O mundo natural é um lugar complexo. As harmonias permitem que as pessoas e os cientistas distingam a ordem nelas. Na física, há muito se entende que o princípio da simetria está intimamente relacionado às leis de conservação. As três regras mais famosas são: conservação de energia, quantidade de movimento e quantidade de movimento. A persistência da pressão é consequência do fato de que as atitudes da natureza não mudam em nenhum intervalo. Por exemplo, na lei da gravidade de Newton, pode-se imaginar que GN, a constante gravitacional, depende do tempo.
Neste caso, nenhuma energia será economizada. A partir de pesquisas experimentais por violações de conservação de energia, limites estritos podem ser colocados em qualquer mudança ao longo do tempo. Este princípio de simetria é bastante amplo e é aplicado tanto na mecânica quântica quanto na mecânica clássica. Os físicos às vezes se referem a esse parâmetro como a homogeneidade do tempo. Da mesma forma, a conservação do momento é uma consequência do fato de que não há lugar especial. Mesmo que o mundo seja descrito em termos de coordenadas cartesianas, as leis da natureza não se importarão com isso.considere a fonte.
Esta simetria é chamada de "invariância translacional" ou homogeneidade do espaço. Finalmente, a conservação do momento angular está relacionada ao princípio familiar da harmonia na vida cotidiana. As leis da natureza são invariáveis sob rotações. Por exemplo, não só não importa como uma pessoa escolhe a origem das coordenadas, mas também não importa como ela escolhe a orientação dos eixos.
Classe discreta
O princípio da simetria espaço-tempo, deslocamento e rotação são chamados de harmonias contínuas, porque você pode mover os eixos coordenados por qualquer quantidade arbitrária e girar por um ângulo arbitrário. A outra classe é chamada discreta. Um exemplo de harmonia são os reflexos em um espelho e a paridade. As leis de Newton também têm esse princípio de simetria bilateral. Basta observar o movimento de um objeto caindo em um campo gravitacional e depois estudar o mesmo movimento em um espelho.
Embora a trajetória seja diferente, ela obedece às leis de Newton. Isso é familiar para qualquer um que já esteve na frente de um espelho limpo e bem polido e está confuso sobre onde estava o objeto e onde estava a imagem do espelho. Outra maneira de descrever esse princípio de simetria é a semelhança entre a esquerda e o oposto. Por exemplo, as coordenadas cartesianas tridimensionais são geralmente escritas de acordo com a "regra da mão direita". Ou seja, o fluxo positivo ao longo do eixo z está na direção em que o polegar está apontando se a pessoa girar a mão direita em torno de z, começando em x Oy e se movendo em direção a x.
Não convencionalsistema de coordenadas 2 é oposta. Nele, o eixo Z indica a direção em que a mão esquerda estará. A afirmação de que as leis de Newton são invariantes significa que uma pessoa pode usar qualquer sistema de coordenadas, e as regras da natureza parecem as mesmas. E também vale a pena notar que a simetria de paridade geralmente é denotada pela letra P. Agora vamos passar para a próxima pergunta.
Operações e tipos de simetria, princípios de simetria
A paridade não é a única proporcionalidade discreta de interesse para a ciência. O outro é chamado de mudança de tempo. Na mecânica newtoniana, pode-se imaginar uma gravação em vídeo de um objeto caindo sob a força da gravidade. Depois disso, você precisa considerar a execução do vídeo ao contrário. Tanto os movimentos "para frente no tempo" quanto os "para trás" obedecerão às leis de Newton (o movimento reverso pode descrever uma situação pouco plausível, mas não violará as leis). A reversão do tempo é geralmente indicada pela letra T.
Conjugação de carga
Para cada partícula conhecida (elétron, próton, etc.) existe uma antipartícula. Tem exatamente a mesma massa, mas a carga elétrica oposta. A antipartícula de um elétron é chamada de pósitron. Um próton é um antipróton. Recentemente, o anti-hidrogênio foi produzido e estudado. A conjugação de carga é uma simetria entre partículas e suas antipartículas. Obviamente não são iguais. Mas o princípio da simetria significa que, por exemplo, o comportamento de um elétron em um campo elétrico é idêntico às ações de um pósitron no fundo oposto. A conjugação de carga é indicadaletra C.
Essas simetrias, porém, não são proporções exatas das leis da natureza. Em 1956, experimentos mostraram inesperadamente que em um tipo de radioatividade chamado decaimento beta, havia uma assimetria entre a esquerda e a direita. Foi estudado pela primeira vez nos decaimentos de núcleos atômicos, mas é mais facilmente descrito na decomposição do méson π carregado negativamente, outra partícula de interação forte.
Ele, por sua vez, se decompõe em um múon ou em um elétron e seu antineutrino. Mas os decaimentos em uma determinada carga são muito raros. Isso se deve (através de um argumento que usa a relatividade especial) ao fato de que um conceito sempre emerge com sua rotação paralela à sua direção de movimento. Se a natureza fosse simétrica entre a esquerda e a direita, encontraríamos o meio tempo do neutrino com seu spin paralelo e a parte com seu antiparalelo.
Isso se deve ao fato de que no espelho a direção do movimento não é modificada, mas sim pela rotação. Associado a isso está o méson π + carregado positivamente, a antipartícula π -. Ele decai em um neutrino de elétron com um spin paralelo ao seu momento. Esta é a diferença entre o seu comportamento. Suas antipartículas são um exemplo de quebra de conjugação de carga.
Após essas descobertas, questionou-se se a invariância de reversão no tempo T havia sido violada. De acordo com os princípios gerais da mecânica quântica e da relatividade, a violação de T está relacionada a C × P, produto da conjugação de encargos e paridade. SR, se este é um bom princípio de simetria significa que o decaimento π + → e + + ν deve seguir o mesmovelocidade como π - → e - +. Em 1964, um exemplo de um processo que viola CP foi descoberto envolvendo outro conjunto de partículas de interação forte chamadas Kmesons. Acontece que esses grãos têm propriedades especiais que nos permitem medir uma leve violação do CP. Não foi até 2001 que a ruptura SR foi convincentemente medida nos decaimentos de outro conjunto, mésons B.
Esses resultados mostram claramente que a ausência de simetria é muitas vezes tão interessante quanto a presença dela. De fato, logo após a descoberta da violação do SR, Andrei Sakharov observou que é um componente necessário nas leis da natureza para entender a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo.
Princípios
Até agora acredita-se que a combinação de CPT, conjugação de carga, paridade, reversão de tempo, são preservadas. Isso decorre dos princípios bastante gerais da relatividade e da mecânica quântica, e foi confirmado por estudos experimentais até o momento. Se alguma violação desta simetria for encontrada, terá consequências profundas.
Até agora, as proporções em discussão são importantes porque levam a leis de conservação ou relações entre taxas de reação entre partículas. Existe outra classe de simetrias que determina muitas das forças entre as partículas. Essas proporcionalidades são conhecidas como proporcionalidades locais ou de calibre.
Uma tal simetria leva a interações eletromagnéticas. A outra, na conclusão de Einstein, à gravidade. Ao expor seu princípio deNa teoria da relatividade, o cientista argumentou que as leis da natureza deveriam estar disponíveis não apenas para que fossem invariantes, por exemplo, ao girar as coordenadas simultaneamente em todos os lugares do espaço, mas com qualquer mudança.
A matemática para descrever este fenômeno foi desenvolvida por Friedrich Riemann e outros no século XIX. Einstein adaptou parcialmente e reinventou alguns para suas próprias necessidades. Acontece que para escrever equações (leis) que obedecem a esse princípio, é necessário introduzir um campo que seja em muitos aspectos semelhante ao eletromagnético (exceto que tem um spin de dois). Ele conecta corretamente a lei da gravidade de Newton a coisas que não são muito massivas, movendo-se rapidamente ou soltas. Para sistemas que são assim (comparados à velocidade da luz), a relatividade geral leva a muitos fenômenos exóticos, como buracos negros e ondas gravitacionais. Tudo isso decorre da noção bastante inócua de Einstein.
Matemática e outras ciências
Os princípios de simetria e leis de conservação que levam à eletricidade e ao magnetismo são outro exemplo de proporcionalidade local. Para entrar nisso, é preciso recorrer à matemática. Na mecânica quântica, as propriedades de um elétron são descritas pela "função de onda" ψ(x). É essencial para o trabalho que ψ seja um número complexo. Ele, por sua vez, sempre pode ser escrito como o produto de um número real, ρ, e períodos, e iθ. Por exemplo, na mecânica quântica, você pode multiplicar a função de onda pela fase constante, sem nenhum efeito.
Mas se o princípio da simetriareside em algo mais forte, que as equações não dependem dos estágios (mais precisamente, se houver muitas partículas com cargas diferentes, como na natureza, a combinação específica não é importante), é necessário, como na relatividade geral, introduzir um conjunto diferente de campos. Essas zonas são eletromagnéticas. A aplicação deste princípio de simetria requer que o campo obedeça às equações de Maxwell. Isso é importante.
Hoje, entende-se que todas as interações do Modelo Padrão seguem tais princípios de simetria de calibre local. A existência das bandas W e Z, bem como suas massas, meias-vidas e outras propriedades semelhantes, foram previstas com sucesso como consequência desses princípios.
Números imensuráveis
Por várias razões, foi proposta uma lista de outros princípios de simetria possíveis. Um desses modelos hipotéticos é conhecido como supersimetria. Foi proposto por dois motivos. Em primeiro lugar, pode explicar um enigma antigo: "Por que existem tão poucos números adimensionais nas leis da natureza."
Por exemplo, quando Planck introduziu sua constante h, ele percebeu que ela poderia ser usada para escrever uma quantidade com dimensões de massa, começando com a constante de Newton. Esse número agora é conhecido como valor de Planck.
O grande físico quântico Paul Dirac (que previu a existência da antimatéria) deduziu o "problema dos grandes números". Acontece que postular essa natureza da supersimetria pode ajudar a resolver o problema. A supersimetria também é essencial para entender como os princípios da relatividade geral podemser consistente com a mecânica quântica.
O que é supersimetria?
Este parâmetro, se existir, relaciona férmions (partículas com spin semi-inteiro que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli) a bósons (partículas com spin inteiro que obedecem à chamada estatística de Bose, o que leva ao comportamento dos lasers e condensados de Bose). No entanto, à primeira vista, parece tolice propor tal simetria, pois se ela ocorresse na natureza, seria de se esperar que para cada férmion houvesse um bóson com exatamente a mesma massa e vice-versa.
Em outras palavras, além do conhecido elétron, deve haver uma partícula chamada seletora, que não tem spin e não obedece ao princípio de exclusão, mas em todos os outros aspectos é igual ao elétron. Da mesma forma, um fóton deve se referir a outra partícula com spin 1/2 (que obedece ao princípio de exclusão, como um elétron) com massa zero e propriedades muito parecidas com os fótons. Tais partículas não foram encontradas. Acontece, no entanto, que esses fatos podem ser reconciliados, e isso leva a um último ponto sobre simetria.
Espaço
As proporções podem ser proporções das leis da natureza, mas não necessariamente precisam se manifestar no mundo ao redor. O espaço ao redor não é uniforme. Está cheio de todo tipo de coisas que estão em certos lugares. No entanto, pela conservação do momento, o homem sabe que as leis da natureza são simétricas. Mas em algumas circunstâncias a proporcionalidade"espontaneamente quebrado". Na física de partículas, este termo é usado de forma mais restrita.
Se diz que a simetria é quebrada espontaneamente se o estado de energia mais baixo não for comensurável.
Esse fenômeno ocorre em muitos casos na natureza:
- Em ímãs permanentes, onde o alinhamento dos spins que causa o magnetismo no estado de energia mais baixo quebra a invariância rotacional.
- Nas interações dos mésons π, que embotam a proporcionalidade chamada quiral.
A questão: "A supersimetria existe em um estado tão quebrado" é agora objeto de intensa pesquisa experimental. Ocupa a mente de muitos cientistas.
Princípios de simetria e leis de conservação de quantidades físicas
Na ciência, esta regra afirma que uma propriedade mensurável particular de um sistema isolado não muda à medida que evolui ao longo do tempo. As leis de conservação exatas incluem as reservas de energia, momento linear, seu momento e carga elétrica. Existem também muitas regras de abandono aproximado que se aplicam a quantidades como massas, paridade, número de léptons e bariônicos, estranheza, hiperzário, etc. Essas quantidades são conservadas em certas classes de processos físicos, mas não em todos.
Teorema de Noether
A lei local é geralmente expressa matematicamente como uma equação de continuidade diferencial parcial que fornece a razão entre quantidade quantidade esua transferência. Ele afirma que o número armazenado em um ponto ou volume só pode ser alterado por aquele que entra ou sai do volume.
Do teorema de Noether: toda lei de conservação está relacionada ao princípio básico da simetria na física.
Regras são consideradas normas fundamentais da natureza com ampla aplicação nesta ciência, bem como em outros campos como química, biologia, geologia e engenharia.
A maioria das leis são precisas ou absolutas. No sentido de que se aplicam a todos os processos possíveis. Pelo teorema de Noether, os princípios de simetria são parciais. No sentido de que são válidos para alguns processos, mas não para outros. Ela também afirma que existe uma correspondência biunívoca entre cada um deles e a proporcionalidade diferenciável da natureza.
Resultados particularmente importantes são: o princípio da simetria, as leis de conservação, o teorema de Noether.
