 20 miljardia vuotta sitten, koska se on laajentunut siitä lähtien, ajallista yhtenäisyyttä ja palautuvuutta on havaittavissa vähän, mutta tällä ei ole juurikaan vaikutusta tavallisiin maapallon kokeisiin.

Symmetriat, joista olemme puhuneet, on muotoiltu tieteellisellä kielellä seuraavasti: kaikki luonnonlait ovat muuttumattomia avaruudessa ja ajassa tapahtuvan siirtymisen ja avaruuden pyörimisen suhteen. Erittäin suurella tarkkuudella.

6. Peilin symmetria.

Jos pyöritämme yläosaa vasemmalle, se pyörii ja liikkuu samalla tavalla kuin pyörre oikealle, vain oikean yläosan liikkeen hahmot ovat peilikuva vasemman hahmoista. Peilin symmetrian tarkistamiseksi voit rakentaa sellaisen asennuksen, jossa kaikki osat ja niiden järjestelyt ovat peilisymmetrisiä edellisiin nähden. Jos molemmat asetukset antavat saman tuloksen, ilmiö on peilisymmetrinen. Tämä vaatimus täyttyy peiliepäsymmetrisillä molekyyleillä: jos ne muodostuvat yhtäläisissä olosuhteissa, vasen molekyylien määrä on yhtä suuri kuin oikeiden molekyylien määrä.

Fysiikan historiassa oli hämmästyttävä tapaus, kun mikrobien avulla löydettiin kaksi peilimuotoa! Modernin mikrobiologian perustaja Louis Pasteur ehdotti, että keinotekoinen happo koostuu kahdesta peilisymmetrisestä muodosta, joista toinen kääntää polarisaatiotiheyden suuntaa oikealle ja toinen vasemmalle. Tämän seurauksena suunta ei muutu.

7. Kääntyy avaruudessa - ajassa.

Galileo havaitsi mekaanisten liikkeiden merkittävän ominaisuuden: ne ovat samat kiinteässä koordinaattijärjestelmässä ja tasaisesti liikkuvassa maan päällä ja lentävässä tasossa. Vuonna 1924 hollantilainen fyysikko Hendrik Anton Lorentz havaitsi, että tämä ominaisuus on olemassa myös sähködynaamisissa ilmiöissä. Matkan varrella tuli selväksi tärkeä seikka: varautuneiden kappaleiden nopeus ei voi ylittää valon nopeutta. Henri Poincari osoitti, että Lorentzin tulokset tarkoittavat, että sähködynamiikan yhtälöt ovat muuttumattomia neliulotteisen avaruuden kiertojen suhteen, missä kolmen koordinaatin lisäksi on vielä yksi - aika. Einstein havaitsi, että tämä symmetria on universaali, että kaikki luonnonilmiöt eivät muutu sellaisilla pyörimisillä.

Miten tämä symmetria ilmenee fysikaalisissa laeissa?

Kaikki fyysiset suureet eroavat siitä, kuinka ne muuttuvat pyöritettäessä. Skalaarit eivät muutu lainkaan; toiset - vektorit - käyttäytyvät kiertojen aikana kuin jana, joka on vedetty origosta johonkin avaruuden pisteeseen; kuinka kahden vektorin tulo muuttaa tensoreja; spinorit ovat suureita, joista voidaan muodostaa kvadraattinen yhdistelmä, joka muuttuu kuten vektori, tai skalaariyhdistelmä, joka ei muutu rotaatioiden myötä.

Symmetria edellyttää, että kaikissa yhtälöissä on suureita, jotka muuttuvat samalla tavalla kierrosten aikana. Aivan kuten on mahdotonta verrata aikaa ja pituutta, massaa ja nopeutta, on mahdotonta rinnastaa skalaaria vektoriin - yhtälö rikotaan kääntyessä.

Symmetrian ydin piilee juuri tässä suureiden jakamisessa skalaareihin, vektoreihin, tensoreihin, spinoreihin...

Kaikki 1900-luvun alussa tarkastelemamme symmetriat - peili, homogeenisuus ja tilan ja ajan isotropia - yhdisti suhteellisuusteoria yhdeksi neliulotteisen aika-avaruuden symmetriaksi.

Kaikki luonnonilmiöt ovat muuttumattomia tässä tilassa tapahtuvien siirtymien, pyörien ja heijastuksen suhteen.

8. Fysikaalisten ilmiöiden symmetria.

Avaruuden ja ajan symmetrian lisäksi on monia muita symmetrioita, jotka ohjaavat fysikaalisia ilmiöitä, määrittävät alkuainehiukkasten ominaisuuksia ja niiden vuorovaikutuksia. Näemme, että jokainen symmetria välttämättä vastaa omaa säilymislakiaan, joka suoritetaan samalla tarkkuudella kuin itse symmetria.

Kun radioaktiivista hajoamista tutkittiin 1930-luvulla, kävi ilmi, että hajoamisen aikana emittoituneiden elektronien energia on pienempi kuin ytimien energioiden ero ennen hajoamista ja sen jälkeen. Fyysikot ehdottivat, että neutraali hiukkanen, neutrino, lentää ulos yhdessä elektronien kanssa kuljettaen pois ylimääräistä energiaa. Neutrinon olemassaolo todistettiin sitten kokeellisesti sen suoralla vaikutuksella aineeseen. Energiaa säästyy samalla tarkkuudella kuin ajan homogeenisuutta havaitaan.

Ja niin, jokaisella symmetrialla on oma säilymislakinsa. Ja päinvastoin, kun mikä tahansa arvo pysyy muuttumattomana, on olemassa symmetria, joka varmistaa tämän arvon säilymisen. Ei ole yllättävää, että energian, liikemäärän, liikemäärän säilymisen lakeja noudatetaan kaikissa luonnonilmiöissä, ne ovat seurausta sellaisesta maailmamme ominaisuudesta kuin tilan ja ajan symmetria.

9. Peilin symmetrian rikkominen.

Kävi ilmi, että varautunut K-mesoni hajoaa kahdella tavalla: kahdeksi tai kolmeksi pi-mesoniksi, ja peilisymmetria estää sitä hajoamasta molemmilla tavoilla.

Peilisymmetria liittyy säilymislakiin – pariteettiksi kutsuttu määrä säilyy. Mikä se on?

Hiukkasten ominaisuuksien ei pitäisi muuttua peiliheijastuksessa, mutta aaltofunktio voi muuttaa etumerkkiä. Kun se ei vaihda etumerkkiä, tilaa kutsutaan parilliseksi, ja kun se vaihtaa etumerkkiä, sitä kutsutaan parittomaksi. Näin ollen, jos peilisymmetria on olemassa, jokaisella hiukkasella on tietty pariteetti.

Samoihin aikoihin amerikkalaiset fyysikot tutkivat koboltin B-hajoamista, jossa antineutrinoelektroneja lentää ulos ytimistä. Kävi ilmi, että elektronit lentävät ulos pääasiassa tylpäissä kulmissa sen magneettikentän suuntaan, johon koboltti asetettiin. Peilisymmetrian lain mukaan niiden piti lentää ulos yhtä usein, sekä tylppissä kulmissa että terävissä kulmissa.

Fyysikkojen hämmennys oli sellainen, että he epäilivät muita avaruuden symmetrian ominaisuuksia. Sitten Lev Davydovich Landau ja itsenäisesti Li Zongdao ja Yang Chtelnin ehdottivat, että B-hajoamiseen osallistuvat elektronit, neutriinot ja nukleonit ovat peiliepäsymmetrisiä, ja symmetrian palauttamiseksi on tarpeen siirtyä antihiukkasiin. Näytti siltä, ​​​​että ulospääsy löytyi - paon epäsymmetria selitettiin osallistuvien hiukkasten epäsymmetrialla. Silloin heikon vuorovaikutuksen epäsymmetria ei merkitsisi tilan peilisymmetrian rikkomista.

10. Varaus-peilisymmetria.

Kaikille luonnonilmiöille heikkoja vuorovaikutuksia lukuun ottamatta on myös varaussymmetria: luonnonlait eivät muutu, jos kaikki sähkövaraukset korvataan käänteisillä.

Antihiukkasia ennustettiin ja löydettiin - positroni, antiprotoni, antineutroni jne. Ne voivat muodostaa anti-elementin ytimen. Jos positroneja lisätään tällaiseen negatiivisesti varautuneeseen ytimeen, saadaan anti-atomi, anti-atomeista - antimateria, jolla on samat ominaisuudet kuin tavallisella aineella.

Kokeiden jälkeen, joista juuri puhuimme, varaussymmetriaa piti tarkentaa. Sen tilalla on varaus-peilisymmetria: luonnonlait eivät muutu, jos kaikki maailman varaukset korvataan käänteisillä, ja samalla syntyy peilikuva. Anti-maailma on maailmamme peiliheijastus.

Useimmat astrofyysikot uskovat, että antimaailmoja ei ole. Tosiasia on, että elektronien ja positronien tuhoamisen tulisi tapahtua aineen ja antiaineen rajoilla - ne muuttuisivat kvantipareiksi, joiden energia on 0,5 MeV. Tällaisia ​​kvantteja olisi pitänyt olla paljon universumissa, niitä ei ole.

Varaus-peilisymmetria osoittautui myös epätarkaksi: saman K-mesonin hajoamiskokeissa havaittiin pohjimmiltaan tärkeä varaus-peilisymmetrialain rikkomus. Vielä ei tiedetä, tarkoittaako tämä avaruuden epäsymmetriaa.

11. Spontaani symmetrian rikkoutuminen.

Symmetrisillä yhtälöillä voi olla epäsymmetrisiä ratkaisuja. Alkuainehiukkasten teoria olettaa, että suurin symmetria vallitsee ultrapienillä etäisyyksillä ja suurilla etäisyyksillä tapahtuu spontaani rikkomus, joka voi peittää symmetrian suuresti. Symmetriaa ei aina ole helppo nähdä. Sen esimerkkejä löytyy joka käänteestä: pöydällä makaava vesipisara on esimerkki tällaisesta rikkomuksesta; olisi symmetrisempi, jos vesi leviäisi ohuesti pöydälle. Kiinteiden aineiden kidehilat - erilaisten symmetrioiden rikkominen; atomien homogeeninen kaoottinen järjestely, joka tapahtuu korkeassa lämpötilassa, heijastaa täydellisemmin avaruuden symmetriaa, homogeenisuutta ja isotropiaa. Mutta riittävän alhaisissa lämpötiloissa kiinteän aineen vakaa epäsymmetrinen tila on kidehila.

12. Sisäinen symmetria.

Meidän on keskusteltava vielä yhdestä symmetriatyypistä, joka myös kyllästää modernia fysiikkaa, samoin kuin spatiaalisia.

On olemassa "sisäisiä symmetrioita", jotka tarkoittavat ilmiöiden muuttumattomuutta ei heijastuessa, tilan siirtyessä tai pyöriessä, vaan kun kenttien tai hiukkasten jotkin sisäiset ominaisuudet muuttuvat. Koska vahvat vuorovaikutukset ovat heikosti riippuvaisia ​​osallistuvien hiukkasten varauksesta, tämä ominaisuus mahdollistaa "vahvojen vuorovaikutusten isotooppisymmetrian" - esimerkin sisäisestä symmetriasta.

Jokainen symmetria (sisäinen), samoin kuin spatiaalinen, johtaa omaan säilymislakiinsa ja päinvastoin - kun määrä säilyy monissa ilmiöissä, tämä tarkoittaa pääsääntöisesti sitä, että on olemassa säilymisen takaava symmetria.

13. Mittarin invarianssi.

Mittarin invarianssi tai mittarin symmetria tarkoittaa, että mitkään sähködynaamiset ilmiöt eivät muutu niiden vektoripotentiaalin muutosten myötä, jotka säilyttävät sähkö- ja magneettikenttien arvot kussakin aika-avaruuden pisteessä. Tämän sähködynamiikan ominaisuuden seuraus suoritetaan kokeellisesti suurella tarkkuudella. Mitkä muutokset potentiaalivektorissa ovat sallittuja. Yksinkertaisinta on lisätä vektoripotentiaaliin koordinaateista riippumaton vakiotermi. Tästä lähtien vektoripotentiaalin arvojen ero ei muutu, ja siksi jännitteet ovat samat. Mutta käy ilmi, että vektoripotentiaali sallii paljon enemmän mielivaltaisuutta - voit lisätä siihen tietyllä tavalla valitun koordinaattien ja ajan funktion muuttamatta sähkö- ja magneettikenttiä.

Mittarin invarianssi on täytettävä jokaisessa avaruuden pisteessä, tämä on paikallinen symmetria.

Mittarin invarianssi varmistaa kokonaisvarauksen säilymisen ei vain koko tilassa, vaan myös jokaisessa pisteessä. Varaukset voivat lentää vain yli, ne eivät voi kadota yhdelle avaruuden alueelle ja ilmaantua toiselle ilman sähkövirtaa, joka kuljettaa varauksia.

Hyvin testattu Coulombin laki on myös seurausta mittarin invarianssista; tämän vaatimuksen pienikin rikkominen muuttaisi pitkien radioaaltojen etenemislakia, mikä olisi ristiriidassa jokapäiväisen kokemuksemme kanssa. Mittarisymmetrian vaatimus oli ratkaiseva kvanttielektrodynamiikan luomisessa, jossa kvanttimekaniikan lait eivät koske vain hiukkasia, vaan myös itse sähkömagneettista kenttää.

Mittareiden invarianssin ymmärtäminen rikastui erityisesti kvanttimekaniikan luomisen jälkeen. Varautuneiden hiukkasten aaltofunktiot muuttuvat vektoripotentiaalin mittamuutoksen myötä siten, että koko järjestelmän liikeyhtälöt - kentät ja niiden kanssa vuorovaikuttavat hiukkaset - pysyvät muuttumattomina. Tämä yleinen mittarin invarianssi johtaa valtavaan määrään havaittavia seurauksia.

14. Isotooppinen symmetria.

Yksi yksinkertaisista esimerkeistä sisäisestä symmetriasta - "vahvojen vuorovaikutusten isotooppinen invarianssi" - vahvistettiin lukuisilla kokeilla ja osoittautui erittäin tärkeäksi ytimen teorian rakentamisen kannalta.

Otetaan käyttöön uusi konsepti - isotooppinen spin, ja sen ominaisuudet muistuttavat tavallista spiniä, niin isospin 1:llä on kolme projektiota ja isospinilla 1/2 - kaksi. Nukleonilla on kaksi isotooppitilaa, joten sen isospin on ½ ja protoni ja neutroni vastaavat kahta projektiota: ½ ja ½. Pi-mesonilla on isotooppinen spin 1. Positiiviset, negatiiviset ja neutraalit Pi-mesonit vastaavat kolmea isospin 1:n projektiota. Näin ollen vahvoilla vuorovaikutuksilla on isotooppiinvarianssin ominaisuus, ne eivät riipu vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten isotooppisesta tilasta.

Isotooppinen symmetria on epätarkka: eri varauksilla hiukkasilla on, vaikkakin lähellä, mutta erisuuruinen massa.

15. Oudot.

Tehokkaiden kiihdyttimien ja herkkien havaitsemismenetelmien luominen on johtanut valtavan määrän uusien hiukkasten löytämiseen. Ne syntyvät nukleonien törmäyksessä tai havaitaan niiden vaikutuksesta etäisyyteen. Ensinnäkin löydettiin "outoja" hiukkasia. Heidän omituisuutensa on, että he eivät synny yksittäin, kuten pi-mesonit, vaan vain pareittain - hiukkasena antihiukkasen kanssa. Tämän ominaisuuden selittämiseksi oli tarpeen antaa hiukkasille, mainitsemalla spin ja isospin, vielä yksi numero - "outollisuus".

Pian löydettiin muitakin outoja hiukkasia. Jotta ne voitaisiin sisällyttää samaan perheeseen nukleonin tai pionin kanssa, oli tarpeen monimutkaistaa isotooppisymmetriaa. Oli tarpeen olettaa laajempi symmetria, mukaan lukien outoja hiukkasia. Kaksi suurta perhettä vahvasti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia löydettiin: baryonit ja mesonit.

Teoreettisen ja kokeellisen fysiikan onnistumisen seurauksena löydetty hiukkasten runsaus ei miellyttänyt, vaan vain hämmentyi teoreetikoita. Promatteria tai prohiukkasia alettiin etsiä, jotta havaittujen hiukkasten runsaus saataisiin useiden alkuainehiukkasten yhdistelmistä, tai varovaisemmin sanottuna enemmän alkeishiukkasia.

Yhden symmetrian historia.

Hadroneista koostuvien alipartikkelien löytämisen työn historia on erittäin opettavainen ja dramaattinen. Erilaisista tosiasioista syntyi vähitellen yhä selkeämpi kuva hadronien rakenteesta. Luettelemme tämän draaman päätapahtumat, joiden takana ovat kaikkien maiden fyysikkojen valtavat ponnistelut, väliaikaiset onnistumiset ja epäonnistumiset, niiden ihmisten kohtalo, jotka menettivät vuosia yrittäessään löytää totuutta väärällä tiellä. Samalla näemme, että epäonnistuneet yritykset joka kerta toivat meidät lähemmäs tavoitetta ja valmistivat oikeat ratkaisut.

16. Kvarkit.

Kaikki lukuisat yritykset saada havaittavia baryoni- ja mesoniperheitä hiukkasista, joilla on kokonaisluku sähkö- ja baryonivaraus, ovat epäonnistuneet. Yhdysvaltalaiset teoreetikot Marie Gell-Man ja itsenäisesti George Zweig löysivät odottamattoman tien ulos umpikujasta.

He ehdottivat, että kaikki hadronit koostuvat hiukkasista, joiden baryonin varaus on 1/3 nukleonin varauksesta ja sähkövaraus 2/3 tai 1/3 protonin varauksesta. Näiden hiukkasten spin on sama kuin nukleonilla eli ½. Hiukkasia, joilla on murto-osainen sähkövaraus, ei ollut koskaan esiintynyt kokemuksessa, ja fyysikot olivat niin lujasti vakuuttuneita, että kaikki varaukset olivat elektroni- tai protonivarauksen kerrannaisia, että ajatus murto-purkauksen omaavista hiukkasista tuntui villiltä. Gellmann kutsui näitä villihiukkasia kvarkeiksi.

Kaikki hadronit, ikään kuin taianomaisesti, putosivat niihin ryhmiin, joilla oli samat ominaisuudet, jotka aiemmin määritettiin kokeellisesti.

Baryonit koostuvat kvarkkikolmioista siten, että baryonin varaus on 1. Kolme kvarkkia voi muodostaa kaksi yhdistelmää spineillä ½ ja 3/2, minkä vuoksi baryoneja on kaksi. Kolme kvarkkityyppiä piti ottaa käyttöön: ylös (u), alas (ά) ja outo (S). Kvarkin u sähkövaraus on 2/3; ά – u –s kvarkit – 1/3; oudolla kvarkilla on omituisuus 1 ja u – uά kvarkeilla omituisuus 0. u, ά kvarkit ovat kaksi isospin-projektiota yhdestä hiukkasesta, jonka isospin on ½. Neutroni ja protoni on järjestetty seuraavasti: n=(uάά); p=(άuu). On helppo nähdä, että tässä tapauksessa neutronin varaus on odotetusti 0 ja protonin 1.

Kvarkit pitää värjätä!

Baryonien joukossa, jotka muodostavat kymmenen ja joiden spin on 3/2, on delta-resonanssi. ou on merkitty ∆:llä. Tämä hiukkanen ei elä kauan, sitä on vaikea nähdä vapaassa tilassa. Se ilmenee kuitenkin pi-mesonien ja nukleonien hajoamisena. Deltabaryoni on nukleonin ja pi-mesonin sitoutunut tila. Sirontaprosessissa pi-mesoni ja nukleoni yhdistetään tilapäisesti delta-baryoniksi. Siksi levossa olevan nukleonin pi-mesonin sironnan poikkileikkauksella on maksimi (resonanssi) pi-mesonienergiassa, joka vastaa tätä sidottua tilaa.

Käytetään kaavaa E=mc 2 , joka tunnetaan missä tahansa, missä on televisio tai radio, energia on yhtä suuri kuin massa kerrottuna valonnopeuden neliöllä. Jakamalla pi-mesonin energia poikkileikkausmaksimilla c 2:lla ja lisäämällä nukleonin massaan, saadaan delta-resonanssin massa (m ∆ =E p. +m k . /c 2). Koska nukleoni ja pi-mesoni eivät ole outoja hiukkasia, deltan omituisuus on nolla. Ja tämä tarkoittaa, että se koostuu u- ja ά-kvarkeista.

Poikkileikkauksen riippuvuudesta hiukkasten sironnan poikkeamakulmasta havaittiin, että delta-spin on 3/2. Deltabaryonista on löydetty neljä isotooppilajiketta, jotka eroavat toisistaan ​​vain sähkövarauksessa.

Nämä ovat delta-baryoneja, joiden varaukset ovat -1, 0, 1, 2. Olemme käyneet läpi kaikki mahdollisuudet, joten muita delta-baryoneja ei ole. Hiukkanen, jolla on kaksinkertainen negatiivinen varaus, voidaan rakentaa vain antikvarkeille: (uuu)= ∆.

Kiinnittäkäämme erityistä huomiota delta plus-plus -baryoniin, joka, kuten juuri nähtiin, koostuu u - kvarkkien kolmiosasta.

Mutta jotta spin-delta olisi yhtä suuri kuin 3/2, on välttämätöntä, että kaikkien kolmen u - spinien projektiot ovat samat ja yhtä suuret kuin ½.

Siinä on ristiriita Paulin periaatteen kanssa! Itse asiassa tämän periaatteen mukaan hiukkaset, joiden spin on puolikokonaisluku, eivät voi olla samassa tilassa. Ristiriitojen välttämiseksi näitä kolmea kvarkkia voitaisiin yrittää jakaa eri tavoin deltabaryonin sisällä olevaan tilaan. Mutta tällaisella epätasaisella jakautumisella energia kasvaa ja siten deltabaryonin massa. Havaitun massan sijasta saisimme paljon suuremman. On tehty monia teoreettisia yrityksiä kiertää Paulin periaatetta, mutta ne kaikki ovat epäonnistuneet. Kävi ilmi, että ainoa mahdollisuus on olettaa, että jokaisella kvarkilla on spinin ja varauksen lisäksi vielä yksi ominaisuus, jota kutsuttiin perinteisesti "väriksi". Jokaisella kvarkilla voi olla yksi kolmesta väristä, esimerkiksi punainen, keltainen, sininen. Ristiriita Paulin periaatteen kanssa poistetaan: deltabaryonin u-kvarkit ovat monivärisiä, eikä eri hiukkasten ole kiellettyä olemasta samassa tilassa.

Kvarkit eivät voi elää ilman toisiaan.

Lukuisat kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset ovat vahvistaneet kvarkkien fraktiovaraukset ja kolmivärisyyden. Kvarkeista on tullut yhtä luotettava fysiikan kohde kuin protonista tai elektronista. Ja samaan aikaan, monista yrityksistä huolimatta, ei ollut mahdollista löytää kokeellisesti vapaita hiukkasia, joilla on murtovaraus. Kvarkit eivät pakene hadroneista edes energisissä törmäyksissä. Vain "valkoiset" hiukkaset, hadronit ja leptonit, voivat olla eristetyssä tilassa; värillisiä hiukkasia - kvarkkeja - voidaan havaita vain hadronien sisällä. Niitä ei voi irrottaa kaukana toisistaan. Kun yrität siirtää niitä erilleen, ne muuttuvat valkoisiksi hiukkasiksi.

Ensi silmäyksellä kvarkkien sulkeminen ei ole niin outo ominaisuus. Neutroni elää ytimissä rajattoman ajan, ja vapaassa tilassa se hajoaa viidessätoista minuutissa. Tämä on tietysti valtava aika ydinhiukkaselle, mutta esimerkiksi ∆-resonanssi vaimenee niin lyhyessä ajassa, että sitä ei voi nähdä vapaassa tilassa ja se voidaan havaita vain sen vaikutuksesta pioniin - nukleonietäisyys. Kvarkit ja antikvarkit muuttuvat erilleen työnnettäessä valkoisiksi hiukkasiksi niin nopeasti, ettei niitä voida havaita kaukana toisistaan.

Tämän fyysisen kohteen ainutlaatuisuus on, että kvarkit eivät elä ilman toisiaan. Ennen kuin kvarkki ja antikvarkki muuttuvat valkoisiksi hiukkasiksi, ne pysyvät yhdessä voimavuorovaikutuksella riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat. Sähködynamiikassa kaksi vastakkaista varausta vetävät myös toisiaan puoleensa, mutta tämän vetovoiman voimakkuus pienenee etäisyyden neliössä. Siksi elektroni-positroniparin syntyessä näitä hiukkasia voidaan pitää vapaina heti, kun niitä siirretään ainakin hieman erilleen siten, että potentiaalienergia tulee pienemmäksi kuin kineettinen. Kvarkki-antikvarkki-parin tapauksessa tällaista hetkeä ei koskaan tapahdu - niiden vuorovaikutuksen potentiaalinen energia kasvaa etäisyyden myötä!

Tämä selittyy kvarkeja yhdessä pitävän kentän ominaisuuksilla: se ei pienene etäisyyden myötä, kuten sähkökenttä.

Muitakin tyyppejä on löydetty, tai kuten kvarkkien makuja yleisesti kutsutaan, "lumottu" ja "kaunis".

Teoria ennustaa toisen aromin - "korkeamman". Tätä kvaraa ei ole vielä vahvistettu kokemuksella.

Joten on olemassa kuuden maun kvarkeja ja antikvarkeja - u, ά, s, c, b, t, ja jokaisessa kvarkeissa on kolme väriä.

Toivotaan, että tämä loppuu luonnon kekseliäisyydestä eikä kvarkeja enää löydy.

Kenttä, joka tarttuu yhteen kvarkeja.

Vaikka symmetrioiden tunteminen onkin tärkeää, ne eivät tyhjennä kaikkia fyysisten objektien ominaisuuksia. Sinun on myös tiedettävä, miten kentät ja hiukkaset vuorovaikuttavat ja liikkuvat.

Kvarkeja yhteen tarttuvaa kenttää kutsuttiin "gluoniksi", englannin sanasta "glue" - liima. Aivan kuten sähkömagneettisessa kentässä, kvanttimekaniikan soveltaminen gluonikenttään johtaa energian hyppyyn. Kenttäenergia muuttuu hyppyissä, joiden arvo on E=RW (λ), missä RW on kentän taajuus, jonka aallonpituus on λ. Osaa gluonikentän energiasta kutsutaan "gluoniksi", aivan kuten osaa sähkömagneettisen kentän energiasta kutsutaan "kvanttiksi" tai "fotoniksi".

Koska gluoni voi käytännössä (tilapäisesti) muuttua kvarkki-antikvarkki-pariksi, sen aaltofunktio muuntuu samalla tavalla kuin parin aaltofunktio, ja siksi yhdeksästä gluonikentästä voidaan muodostaa myös yksi valkoinen kenttä. Symmetria edellyttää, että kaikki kahdeksan värillistä gluonikenttää ovat yhtäläisessä vuorovaikutuksessa kvarkkien kanssa. Valkoinen gluonikenttä voi olla vuorovaikutuksessa täysin eri tavalla - sillä on oma vuorovaikutusvakionsa, koska se voi muuttua vain valkoisten kvarkkien yhdistelmiksi. Tätä kenttää ei ilmeisesti koskaan esiinny.

Mutta vahvan vuorovaikutuksen teoria ei lopu tähän. Kvarkkien ja kahdeksan gluonikentän muunnosominaisuuksien löytäminen ei riitä. Päätehtävänä on löytää yhtälö, joka kuvaa näitä kenttiä ja niiden vuorovaikutusta kvarkkien kanssa. Ja lopuksi, ei ole yhtä tärkeää ratkaista nämä yhtälöt, ilmaista kaikkien hadronien massat ja niiden vuorovaikutukset toistaiseksi "alkuainehiukkasten" - gluonien ja kvarkkien - ominaisuuksien kautta. Näin fyysikot tekivät määrittäessään ytimien ja elektronien alkeisominaisuuksia.

Oletetaan, että hiukkanen aiheuttaa Geiger-Muller-laskurissa väkivaltaisen prosessin, jonka seurauksena se rekisteröidään. Tämä prosessi on mikrokosmoksen mittakaavassa oleva katastrofi. Valtava silta tai moderni suihkukone hajoaa yhtäkkiä niiden rakenteessa esiintyvien resonanssivärähtelyjen vuoksi. Tämä on esimerkki meille jo tutun mittakaavan katastrofista. Esimerkit katastrofeista voivat olla varsin erilaisia ​​- alijäähtyneen nesteen äkillinen kiteytyminen, vuoren romahtaminen, säteilyn muodostuminen laserissa. Kaikissa tällaisissa tapauksissa järjestelmälle on ominaista epävakaa symmetria, joka voi tuhoutua erilaisten satunnaisten tekijöiden vaikutuksesta. Näillä satunnaisilla tekijöillä voi olla hyvin pieni vaikutus, ne voivat olla näennäisesti täysin vaarattomia. Mutta ne tuhoavat symmetrian ja vapauttavat siten turbulenttisia prosesseja epävakaassa järjestelmässä, mitä voidaan pitää eräänlaisena katastrofina.

III. Johtopäätös.

Seurasin teoreettisten fyysikkojen polkua, fyysisten ilmiöiden kehitystä, todisteita. Kaikki fysiikan osa-alueet kietoutuvat yhdeksi vyyhdeksi matematiikan kanssa ja selitetään ilmiöiden fyysinen kuva, syntyy ratkaisuprojekti, tehdään uusia löytöjä, joissa symmetrialla on tärkeä rooli. Ymmärsin, että symmetria on ajan tasaisuutta. Kaikki fyysiset prosessit etenevät samalla tavalla riippumatta siitä, milloin ne alkavat - eilen, tänään, huomenna ... Kaikki abstraktissani hahmotellut symmetriat yhdistyvät yhdeksi, universaaliksi - kaikki luonnonilmiöt ovat muuttumattomia siirtymien, käänteiden suhteen , heijastuksia avaruudessa. Eikö ole yllättävää, että säilymislait saadaan erilaisten symmetrioiden seurauksena. Ympäröivää maailmaa katsellessani, fysiikkaa tutkiessani yhdistän kaikki löydöt tahattomasti symmetriaan. Ihmismielelle symmetrialla näyttää olevan hyvin erityinen vetovoima.

Symmetria - laajassa ja suppeassa merkityksessä on ajatus, jota ihminen on vuosisatojen ajan yrittänyt ymmärtää ja luoda järjestystä kaikissa fysikaalisissa ilmiöissä. Ja universumimme kaikkine monimutkaisuuksineen rakennetaan tulevaisuudessa ilmeisesti symmetriakäsitteiden mukaisesti. Haluaisin lopettaa esseeni seuraavilla sanoilla:

”Näkemisen, ymmärtämisen, todistamisen ilo on luonnon kaunein lahja. Tiedolla ei ole loppua!