Симметрия (физика) - Symmetry (physics)

Біріншіден Бриллоуин аймағы туралы FCC торы симметрия белгілерін көрсету

Жылы физика, а симметрия а физикалық жүйе жүйенің физикалық немесе математикалық ерекшелігі болып табылады (байқалатын немесе ішкі), кейбіреулерінде сақталады немесе өзгермейді трансформация.

Белгілі бір қайта құрулардың отбасы болуы мүмкін үздіксіз (сияқты айналу шеңбердің) немесе дискретті (мысалы, шағылысу екі жақты симметриялы фигураның немесе тұрақты көпбұрыштың айналуы). Үздіксіз және дискретті түрлендірулер сәйкес симметрия түрлерін тудырады. Үздіксіз симметрияларды сипаттауға болады Өтірік топтар ал дискретті симметриялар сипатталады ақырғы топтар (қараңыз Симметрия тобы ).

Бұл екі ұғым, Өтірік және ақырғы топтар, қазіргі физиканың іргелі теорияларының негізі болып табылады. Симметриялар көбінесе математикалық тұжырымдамаларға сәйкес келеді топтық өкілдіктер және сонымен қатар көптеген мәселелерді жеңілдету үшін пайдалануға болады.

Физикадағы симметрияның ең маңызды мысалы мынада: жарық жылдамдығы барлық санақ жүйелерінде бірдей мәнге ие, ол математикалық терминдермен белгілі Пуанкаре тобы, симметрия тобы арнайы салыстырмалылық. Тағы бір маңызды мысал инварианттық маңызды дифференциалданатын координаталық түрлендірулер кезіндегі физикалық заңдар формасы жалпы салыстырмалылық.

Инварианттың бір түрі ретінде

Инварианттық кейбір қасиеттерді (мысалы, мөлшерді) өзгеріссіз қалдыратын түрлендірулер арқылы математикалық жолмен анықталады. Бұл идея өмірдегі негізгі бақылауларға қатысты болуы мүмкін. Мысалға, температура бүкіл бөлмеде біртекті болуы мүмкін. Температура бақылаушының бөлме ішіндегі жағдайына байланысты емес болғандықтан, біз температура деп айтамыз өзгермейтін бөлме ішіндегі бақылаушы позициясының ауысуы кезінде.

Сол сияқты, оның центрінде айналдырылған біртекті сфера айналу алдындағыдай пайда болады. Сфера көрмеге қойылады дейді сфералық симметрия. Кез-келген айналу ось сфераның сфераның қалай көрінетінін сақтайды.

Инвариант күшінде

Жоғарыда келтірілген идеялар пайдалы идеяға әкеледі инварианттық байқалған физикалық симметрияны талқылау кезінде; мұны күштердегі симметрияларға да қолдануға болады.

Мысалы, электр заряды шексіз ұзындықтағы электр зарядының әсерінен көрінеді цилиндрлік симметрия, өйткені электр өрісінің кернеулігі берілген қашықтықта р сымнан радиусы бар цилиндр бетіндегі (оның осі сым) әр нүктесінде бірдей шамаға ие болады р. Сымды өз осіне айналдыру оның орнын немесе заряд тығыздығын өзгертпейді, демек, ол өрісті сақтайды. Айналдырылған күйдегі өрістің кернеулігі бірдей. Бұл негізінен төлемдердің ерікті жүйесі үшін дұрыс емес.

Ньютонның механика теориясында әрқайсысы массасы бар екі дене берілген м, басынан бастап және бойымен қозғалады х-қарама-қарсы бағыттағы, біреуі жылдамдықты v1 екіншісі жылдамдықпен v2 жалпы кинетикалық энергия жүйенің (бақылаушыдан шыққан жері бойынша есептелген) болып табылады 12м(v12 + v22) және жылдамдықтар ауыстырылған жағдайда өзгеріссіз қалады. Толық кинетикалық энергия шағылысқан кезде сақталады ж-аксис.

Жоғарыда келтірілген соңғы мысалда симметрияларды көрсетудің тағы бір әдісі, атап айтқанда физикалық жүйенің қандай да бір аспектісін сипаттайтын теңдеулер арқылы көрсетілген. Жоғарыда келтірілген мысал, егер кинетикалық толық энергия бірдей болатынын көрсетеді v1 және v2 өзара ауысады.

Жергілікті және ғаламдық

Симметрия кең түрде жіктелуі мүмкін ғаламдық немесе жергілікті. A ғаламдық симметрия нүктелерінің барлығында болатыны ғарыш уақыты, ал а жергілікті симметрия нүктелерінің әр түрлі симметриялы өзгеруіне ие ғарыш уақыты; локальді симметрия трансформациясы ғарыш уақытының координаттары арқылы параметрленеді. Жергілікті симметриялар физикада маңызды рөл атқарады, себебі олар негіз болып табылады өлшеу теориялары.

Үздіксіз

Жоғарыда сипатталған айналу симметриясының екі мысалы - сфералық және цилиндрлік - әрқайсысының даналары үздіксіз симметрия. Бұлар жүйенің геометриясының үздіксіз өзгеруінен кейінгі инварианттылықпен сипатталады. Мысалы, сымды өз осіне қатысты кез-келген бұрыш арқылы бұруға болады және өрістің кернеулігі берілген цилиндрде бірдей болады. Математикалық тұрғыдан үздіксіз симметрияларды сипаттайды үздіксіз немесе тегіс функциялар. Физикадағы үздіксіз симметриялардың маңызды кіші класы - бұл кеңістік уақыты симметриялары.

Бос уақыт

Үздіксіз ғарыш уақытының симметриялары түрлендірулерін қамтитын симметриялар болып табылады ғарыш және уақыт. Оларды әрі қарай жіктеуге болады кеңістіктік симметриялар, тек физикалық жүйемен байланысты кеңістіктік геометрияны қамтитын; уақытша симметрия, уақыттың өзгеруін ғана қамтиды; немесе кеңістіктік-уақыттық симметриялар, кеңістіктің де, уақыттың да өзгеруін қамтиды.

  • Уақыт аудармасы: Физикалық жүйе белгілі бір уақыт аралығында бірдей ерекшеліктерге ие болуы мүмкін ; бұл трансформация кезіндегі инварианттық ретінде математикалық түрде көрінеді кез келген үшін нақты сандар т және t + a аралықта. Мысалы, классикалық механикада тек ауырлық күші әсер ететін бөлшек болады гравитациялық потенциалдық энергия биіктіктен тоқтатылған кезде жер бетінен жоғары. Бөлшек биіктігі өзгермейді деп есептесек, бұл бөлшектің барлық уақытта тартылыс күшінің толық энергиясы болады. Басқаша айтқанда, бөлшектің қандай да бір уақыттағы күйін (секундпен) қарастыру арқылы және сонымен бірге Айталық, бөлшектің жалпы гравитациялық потенциалы сақталады.
  • Кеңістіктік аударма: Бұл кеңістіктік симметриялар пішін түрлендірулерімен ұсынылған және орналасқан жерінің үздіксіз өзгеруімен жүйенің қасиеті өзгермейтін жағдайларды сипаттаңыз. Мысалы, бөлмедегі температура термометрдің бөлмеде орналасқан орнына тәуелсіз болуы мүмкін.
  • Кеңістікті айналдыру: Бұл кеңістіктік симметриялар ретінде жіктеледі тиісті айналымдар және дұрыс емес айналымдар. Біріншілері - жай «қарапайым» айналымдар; математикалық тұрғыдан олар квадрат матрицалармен бірлікпен ұсынылған анықтауыш. Соңғылары determ1 детерминанты бар квадрат матрицалармен ұсынылған және кеңістіктегі шағылыстырумен үйлескен дұрыс айналудан тұрады (инверсия ). Мысалы, сфераның тиісті айналу симметриясы бар. Кеңістіктегі айналудың басқа түрлері мақалада сипатталған Айналу симметриясы.
  • Пуанкаре түрлендірулері: Бұл арақашықтықты сақтайтын кеңістіктік-уақыттық симметриялар Минковский кеңістігі, яғни олар Минковский кеңістігінің изометриялары. Олар бірінші кезекте зерттеледі арнайы салыстырмалылық. Бастапқы нүктені қалдыратын изометриялар деп аталады Лоренц түрлендірулері және белгілі симметрияны тудырады Лоренц ковариациясы.
  • Проективті симметриялар: Бұл кеңістікті-уақыттық симметриялар, оларды сақтайды геодезиялық құрылымы ғарыш уақыты. Олар кез-келген тегіс коллекторда анықталуы мүмкін, бірақ зерттеу кезінде көптеген қосымшаларды табады жалпы салыстырмалылықтағы нақты шешімдер.
  • Инверсиялық түрлендірулер: Бұл кеңістіктік-уақыттық симметриялар, Пуанкаре түрлендірулерін кеңістіктік-уақыттық координаттарға басқа конформды түрлендірулерді қосатын жалпылау. Ұзындықтар инвариантты емес инверсиялық түрлендірулер бірақ инвариантты төрт нүктедегі айқас қатынас бар.

Математикалық тұрғыдан кеңістіктің симметриялары әдетте сипатталады тегіс векторлық өрістер үстінде тегіс коллектор. Мұның астарында жергілікті диффеоморфизмдер векторлық өрістермен байланысты физикалық симметрияларға көбірек сәйкес келеді, бірақ векторлық өрістердің өзі физикалық жүйенің симметрияларын жіктеу кезінде жиі қолданылады.

Кейбір маңызды векторлық өрістер Векторлық өрістерді өлтіру бұл асты сақтайтын кеңістік симметриялары метрикалық коллектордың құрылымы. Дөрекі түрде өлтіру векторлық өрістер коллектордың кез-келген екі нүктесінің арасындағы қашықтықты сақтайды және көбінесе атымен жүреді изометрия.

Дискретті

A дискретті симметрия жүйенің үздіксіз өзгеруін сипаттайтын симметрия. Мысалы, квадрат дискретті айналу симметриясына ие, өйткені тік бұрыштардың еселенген шеңберлері ғана квадраттың бастапқы көрінісін сақтайды. Дискретті симметрияларға кейде қандай-да бір «своптар» жатады, оларды своптар деп атайды шағылысулар немесе айырбастау.

  • Уақытты өзгерту: Уақыт бағыты өзгерген кездегі көптеген физика заңдары нақты құбылыстарды сипаттайды. Математикалық тұрғыдан бұл трансформациямен, . Мысалға, Ньютонның екінші қозғалыс заңы егер де болса, теңдеуде болады , ауыстырылады . Мұны тігінен лақтырылған заттың қозғалысын жазып (ауа қарсылығын ескерместен), содан кейін оны ойнату арқылы көрсетуге болады. Нысан дәл солай жүреді параболикалық жазба қалыпты немесе керісінше ойнатылғанына қарамастан, ауа арқылы өтетін траектория. Осылайша, позиция объектінің максималды биіктікте болатын сәтіне қатысты симметриялы болады.
  • Кеңістіктік инверсия: Бұлар форманың түрлендірулерімен ұсынылған және координаттар «төңкерілген» кезде жүйенің инварианттық қасиетін көрсетіңіз. Басқа тәсілмен айтылған, бұл белгілі бір объект пен оның арасындағы симметриялар айна кескіні.
  • Слайд шағылысы: Бұлар аударма мен рефлексияның композициясы арқылы ұсынылған. Бұл симметриялар кейбіреулерінде кездеседі кристалдар және белгілі бір жазықтық симметрияларда тұсқағаз симметриялары.

C, P және T

The Стандартты модель туралы бөлшектер физикасы үш жақын табиғи симметрияға ие. Бұл біз өмір сүріп отырған ғаламды белгілі бір өзгеріс типі енгізілген жерден ажыратуға болмайтындығын айтады.

  • C-симметрия (заряд симметриясы), әр бөлшек өзімен алмастырылатын ғалам антибөлшек
  • P-симметрия (паритеттік симметрия), үш физикалық осьтің бойында барлығы бейнеленетін ғалам
  • Т-симметрия (уақытты өзгерту симметриясы), ғалам уақыт бағыты қалпына келтірілген. Т-симметрия қарама-қарсы (болашақ пен өткен симметриялы емес), бірақ стандартты модель глобалды емес, жергілікті қасиеттерді сипаттайтындығымен түсіндіріледі энтропия. Уақыттың бағытын дұрыс өзгерту үшін уақытты қою керек Үлкен жарылыс және нәтижесінде «болашақтағы» төмен энтропия жағдайы. Біз «өткенді» («болашақты») қазіргіге қарағанда төмен (жоғары) энтропияға ие деп қабылдағандықтан, бұл уақыттың кері гипотетикалық әлемінің тұрғындары болашақты біз өткенді қалай қабылдаған болса, солай қабылдайтын еді және керісінше.

Бұл симметриялар симметрияларға жақын, өйткені әрқайсысы қазіргі әлемде бұзылған. Алайда, Стандартты модель үшеудің тіркесімі (яғни барлық үш түрлендіруді бір уақытта қолдану) симметрия болуы керек деп болжайды. CPT симметриясы. СР бұзу, C- және P-симметрияларының тіркесімін бұзу, едәуір мөлшерде болуы үшін қажет бариондық зат ғаламда. СР бұзу - қазіргі кездегі зерттеулердің жемісті бағыты бөлшектер физикасы.

Суперсимметрия

Стандартты модельде теориялық жетістіктерге жету үшін суперсимметрия деп аталатын симметрияның түрі қолданылды. Суперсимметрия Стандартты модельде жасалғаннан гөрі тағы бір физикалық симметрия, атап айтқанда, арасындағы симметрия бар деген идеяға негізделген. бозондар және фермиондар. Суперсимметрия бозонның әр типінде супер-симметриялық серіктес ретінде суперпартнер деп аталатын фермион болады және керісінше болады деп тұжырымдайды. Суперсимметрия әлі эксперименталды түрде расталмаған: белгілі бір бөлшек басқа белгілі бөлшектердің супер серіктесі болу үшін дұрыс қасиеттерге ие емес. Қазіргі уақытта LHC суперсиметрияны тексеретін жүгіруге дайындалуда.

Физикалық симметрия математикасы

Физикалық симметрияларды сипаттайтын түрлендірулер әдетте математиканы құрайды топ. Топтық теория физиктер үшін математиканың маңызды бағыты болып табылады.

Үздіксіз симметриялар математикалық жолмен анықталады үздіксіз топтар (деп аталады Өтірік топтар ). Көптеген физикалық симметриялар изометрия болып табылады және оларды симметрия топтары анықтайды. Кейде бұл термин жалпы симметрия түрлері үшін қолданылады. Шардың кез-келген осі арқылы барлық кез келген дұрыс айналу жиыны (кез-келген бұрыш бойынша) L деп аталатын Lie тобын құрайды арнайы ортогоналды топ . (The 3 кәдімгі сфераның үш өлшемді кеңістігін білдіреді.) Сонымен, сфераның тиісті айналуы бар симметрия тобы . Кез-келген айналу шардың бетіндегі қашықтықты сақтайды. Лоренцтің барлық түрлендірулерінің жиынтығы Лоренц тобы (мұны жалпылауға болады Пуанкаре тобы ).

Дискретті топтар дискретті симметрияларды сипаттайды. Мысалы, тең бүйірлі үшбұрыштың симметриялары симметриялық топ .

Негізделген физикалық теорияның түрі жергілікті симметриялары а деп аталады өлшеуіш теория және мұндай теорияға табиғи симметриялар деп аталады симметрия. Габариттік симметриялар Стандартты модель, үшеуін сипаттау үшін қолданылады іргелі өзара әрекеттесу, негізделген SU (3) × SU (2) × U (1) топ. (Шамамен айтқанда, SU (3) тобының симметриялары сипаттайды күшті күш, SU (2) тобы сипаттайды әлсіз өзара әрекеттесу және U (1) тобы сипаттайды электромагниттік күш.)

Сондай-ақ, топтың әсерінен функционалды энергияны симметрия бойынша азайту симметрияның өздігінен бұзылуы симметриялы топтардың түрлендірулеріндегі тақырыптарды түсіндіруге болады бөлшектер физикасы (мысалы, біріктіру туралы электромагнетизм және әлсіз күш жылы физикалық космология ).

Сақталу заңдары және симметрия

Физикалық жүйенің симметриялық қасиеттері -мен тығыз байланысты сақтау заңдары сол жүйені сипаттайтын. Нетер теоремасы осы қатынасқа нақты сипаттама береді. Теорема физикалық жүйенің әр үздіксіз симметриясында сол жүйенің кейбір физикалық қасиеттері сақталғанын білдіреді. Керісінше, әрбір сақталған шама сәйкес симметрияға ие. Мысалы, кеңістіктік трансляция симметриясы (яғни кеңістіктің біртектілігі) пайда болады (сызықтық) импульстің сақталуы және уақытша аударма симметриясы (яғни уақыттың біртектілігі) пайда болады энергияны сақтау.

Келесі кестеде кейбір негізгі симметриялар және онымен байланысты консервіленген шама келтірілген.

СыныпИнварианттықСақталған мөлшер
Дұрыс ортохронды
Лоренц симметриясы
уақытында аударма
  (біртектілік )
энергия
кеңістіктегі аударма
  (біртектілік )
сызықтық импульс
кеңістіктегі айналу
  (изотропия )
бұрыштық импульс
Лоренц-күшейту
  (изотропия )
бұқаралық сәт
 
Дискретті симметрияР, координаталық инверсиякеңістіктік паритет
C, заряд конъюгациясытеңдік
T, уақытты өзгертууақыт паритеті
CPTпаритеттердің өнімі
Ішкі симметрия (тәуелсіз
ғарыш уақыты координаттар )
U (1) өлшеуіш трансформациясыэлектр заряды
U (1) өлшеуіш трансформациясылептон ұрпақ саны
U (1) өлшеуіш трансформациясыгипер заряд
U (1)Y өлшеуіш трансформациясыәлсіз гипер заряд
U (2) [ U (1) × СУ (2) ]әлсіз күш
SU (2) калибрлі трансформациясыизоспин
СУ (2)L өлшеуіш трансформациясыәлсіз изоспин
P × SU (2)G-паритет
SU (3) «орам нөмірі»барион нөмірі
SU (3) калибрлі трансформациясыкварк түсі
СУ (3) (шамамен)кварк хош иісі
S (U (2) × U (3))
[ U (1) × СУ (2) × СУ (3) ]
Стандартты модель

Математика

Физикадағы үздіксіз симметриялар трансформацияны сақтайды. Өте кішігірім түрленудің әртүрліге қалай әсер ететінін көрсету арқылы симметрияны көрсетуге болады бөлшектер өрістері. The коммутатор Осы шексіз аз өзгерулердің екеуінің бір типтегі үшінші шексіз аз өзгеруіне эквиваленті бар, демек, олар Алгебра.

Жалпы өріс ретінде сипатталған жалпы координаталық түрлендіру (сонымен бірге а диффеоморфизм ) а-ға шексіз әсер етеді скаляр , шпинатор немесе векторлық өріс білдіруге болатын (қолдану арқылы) Эйнштейн жазбасы ):

Ауырлық күші болмаса, тек Пуанкаренің симметриялары сақталады, ол оны шектейді нысанда болуы керек:

қайда М антисимметриялық болып табылады матрица (Лоренц пен айналу симметрияларын беру) және P жалпы вектор болып табылады (трансляциялық симметрияларды беру). Басқа симметриялар бір уақытта бірнеше өрістерге әсер етеді. Мысалы, жергілікті өлшеуіш түрлендірулер векторға да, спинорға да қолданылады:

қайда белгілі бір генераторлар болып табылады Өтірік тобы. Әзірге оң жақтағы түрлендірулер тек осы типтегі өрістерді қамтыды. Суперсиметриялар өрістердің араласу өрісіне қарай анықталады әр түрлі түрлері.

Физиканың кейбір теорияларына кіретін, ал басқаларында жоқ симметрияның тағы бір түрі - Вейлдің келесі түрдегі түрленуін қамтитын масштабты инварианттық:

Егер өрістерде осы симметрия болса, онда өріс теориясының конформальды инвариантты екендігі анықталуы мүмкін. Бұл ауырлық күші болмаған жағдайда h (x) келесі формамен шектелетіндігін білдіреді:

бірге Д. масштабты түрлендірулер және Қ арнайы конформды түрлендірулерді тудырады. Мысалы, N = 4 супер-Янг-Миллс теорияда осы симметрия бар Жалпы салыстырмалылық сияқты басқа да ауырлық теориялары емес конформды ауырлық күші істеу. Өріс теориясының «әрекеті» - бұл өзгермейтін теорияның барлық симметриялары бойынша. Қазіргі теориялық физиканың көп бөлігі Әлемнің әртүрлі симметрияларын болжауға және өрістер теорияларын модель ретінде құрудың инварианттарын табуға байланысты.

Жолдық теорияларда, жолды бөлшектердің өрістерінің шексіз көптігіне айналдыруға болатындықтан, жолдар парағындағы симметриялар өрістердің шексіз санын араластыратын арнайы түрлендірулерге тең.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

Жалпы оқырмандар

  • Леон Ледерман және Кристофер Т. Хилл (2005) Симметрия және әдемі әлем. Amherst NY: Prometheus кітаптары.
  • Шумм, Брюс (2004) Deep Down Things. Джон Хопкинс Унив. Түймесін басыңыз.
  • Виктор Дж. Стенгер (2000) Уақыт шындығы: симметрия, қарапайымдылық және бірнеше университеттер. Buffalo NY: Prometheus Books. Chpt. 12 - симметрия, инварианттық және сақталу заңдарымен жұмсақ кіріспе.
  • Энтони Зи (2007) Қорқынышты симметрия: Қазіргі физикадан сұлулықты іздеу, 2-ші басылым Принстон университетінің баспасы. ISBN  978-0-691-00946-9. 1986 1-ші басылым Макмиллан жариялады.

Техникалық оқырмандар

  • Brading, K. және Castellani, E., редакциялары. (2003) Физикадағы симметриялар: философиялық ойлар. Кембридж Университеті. Түймесін басыңыз.
  • -------- (2007) «Классикалық физикадағы симметриялар мен инварианттар», Баттерфилд, Дж., Және Джон Эрман, ред., Физика философиясы B бөлімі. Солтүстік Голландия: 1331-68.
  • Дебс, Т. және Редхед, М. (2007) Объективтілік, инварианттық және конвенция: физика ғылымындағы симметрия. Гарвард Унив. Түймесін басыңыз.
  • Джон Эрман (2002) "Заңдар, симметрия және симметрияның бұзылуы: айырмашылық, консервация принциптері және объективтілік. «2002 жылғы мәжіліске үндеу Ғылым философиясы.
  • Г.Кальмбах Х.Е: Кванттық математика: WIGRIS. RGN басылымдары, Дели, 2014 ж
  • Mainzer, K. (1996) Табиғат симметриялары. Берлин: Де Грюйтер.
  • Мучет, А. «Симметрияның төрт қыры туралы ойлар: физика рационалды ойлауды қалай көрсетеді». Еуропалық физикалық журнал H 38 (2013) 661 hal.archives-uvertes.fr:hal-00637572
  • Томпсон, Уильям Дж. (1994) Бұрыштық импульс: Физикалық жүйелер үшін айналмалы симметрияларды бейнелейтін нұсқаулық. Вили. ISBN  0-471-55264-X.
  • Бас Ван Фрассен (1989) Заңдар мен симметрия. Оксфорд Унив. Түймесін басыңыз.
  • Евгений Вигнер (1967) Симметрия және шағылысу. Индиана Унив. Түймесін басыңыз.

Сыртқы сілтемелер