Навигация
Симметрия природы и законы сохранения
25063
знака
0
таблиц
0
изображений
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-Манна—Окубо, 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 основой сильных взаимодействий. Оно описывается квантовой хромодинамикой — калибровочной квантовой теорией поля типа Янга—Миллса. Кроме того, цветовая симметрия не нарушается никакими известными в настоящее время взаимодействиями, а согласно теореме Нетер следует, что в стандартной модели сильного и электрослабого взаимодействий возникает сохранение барионного и лептонно-го чисел.
Похожие работы
... момента импульса происходит как в процессах микромира, так и в масштабах вращающихся звезд и галактик – он имеет всеобщий характер. Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин – утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или ...
... , имеющие электрический заряд Q = -1 и Q = 1 соответственно. Также являются стабильными частицами нейтрино и антинейтрино, т.к. это самые легкие носители лептонных зарядов Le, , . 3. СВЯЗЬ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ С СИММЕТРИЕЙ СИСТЕМЫ Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического мира связано с тем или иным ...
... по-видимому, прибавлялась только как искусственная роскошь к довольно узкому готовому миру вещей с их свойствами и силовыми взаимодействиями, их движениями и изменениями». Об определении категорий симметрии и асимметрии В настоящее время в науке преобладают определения указанных категорий на основе перечисления их важнейших признаков. Например, симметрия определяется как совокупность ...
... а я не вижу оснований считать сохранение заряда более фундаментальным, чем сохранение анергии и импульса". В 1931 г. на физической конференции в Пасадене Паули доложил ученым о своей интерпретации ?-распада: "Законы сохранения выполняются, так как испускание ?-частиц сопровождается проникающей радиацией из нейтральных частиц... Сумма энергий ?-частицы и нейтральной частицы..., испущенных ядром в ...
0 комментариев