Le monde naturel est un endroit complexe. Les harmonies permettent aux gens et aux scientifiques d'en distinguer l'ordre. En physique, on a compris depuis longtemps que le principe de symétrie est étroitement lié aux lois de conservation. Les trois règles les plus connues sont: la conservation de l'énergie, la quantité de mouvement et la quantité de mouvement. La persistance de la pression est une conséquence du fait que les attitudes de la nature ne changent à aucun intervalle. Par exemple, dans la loi de gravité de Newton, on peut imaginer que GN, la constante gravitationnelle, dépend du temps.
Dans ce cas, aucune énergie ne sera économisée. À partir de recherches expérimentales sur les violations de la conservation de l'énergie, des limites strictes peuvent être imposées à tout changement dans le temps. Ce principe de symétrie est assez large et s'applique aussi bien en mécanique quantique qu'en mécanique classique. Les physiciens appellent parfois ce paramètre l'homogénéité du temps. De même, la conservation de la quantité de mouvement est une conséquence du fait qu'il n'y a pas de place spéciale. Même si le monde est décrit en termes de coordonnées cartésiennes, les lois de la nature ne se soucieront pas queconsidérez la source.
Cette symétrie est appelée "invariance translationnelle" ou homogénéité de l'espace. Enfin, la conservation du moment cinétique est liée au principe familier de l'harmonie dans la vie quotidienne. Les lois de la nature sont invariantes par rotation. Par exemple, non seulement la manière dont une personne choisit l'origine des coordonnées n'a pas d'importance, mais la manière dont elle choisit l'orientation des axes n'a pas d'importance.
Classe discrète
Le principe de la symétrie, du décalage et de la rotation de l'espace-temps est appelé harmonie continue, car vous pouvez déplacer les axes de coordonnées de n'importe quelle quantité arbitraire et faire pivoter d'un angle arbitraire. L'autre classe est appelée discrète. Un exemple d'harmonie est à la fois les reflets dans un miroir et la parité. Les lois de Newton ont aussi ce principe de symétrie bilatérale. Il suffit d'observer le mouvement d'un objet tombant dans un champ gravitationnel, puis d'étudier le même mouvement dans un miroir.
Bien que la trajectoire soit différente, elle obéit aux lois de Newton. Ceci est familier à tous ceux qui se sont déjà tenus devant un miroir propre et bien poli et qui ne savent pas où se trouvait l'objet et où se trouvait l'image du miroir. Une autre façon de décrire ce principe de symétrie est la similitude entre gauche et opposé. Par exemple, les coordonnées cartésiennes tridimensionnelles sont généralement écrites selon la «règle de la main droite». Autrement dit, le flux positif le long de l'axe z se situe dans la direction vers laquelle pointe le pouce si la personne tourne sa main droite autour de z, en commençant à x Oy et en se déplaçant vers x.
Non conventionnelle système de coordonnées 2 est opposé. Sur celui-ci, l'axe Z indique la direction dans laquelle se trouvera la main gauche. L'affirmation selon laquelle les lois de Newton sont invariantes signifie qu'une personne peut utiliser n'importe quel système de coordonnées et que les règles de la nature se ressemblent. Et il convient également de noter que la symétrie de parité est généralement désignée par la lettre P. Passons maintenant à la question suivante.
Opérations et types de symétrie, principes de symétrie
La parité n'est pas la seule proportionnalité discrète qui intéresse la science. L'autre s'appelle le changement d'heure. En mécanique newtonienne, on peut imaginer un enregistrement vidéo d'un objet tombant sous la force de gravité. Après cela, vous devez envisager d'exécuter la vidéo en sens inverse. Les mouvements "en avant dans le temps" et "en arrière" obéiront aux lois de Newton (le mouvement inverse peut décrire une situation qui n'est pas très plausible, mais il ne violera pas les lois). L'inversion du temps est généralement désignée par la lettre T.
Conjugaison de charge
Pour chaque particule connue (électron, proton, etc.) il existe une antiparticule. Il a exactement la même masse, mais la charge électrique opposée. L'antiparticule d'un électron s'appelle un positron. Un proton est un antiproton. Récemment, l'antihydrogène a été produit et étudié. La conjugaison de charge est une symétrie entre les particules et leurs antiparticules. De toute évidence, ce ne sont pas les mêmes. Mais le principe de symétrie signifie que, par exemple, le comportement d'un électron dans un champ électrique est identique aux actions d'un positron dans le fond opposé. La conjugaison de charge est notéelettre C.
Ces symétries, cependant, ne sont pas des proportions exactes des lois de la nature. En 1956, des expériences ont montré de manière inattendue que dans un type de radioactivité appelé désintégration bêta, il y avait une asymétrie entre la gauche et la droite. Il a d'abord été étudié dans les désintégrations des noyaux atomiques, mais il est plus facilement décrit dans la décomposition du méson π chargé négativement, une autre particule à forte interaction.
Il se décompose à son tour soit en un muon, soit en un électron et son antineutrino. Mais les désintégrations sur une charge donnée sont très rares. Cela est dû (par un argument qui utilise la relativité restreinte) au fait qu'un concept émerge toujours avec sa rotation parallèle à sa direction de mouvement. Si la nature était symétrique entre la gauche et la droite, on trouverait la moitié du temps du neutrino avec son spin parallèle et la partie avec son antiparallèle.
Cela est dû au fait que dans le miroir le sens du mouvement n'est pas modifié, mais par rotation. Associé à cela est le méson π + chargé positivement, l'antiparticule π -. Il se désintègre en un neutrino électronique avec un spin parallèle à son impulsion. C'est la différence entre son comportement. Ses antiparticules sont un exemple de rupture de conjugaison de charge.
Après ces découvertes, la question s'est posée de savoir si l'invariance par inversion du temps T avait été violée. Selon les principes généraux de la mécanique quantique et de la relativité, la violation de T est liée à C × P, le produit de conjugaison de charges et parité. SR, si c'est un bon principe de symétrie signifie que la décroissance π + → e + + ν doit aller avec le mêmevitesse comme π - → e - +. En 1964, un exemple de processus qui viole le CP a été découvert impliquant un autre ensemble de particules en interaction forte appelées Kmesons. Il s'avère que ces grains ont des propriétés particulières qui nous permettent de mesurer une légère violation de CP. Ce n'est qu'en 2001 que la perturbation du SR a été mesurée de manière convaincante dans les désintégrations d'un autre ensemble, les mésons B.
Ces résultats montrent clairement que l'absence de symétrie est souvent tout aussi intéressante que sa présence. En effet, peu de temps après la découverte de la violation de SR, Andrei Sakharov a noté qu'il s'agissait d'un élément nécessaire dans les lois de la nature pour comprendre la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l'univers.
Principes
Jusqu'à présent, on pense que la combinaison de CPT, conjugaison de charge, parité, inversion du temps, est préservée. Cela découle des principes plutôt généraux de la relativité et de la mécanique quantique, et a été confirmé par des études expérimentales à ce jour. Si une violation de cette symétrie est constatée, elle aura de profondes conséquences.
Jusqu'à présent, les proportions en question sont importantes dans la mesure où elles conduisent à des lois de conservation ou à des relations entre les taux de réaction entre les particules. Il existe une autre classe de symétries qui détermine en fait de nombreuses forces entre les particules. Ces proportionnalités sont appelées proportionnalités locales ou de jauge.
Une telle symétrie conduit à des interactions électromagnétiques. L'autre, dans la conclusion d'Einstein, à la gravité. En exposant son principe de généralitéEn théorie de la relativité, le scientifique a fait valoir que les lois de la nature devraient être disponibles non seulement pour qu'elles soient invariantes, par exemple, lors de la rotation simultanée de coordonnées partout dans l'espace, mais avec tout changement.
Les mathématiques pour décrire ce phénomène ont été développées par Friedrich Riemann et d'autres au XIXe siècle. Einstein en a partiellement adapté et réinventé certains pour ses propres besoins. Il s'avère que pour écrire des équations (lois) qui obéissent à ce principe, il est nécessaire d'introduire un champ qui est à bien des égards similaire à l'électromagnétique (sauf qu'il a un spin de deux). Il relie correctement la loi de gravité de Newton à des choses qui ne sont pas trop massives, qui se déplacent rapidement ou lâches. Pour les systèmes qui le sont (par rapport à la vitesse de la lumière), la relativité générale conduit à de nombreux phénomènes exotiques tels que les trous noirs et les ondes gravitationnelles. Tout cela découle de la notion plutôt anodine d'Einstein.
Mathématiques et autres sciences
Les principes de symétrie et les lois de conservation qui conduisent à l'électricité et au magnétisme sont un autre exemple de proportionnalité locale. Pour y entrer, il faut se tourner vers les mathématiques. En mécanique quantique, les propriétés d'un électron sont décrites par la "fonction d'onde" ψ(x). Il est essentiel pour le travail que ψ soit un nombre complexe. Il, à son tour, peut toujours être écrit comme le produit d'un nombre réel, ρ, et de périodes, e iθ. Par exemple, en mécanique quantique, vous pouvez multiplier la fonction d'onde par la phase constante, sans effet.
Mais si le principe de symétrierepose sur quelque chose de plus fort, que les équations ne dépendent pas des étapes (plus précisément, s'il y a beaucoup de particules avec des charges différentes, comme dans la nature, la combinaison spécifique n'a pas d'importance), il faut, comme en relativité générale, introduire un ensemble de champs différent. Ces zones sont électromagnétiques. L'application de ce principe de symétrie nécessite que le champ obéisse aux équations de Maxwell. C'est important.
Aujourd'hui, toutes les interactions du modèle standard sont censées découler de ces principes de symétrie de jauge locale. L'existence des bandes W et Z, ainsi que leurs masses, demi-vies et autres propriétés similaires, ont été prédites avec succès grâce à ces principes.
Nombres incommensurables
Pour un certain nombre de raisons, une liste d'autres principes de symétrie possibles a été proposée. Un tel modèle hypothétique est connu sous le nom de supersymétrie. Il a été proposé pour deux raisons. Tout d'abord, cela peut expliquer une énigme de longue date: "Pourquoi y a-t-il très peu de nombres sans dimension dans les lois de la nature."
Par exemple, lorsque Planck a introduit sa constante h, il s'est rendu compte qu'elle pouvait être utilisée pour écrire une quantité avec des dimensions de masse, en commençant par la constante de Newton. Ce nombre est maintenant connu sous le nom de valeur de Planck.
Le grand physicien quantique Paul Dirac (qui a prédit l'existence de l'antimatière) en a déduit le "problème des grands nombres". Il s'avère que postuler cette nature de supersymétrie peut aider à résoudre le problème. La supersymétrie est également essentielle pour comprendre comment les principes de la relativité générale peuventêtre cohérent avec la mécanique quantique.
Qu'est-ce que la supersymétrie ?
Ce paramètre, s'il existe, relie les fermions (particules à spin demi-entier qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli) aux bosons (particules à spin entier qui obéissent aux statistiques dites de Bose, ce qui conduit au comportement des lasers et condensats de Bose). Cependant, à première vue, il semble idiot de proposer une telle symétrie, car si elle devait se produire dans la nature, on s'attendrait à ce que pour chaque fermion il y ait un boson avec exactement la même masse, et vice versa.
En d'autres termes, en plus de l'électron familier, il doit y avoir une particule appelée sélecteur, qui n'a pas de spin et n'obéit pas au principe d'exclusion, mais à tous autres égards, c'est la même chose que l'électron. De même, un photon devrait faire référence à une autre particule de spin 1/2 (qui obéit au principe d'exclusion, comme un électron) avec une masse nulle et des propriétés similaires aux photons. De telles particules n'ont pas été trouvées. Il s'avère cependant que ces faits peuvent être conciliés, ce qui conduit à un dernier point sur la symétrie.
Espace
Les proportions peuvent être des proportions des lois de la nature, mais ne doivent pas nécessairement se manifester dans le monde environnant. L'espace autour n'est pas uniforme. Il est rempli de toutes sortes de choses qui se trouvent à certains endroits. Néanmoins, de par la conservation de la quantité de mouvement, l'homme sait que les lois de la nature sont symétriques. Mais dans certaines circonstances, la proportionnalité"spontanément cassé". En physique des particules, ce terme est utilisé de manière plus étroite.
La symétrie est dite spontanément brisée si l'état d'énergie le plus bas n'est pas proportionnel.
Ce phénomène se produit dans de nombreux cas dans la nature:
- Dans les aimants permanents, où l'alignement des spins qui provoque le magnétisme dans l'état d'énergie le plus bas rompt l'invariance rotationnelle.
- Dans les interactions des mésons π, qui émoussent la proportionnalité dite chirale.
La question: "La supersymétrie existe-t-elle dans un état aussi brisé ?" fait maintenant l'objet d'intenses recherches expérimentales. Il occupe l'esprit de nombreux scientifiques.
Principes de symétrie et lois de conservation des grandeurs physiques
En science, cette règle stipule qu'une propriété mesurable particulière d'un système isolé ne change pas au cours de son évolution dans le temps. Les lois de conservation exactes incluent les réserves d'énergie, la quantité de mouvement linéaire, sa quantité de mouvement et la charge électrique. Il existe également de nombreuses règles d'abandon approximatif qui s'appliquent à des quantités telles que les masses, la parité, le nombre de leptons et de baryons, l'étrangeté, l'hyperzaire, etc. Ces quantités sont conservées dans certaines classes de processus physiques, mais pas dans toutes.
Théorème de Noether
La loi locale est généralement exprimée mathématiquement sous la forme d'une équation de continuité aux dérivées partielles qui donne le rapport entre la quantité etson transfert. Il stipule que le nombre stocké dans un point ou un volume ne peut être modifié que par celui qui entre ou sort du volume.
D'après le théorème de Noether: toute loi de conservation est liée au principe de base de la symétrie en physique.
Les règles sont considérées comme des normes fondamentales de la nature avec une large application dans cette science, ainsi que dans d'autres domaines tels que la chimie, la biologie, la géologie et l'ingénierie.
La plupart des lois sont précises ou absolues. En ce sens qu'elles s'appliquent à tous les processus possibles. D'après le théorème de Noether, les principes de symétrie sont partiels. En ce sens qu'elles sont valables pour certains processus, mais pas pour d'autres. Elle déclare également qu'il existe une correspondance biunivoque entre chacun d'eux et la proportionnalité différentiable de la nature.
Les résultats particulièrement importants sont: le principe de symétrie, les lois de conservation, le théorème de Noether.
