Dunia alami adalah tempat yang kompleks. Harmoni memungkinkan orang dan ilmuwan membedakan keteraturan di dalamnya. Dalam fisika, telah lama dipahami bahwa prinsip simetri erat kaitannya dengan hukum kekekalan. Tiga aturan yang paling terkenal adalah: kekekalan energi, momentum dan momentum. Bertahannya tekanan adalah konsekuensi dari fakta bahwa sikap alam tidak berubah pada interval apapun. Misalnya, dalam hukum gravitasi Newton, dapat dibayangkan bahwa GN, konstanta gravitasi, bergantung pada waktu.
Dalam hal ini tidak ada energi yang akan dihemat. Dari penelusuran eksperimental untuk pelanggaran konservasi energi, batasan ketat dapat diterapkan pada setiap perubahan tersebut dari waktu ke waktu. Prinsip simetri ini cukup luas dan diterapkan dalam kuantum serta mekanika klasik. Fisikawan terkadang menyebut parameter ini sebagai homogenitas waktu. Demikian pula, kekekalan momentum adalah konsekuensi dari kenyataan bahwa tidak ada tempat khusus. Bahkan jika dunia digambarkan dalam koordinat Cartesian, hukum alam tidak akan peduli itupertimbangkan sumbernya.
Simetri ini disebut "translational invariance" atau homogenitas ruang. Akhirnya, kekekalan momentum sudut terkait dengan prinsip harmoni yang sudah dikenal dalam kehidupan sehari-hari. Hukum alam tidak berubah di bawah rotasi. Misalnya, tidak hanya tidak masalah bagaimana seseorang memilih asal koordinat, tetapi juga tidak masalah bagaimana dia memilih orientasi sumbu.
Kelas diskrit
Prinsip simetri, pergeseran, dan rotasi ruang-waktu disebut harmoni kontinu, karena Anda dapat menggerakkan sumbu koordinat dengan jumlah sembarang dan memutar dengan sudut sembarang. Kelas lain disebut diskrit. Contoh harmoni adalah pantulan di cermin dan paritas. Hukum Newton juga memiliki prinsip simetri bilateral ini. Kita hanya perlu mengamati gerakan sebuah benda yang jatuh dalam medan gravitasi, dan kemudian mempelajari gerakan yang sama di cermin.
Meskipun lintasannya berbeda, ia mematuhi hukum Newton. Ini tidak asing bagi siapa saja yang pernah berdiri di depan cermin yang bersih dan dipoles dengan baik dan bingung tentang di mana objek itu berada dan di mana bayangan cermin itu berada. Cara lain untuk menggambarkan prinsip simetri ini adalah kesamaan antara kiri dan berlawanan. Misalnya, koordinat Cartesian tiga dimensi biasanya ditulis menurut "aturan tangan kanan". Artinya, aliran positif sepanjang sumbu z terletak pada arah yang ditunjuk ibu jari jika orang tersebut memutar tangan kanannya mengelilingi z, mulai dari x Oy dan bergerak menuju x.
Tidak konvensionalsistem koordinat 2 berlawanan. Di atasnya, sumbu Z menunjukkan arah di mana tangan kiri akan berada. Pernyataan bahwa hukum Newton adalah invarian berarti bahwa seseorang dapat menggunakan sistem koordinat apa pun, dan aturan alam terlihat sama. Dan perlu diperhatikan juga bahwa simetri paritas biasanya dilambangkan dengan huruf P. Sekarang mari kita beralih ke pertanyaan berikutnya.
Operasi dan jenis simetri, prinsip simetri
Paritas bukan satu-satunya proporsionalitas diskrit yang menarik bagi sains. Yang lainnya disebut perubahan waktu. Dalam mekanika Newton, seseorang dapat membayangkan rekaman video dari sebuah objek yang jatuh di bawah gaya gravitasi. Setelah itu, Anda perlu mempertimbangkan untuk menjalankan video secara terbalik. Baik gerakan "maju dalam waktu" dan "mundur" akan mematuhi hukum Newton (gerakan mundur mungkin menggambarkan situasi yang sangat tidak masuk akal, tetapi tidak akan melanggar hukum). Pembalikan waktu biasanya dilambangkan dengan huruf T.
Konjugasi muatan
Untuk setiap partikel yang diketahui (elektron, proton, dll.) ada antipartikel. Ia memiliki massa yang persis sama, tetapi muatan listriknya berlawanan. Antipartikel elektron disebut positron. Proton adalah antiproton. Baru-baru ini, antihidrogen telah diproduksi dan dipelajari. Konjugasi muatan adalah simetri antara partikel dan antipartikelnya. Jelas mereka tidak sama. Tetapi prinsip simetri berarti bahwa, misalnya, perilaku elektron dalam medan listrik identik dengan tindakan positron di latar belakang yang berlawanan. Konjugasi muatan dilambangkanhuruf C.
Kesimetrian ini, bagaimanapun, bukanlah proporsi yang tepat dari hukum alam. Pada tahun 1956, eksperimen secara tak terduga menunjukkan bahwa dalam jenis radioaktivitas yang disebut peluruhan beta, ada asimetri antara kiri dan kanan. Ini pertama kali dipelajari dalam peluruhan inti atom, tetapi paling mudah dijelaskan dalam dekomposisi meson bermuatan negatif, partikel lain yang berinteraksi kuat.
Ini, pada gilirannya, terurai menjadi muon, atau menjadi elektron dan antineutrinonya. Tetapi peluruhan pada muatan tertentu sangat jarang. Hal ini disebabkan (melalui argumen yang menggunakan relativitas khusus) pada fakta bahwa suatu konsep selalu muncul dengan rotasi sejajar dengan arah geraknya. Jika alam simetris antara kiri dan kanan, orang akan menemukan waktu paruh neutrino dengan putarannya paralel dan bagian dengan antiparalelnya.
Hal ini disebabkan fakta bahwa di cermin arah gerakan tidak diubah, tetapi dengan rotasi. Terkait dengan ini adalah + meson bermuatan positif, antipartikel π -. Ia meluruh menjadi neutrino elektron dengan putaran paralel terhadap momentumnya. Inilah perbedaan antara perilakunya. Antipartikelnya adalah contoh pemutusan konjugasi muatan.
Setelah penemuan ini, muncul pertanyaan apakah invarians pembalikan waktu T telah dilanggar Menurut prinsip umum mekanika kuantum dan relativitas, pelanggaran T terkait dengan C × P, produk konjugasi dari biaya dan paritas. SR, jika ini adalah prinsip simetri yang baik berarti peluruhan + → e + + harus berjalan dengan samakecepatan sebagai - → e - +. Pada tahun 1964, sebuah contoh proses yang melanggar CP ditemukan melibatkan kumpulan partikel lain yang berinteraksi kuat yang disebut Kmesons. Ternyata butiran ini memiliki sifat khusus yang memungkinkan kita untuk mengukur sedikit pelanggaran CP. Baru pada tahun 2001 gangguan SR secara meyakinkan diukur dalam peluruhan himpunan lain, meson B.
Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa ketiadaan simetri seringkali sama menariknya dengan kehadirannya. Memang, segera setelah penemuan pelanggaran SR, Andrei Sakharov mencatat bahwa itu adalah komponen penting dalam hukum alam untuk memahami dominasi materi atas antimateri di alam semesta.
Prinsip
Sampai sekarang diyakini bahwa kombinasi CPT, konjugasi muatan, paritas, pembalikan waktu, dipertahankan. Ini mengikuti prinsip relativitas dan mekanika kuantum yang agak umum, dan telah dikonfirmasi oleh studi eksperimental hingga saat ini. Jika ada pelanggaran simetri ini ditemukan, itu akan memiliki konsekuensi yang besar.
Sejauh ini, proporsi yang dibahas penting karena mengarah pada hukum kekekalan atau hubungan antara laju reaksi antar partikel. Ada kelas simetri lain yang sebenarnya menentukan banyak gaya antar partikel. Proporsionalitas ini dikenal sebagai proporsionalitas lokal atau ukuran.
Satu simetri seperti itu mengarah pada interaksi elektromagnetik. Yang lain, dalam kesimpulan Einstein, untuk gravitasi. Dalam meletakkan prinsip umum nyaDalam teori relativitas, ilmuwan berpendapat bahwa hukum alam harus tersedia tidak hanya agar tidak berubah, misalnya, ketika koordinat berputar secara bersamaan di mana-mana di ruang angkasa, tetapi dengan perubahan apa pun.
Matematika untuk menggambarkan fenomena ini dikembangkan oleh Friedrich Riemann dan lainnya pada abad kesembilan belas. Einstein sebagian mengadaptasi dan menemukan kembali beberapa untuk kebutuhannya sendiri. Ternyata untuk menulis persamaan (hukum) yang mematuhi prinsip ini, perlu untuk memperkenalkan medan yang dalam banyak hal mirip dengan elektromagnetik (kecuali bahwa ia memiliki putaran dua). Ini dengan benar menghubungkan hukum gravitasi Newton dengan hal-hal yang tidak terlalu masif, bergerak cepat atau longgar. Untuk sistem yang demikian (dibandingkan dengan kecepatan cahaya), relativitas umum menyebabkan banyak fenomena eksotis seperti lubang hitam dan gelombang gravitasi. Semua ini berasal dari gagasan Einstein yang agak tidak berbahaya.
Matematika dan ilmu lainnya
Prinsip simetri dan hukum kekekalan yang menghasilkan listrik dan magnet adalah contoh lain dari proporsionalitas lokal. Untuk memasuki ini, seseorang harus beralih ke matematika. Dalam mekanika kuantum, sifat-sifat elektron dijelaskan oleh "fungsi gelombang" (x). Hal ini penting untuk pekerjaan bahwa menjadi bilangan kompleks. Itu, pada gilirannya, selalu dapat ditulis sebagai produk dari bilangan real,, dan periode, e iθ. Misalnya, dalam mekanika kuantum, Anda dapat mengalikan fungsi gelombang dengan fase konstan, tanpa efek.
Tetapi jika prinsip simetriterletak pada sesuatu yang lebih kuat, bahwa persamaan tidak bergantung pada tahapan (lebih tepatnya, jika ada banyak partikel dengan muatan berbeda, seperti di alam, kombinasi spesifik tidak penting), perlu, seperti dalam relativitas umum, untuk memperkenalkan kumpulan bidang yang berbeda. Zona-zona ini bersifat elektromagnetik. Penerapan prinsip simetri ini mengharuskan medan mematuhi persamaan Maxwell. Ini penting.
Saat ini, semua interaksi Model Standar dipahami mengikuti prinsip-prinsip simetri pengukur lokal tersebut. Keberadaan pita W dan Z, serta massa, waktu paruh, dan sifat serupa lainnya, telah berhasil diprediksi sebagai konsekuensi dari prinsip-prinsip ini.
Angka tak terukur
Untuk sejumlah alasan, daftar kemungkinan prinsip simetri lainnya telah diusulkan. Salah satu model hipotetis tersebut dikenal sebagai supersimetri. Itu diusulkan karena dua alasan. Pertama-tama, ini dapat menjelaskan teka-teki lama: "Mengapa ada sangat sedikit bilangan tak berdimensi dalam hukum alam."
Misalnya, ketika Planck memperkenalkan konstanta h, ia menyadari bahwa itu dapat digunakan untuk menulis besaran dengan dimensi massa, dimulai dengan konstanta Newton. Angka ini sekarang dikenal sebagai nilai Planck.
Fisikawan kuantum hebat Paul Dirac (yang meramalkan keberadaan antimateri) menyimpulkan "masalah bilangan besar". Ternyata mendalilkan sifat supersimetri ini dapat membantu memecahkan masalah. Supersimetri juga merupakan bagian integral untuk memahami bagaimana prinsip relativitas umum dapatkonsisten dengan mekanika kuantum.
Apa itu supersimetri?
Parameter ini, jika ada, menghubungkan fermion (partikel dengan putaran setengah bilangan bulat yang mematuhi prinsip pengecualian Pauli) dengan boson (partikel dengan putaran bilangan bulat yang mematuhi apa yang disebut statistik Bose, yang mengarah pada perilaku laser dan kondensat Bose). Namun, pada pandangan pertama, tampaknya konyol untuk mengusulkan simetri seperti itu, karena jika itu terjadi di alam, orang akan berharap bahwa untuk setiap fermion akan ada boson dengan massa yang persis sama, dan sebaliknya.
Dengan kata lain, selain elektron yang sudah dikenal, harus ada partikel yang disebut selektor, yang tidak memiliki spin dan tidak mematuhi prinsip pengecualian, tetapi dalam semua hal lain itu sama dengan elektron. Demikian pula, foton harus merujuk ke partikel lain dengan spin 1/2 (yang mematuhi prinsip pengecualian, seperti elektron) dengan massa nol dan sifat seperti foton. Partikel seperti itu belum ditemukan. Namun, ternyata fakta-fakta ini dapat didamaikan, dan ini mengarah pada satu poin terakhir tentang simetri.
Ruang
Proporsi bisa menjadi proporsi hukum alam, tetapi tidak harus dimanifestasikan di dunia sekitarnya. Ruang di sekitar tidak seragam. Itu diisi dengan segala macam hal yang ada di tempat-tempat tertentu. Namun demikian, dari kekekalan momentum, manusia mengetahui bahwa hukum alam adalah simetris. Tetapi dalam beberapa keadaan proporsionalitas"spontan rusak". Dalam fisika partikel, istilah ini digunakan lebih sempit.
Simetri dikatakan putus secara spontan jika keadaan energi terendah tidak sepadan.
Fenomena ini banyak terjadi di alam:
- Dalam magnet permanen, di mana penyelarasan putaran yang menyebabkan magnetisme pada tingkat energi terendah mematahkan invarian rotasi.
- Dalam interaksi meson, yang menumpulkan proporsionalitas disebut kiral.
Pertanyaan: "Apakah supersimetri ada dalam keadaan rusak seperti itu" sekarang menjadi subjek penelitian eksperimental yang intensif. Ini memenuhi pikiran banyak ilmuwan.
Asas simetri dan hukum kekekalan besaran fisis
Dalam sains, aturan ini menyatakan bahwa sifat terukur tertentu dari sistem yang terisolasi tidak berubah seiring perkembangannya dari waktu ke waktu. Hukum kekekalan yang tepat mencakup cadangan energi, momentum linier, momentumnya, dan muatan listrik. Ada juga banyak aturan perkiraan pengabaian yang berlaku untuk besaran seperti massa, paritas, jumlah lepton dan baryon, keanehan, hyperzary, dll. Besaran ini dilestarikan dalam kelas proses fisik tertentu, tetapi tidak semuanya.
Teorema Noether
Hukum lokal biasanya dinyatakan secara matematis sebagai persamaan kontinuitas diferensial parsial yang memberikan rasio antara kuantitas kuantitas dantransfernya. Disebutkan bahwa angka yang disimpan dalam suatu titik atau volume hanya dapat diubah oleh apa yang masuk atau keluar dari volume.
Dari teorema Noether: setiap hukum kekekalan terkait dengan prinsip dasar simetri dalam fisika.
Aturan dianggap norma dasar alam dengan aplikasi luas dalam ilmu ini, serta di bidang lain seperti kimia, biologi, geologi dan teknik.
Kebanyakan hukum bersifat tepat atau mutlak. Dalam arti bahwa mereka berlaku untuk semua proses yang mungkin. Dengan teorema Noether, prinsip simetri adalah parsial. Dalam arti bahwa mereka valid untuk beberapa proses, tetapi tidak untuk yang lain. Dia juga menyatakan bahwa ada korespondensi satu-satu antara mereka dan proporsionalitas alam yang dapat dibedakan.
Hasil yang sangat penting adalah: prinsip simetri, hukum kekekalan, teorema Noether.
