Симметрия природы и законы сохранения

Если и дальше обобщать фундаментальные законы, еще глубже уходя во внутреннюю структуру: от атома к элементарным частицам, а затем и

Симметрия природы и законы сохранения

Информация

Философия

Другие материалы по предмету

Философия

Сдать работу со 100% гаранией

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Введение_________________________________________________________ 3

1. Симметрия природы____________________________________________ 4

2. Законы сохранения_____________________________________________ 7

Заключение______________________________________________________12

Литература______________________________________________________13

ВВЕДЕНИЕ:

 

Важнейшие достижения в физике элементарных частиц связаны с симметрией относительно преобразований некоторых параметров, характеризующих внутренние свойства частиц.

Так, в последние годы получили развитие суперсимметрические модели, обладающие симметрией нового типа, связывающие между собой фермионы и бозоны и постулирующие, что у каждой обычной частицы имеется "суперпартнер" с аналогичными свойствами (за исключением спина вращения элементарной частицы или античастицы вокруг собственной оси, обусловливающего ее электромагнитное поле). Например, электроны, кварки, лептоны имеют суперпартнеров сэлектроны, скварки. слептоны. Но эта теория еще не подтверждена экспериментом.

Существует принцип симметрии Кюри: если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действий не нарушит ее. Поэтому, формально, все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так, скалярная величина не может вызвать векторную.

Суть методологического значения понятия симметрии наиболее ярко раскрывает высказывание Дж. Ньюмена (1903-1957): "Симметрия устанавливает забавное и удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, ..., строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, ... , лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей,..., равновесными конфигурациями кристаллов, ..., теорией относительности, ...".

В широком понимании, симметричное означает хорошее соотношение пропорций, а симметрия тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое.

Симметрия имеет два значения:

весьма пропорциональное, сбалансированное, способ согласования многих частей, объединяющий их в целое (следствие симметрии законы сохранения классической физики);

- равновесие (по Аристотелю, это состояние характеризуется соотношением крайностей).

1. Симметрия природы

 

Начало стройной симметрии заложила физика в теории кристаллов, что зафиксировано в работах И. Ф. Гесселя (1796 -1872) в 1830 г., Л. В. Гадолина (1828 - 1892) в 1867г., А. Шенфлиса (1853 - 1928) в 1890 г. Первоначально речь шла о геометрических преобразованиях системы: ее переносах и поворотах.

Фундаментальность значения дальнейшего развития учения о симметрии в том, что каждому непрерывному преобразованию отвечает соответствующий закон сохранения, который в последующем был распространен с механики и на квантовую физику.

Так, основной принцип современных калибровочных теорий фундаментальных взаимодействий Природы состоит в том, что переносчиками взаимодействий выступают определенные сохраняющиеся величины, обладающие симметрией, определяющие динамику системы и тем самым позволяющие надеяться на осуществление создания теории "Великого объединения взаимодействий", включая теории гравитации.

Основным типам симметрии (С, Р, Т) были даны определения в предыдущем разделе, но симметрию С рассмотрим еще раз. Сильные электромагнитные взаимодействия инвариантны относительно операции зарядового сопряжения: замена всех частиц на соответствующие античастицы. Эта симметрия не является пространственной и рассматривается особо в связи с тем, что характеризует симметрию необычного вида зарядовой четности, в которой нейтральная частица переходит сама в себя при зарядовой сопряженности.

Благодаря существованию СРТ- и СР-симметрий как для сильных, так и электрослабых взаимодействий выполняется симметрия относительно обращения времени, то есть любому движению под действием этих сил соответствует в Природе симметричное движение, при котором система проходит в обратном порядке все состояния что и в первоначальном движении, но с изменением на противоположные направлениями скоростей частиц, спинами, магнитными полями. Из Т-симметрии следуют соотношения между прямыми и обратными реакциями.

Именно симметрия, относительно перестановки одинаковых частиц, обосновывает принцип неразличимости одинаковых частиц (см. разд. 3.9), то есть приводит к полной их тождественности. Связь спина и статистики является следствием релятивистсюй инвариантности теории и тесно связана с СРТ-теоремой. Под внутренними симметриями понимают симметрии между частицами и полями с различными квантовыми числами. При этом различают глобальные и локальные симметрии.

Симметрия называется глобальной, если параметр преобразования не зависит от пространственно-временных координат точки, в которой рассматривается поле. Ее примером является инвариантность лагранжиана относительно калиброванных преобразований входящих в него полей. Эта инвариантность приводит к аддитивному закону сохранения заряда, причем не только электрического, но и барионного, лептонного, странности и т. д.

Локальные симметрии существуют, когда параметры преобразований для глобальных симметрии можно рассматривать как произвольные функции пространственно-временных координат. Они позволяют построить теорию, в которой сохраняющиеся величины (заряды) выступают в качестве источников особых калибровочных полей, переносящих взаимодействие между частицами, обладающими соответствующими зарядами.

Динамическая симметрия системы возникает, когда рассматривается преобразование, включающее переходы между состояниями симметрии с различными энергиями.

Наиболее разработана теория симметрии кристаллов. В ней под симметрией понимается их свойство совмещаться с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах либо при части или комбинации этих операций.

Симметрия внешней формы (огранки) кристалла определяется симметрией его атомного, дискретного трехмерно-периодического строения, которая обусловливает также и симметрию физических свойств кристалла.

Симметрия кристаллов проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трехмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла (зонная теория), при анализе процессов дифракции: рентгеновских лучей нейтронов и электронов в кристаллах с использованием обратного пространства (обратная решетка) и т. п.

При образовании симметрии пространство не деформируется, а преобразуется как жесткое целое. Такие преобразования называют ортогональными, или изотермическими. Совокупность операций симметрии данного кристалла образует группу симметрии в смысле математической теории групп.

Зная группу симметрии кристаллов, можно указать возможность наличия или отсутствия в ней некоторых физических свойств, чем и занимается кристаллофизика.

В основе определения симметрии лежит понятие равенства при преобразовании. Однако физически (и математически) объект может быть равен себе по одним признакам и не равен по другим. Например, распределение ядер и электронов в кристалле антиферромагнетика можно описать с помощью обычной пространственной симметрии, но если учесть распределение в нем магнитных моментов, то обычной, классической симметрии уже недостаточно. К подобного рода обобщениям симметрии относятся антисимметрия и цветная симметрия. В антисимметрии в дополнение к трем пространственным переменным добавляется четвертая ±1, что можно истолковать как изменение знака (антиравна). Это так называемая обобщенная симметрия, используемая в описании, например, магнитных структур.

Другое обобщение симметрии симметрия подобия будет определено, когда равенство частей фигуры заменяется их подобием , криволинейная симметрия, статистическая симметрия, вводимая при описании структуры разупорядоченных кристаллов, твердых растворов, жидких кристаллов и т. п.

В физике элементарных частиц симметрия широко используется в связи с идеей изотопической инвариантности, предложенной В. Гейзенбергом для описания взаимодействий протона и нейтрона. Считается, что изотопическая симметрия описывает точное свойство инвариантности сильных взаимодействий, хотя получаемые из нее соотношения в действительности всегда нарушаются на уровне точности порядка нескольких процентов.

Унитарная симметрия в качестве обобщения изотопической инвариантности впервые появилась в связи с моделью симметрии Сакаты, в которой все адроны считались составленными из трех основных электрических частиц протона, нейтрона и d-гиперона.

Унитарная симметрия осуществляется с худшей точностью, чем изотопическая, но это не мешает получать ряд интересных соотношения между физическими величинами (например, формула масс Гелл-МаннаОкубо, предсказавшая существование и массу Q-гиперона).

Еще одно приложение группы симметрии к физике адронов это цветовая симметрия. Согласно определению цветовой симметрии каждый кварк имеет три возможных состояния, различающихся по квантовому числу, названному цветом, а преобразование цветового состояния можно производить независимо в разных пространственно-временных точках. С этим связано существование глюонного поля, имеющего восемь цветовых состояний. Взаимодействие кварков с этим полем является микроскопической осново

Похожие работы

1 2 3 > >>