Legile de conservare ca o simetrie de reflexie în fizică - legea, Pagina 1

Legile de conservare în fizica joaca un rol special. Ele confirmă stabilitatea naturii. Prin legile de conservare în fizică sunt: ​​legea de conservare a energiei, impuls, moment cinetic, taxa.

Legile de conservare joacă un rol crucial în fizică, în practică, dar nu mai puțin important de importanța lor în ceea ce privește perspectivele mondiale. Legea conservării energiei determină fermitatea energiei. Legea conservării impulsului determină fermitatea mișcării, indestructibilitatea mișcării de translație. Legea conservării momentului cinetic determină fermitatea mișcării de rotație. Legea conservării determină taxa fermitatea interacțiunii Coulomb, care, împreună cu gravitația și puternic determină structura lumii. De aceea, important să se cunoască cauza fizica acestor legi.

După lucrarea fundamentală Noether a devenit cunoscut faptul că, pentru fiecare dintre legile de conservare ar trebui să fie o anumită simetrie.

Scopul acestei lucrări este de a arăta că legile de conservare sunt o reflectare a manifestărilor de diferite tipuri de simetrie în fizică și vice-versa pentru a stabili această conexiune ne permite să înțelegem esența și natura acestor legi.

Capitolul I. Simetria în fizică

Simetria, invarianta, fără îndoială, legi de conservare joacă un rol important în științele fizice. K exemplu, căutarea armoniei lumii (simetrie) a condus unul dintre oamenii de știință mai strălucitoare din toate timpurile Iogana Keplera la descoperirea legilor mișcării planetelor. G. Veyel remarcat faptul că simetria „este ideea că, prin intermediul căruia omul de-a lungul veacurilor au încercat să înțeleagă și să creeze ordine, frumusețe și perfecțiune“. [2] „Pentru mintea umană are o simetrie, se pare, a făcut o carisma aparte - a scris Richard Feynman. -. Ne place să se uite la afișarea de simetrie în natură, pe un planete sfere perfect simetrice sau Soare, cristale simetrice, fulgi de zăpadă pe, în cele din urmă, la flori, care sunt aproape simetrice " [17]

Ce este simetrie? Cuvântul este grecesc și înseamnă „proporționalitate, proporționalitate, similitudine în aranjamentul pieselor.“ Adesea, atrage o paralelă: simetria și echilibru, simetrie și armonie, simetrie și perfecțiune. Conform conceptelor moderne, simetria poate fi definită astfel: „simetric referit la un subiect care se poate schimba într-un fel, rezultând în același mod am început,“ [Feynman R]. Astfel, simetria presupune imutabilitatea obiectului (unele proprietăți obiect), în ceea ce privește unele reforme, unele operații efectuate asupra obiectului.

Conceptul de simetrie are o anumită „structură“, formată din trei factori:

un obiect sau un fenomen de simetrie care este considerat;

schimba (conversie) în ceea ce privește simetria, care este considerat;

invarianță (imuabilitatea, conservarea) unor proprietăți ale obiectului în discuție, care exprimă simetria.

Subliniem: invarianta nu există de la sine, nu deloc, ci numai în ceea ce privește anumite reforme. Pe de altă parte, schimbarea (conversie) de interes în măsura în care ceva este reținut. Cu alte cuvinte, nici o schimbare nu are nici un sens să ia în considerare conservarea, precum și interesul dispare fără a salva modificările. conservarea Simetria exprimă ceva cu unele modificări sau altfel, stocarea ceva în ciuda schimbărilor. Astfel, conceptul de simetrie se bazează pe dialectica de conservare și de schimbare.

În fizică obișnuită să aloce două tipuri de simetrie: geometrice și dinamice.

Simetria, exprimând spațiu și caracteristica de timp, se referă la forma geometrică de simetrie. Exemple de simetrie geometrică sunt: ​​uniformitatea de timp și spațiu, izotropia de spațiu, paritate spațiu, echivalența sistemelor de referință inerțiale.

Simetria, nu sunt direct legate de proprietățile spațiului și timpului exprimă anumite proprietăți fizice ale interacțiunilor menționate ca formă dinamică de simetrie. Un exemplu de simetrie dinamică este simetrie de sarcină electrică.

In general, pentru a include dinamice simetrie simetrie proprietățile intrinseci ale obiectelor și proceselor. Așa că simetria geometrică și dinamică poate fi considerată ca fiind simetrie internă și externă.

Relația forme de simetrie rezultă din unitatea de atribute ale materiei, spațiu, timp și mișcare. opoziția rigidă a acestor forme este fundamental inacceptabilă. De fapt, având în vedere, de exemplu, un „tipic“ simetrie geometrică ca omogenitatea spațiului, puteți vedea că, în definiția sa cuprinsă în dinamica ascunse. Esența acestei simetrie este faptul că mișcările spațiale în anumite condiții fizice, cum ar fi câmpurile gravitaționale slabe, comportamentul organismelor nu depinde de care se plasează într-un spațiu care este exprimat în independența impuls inerent șederii lor în una sau alte puncte în spațiu . Excluzând unitatea de spațiu și de mișcare a materiei de a vorbi de orice proprietăți de simetrie a spațiului este pur și simplu lipsit de sens. Într-un spațiu complet gol, nici o omogenitate sau eterogenitate. În ea nimic despre ea, și nimic nu se poate spune. Fără simetrie geometrică nu poate fi determinată fără a implica parametri directe sau indirecte, dinamice. Chiar și o astfel de definiție simplă de simetrie geometrică, simetria celor două puncte cu privire la orice linie dreaptă, include posibilitatea alinierii lor, adică, anumite mișcări. Fără trafic și mișcarea nu este o singură simetrie geometrică.

La rândul său, simetria dinamică sunt asociate cu un timp și spațiu de proprietate, având ca rezultat posibilitatea interpretării lor geometrice. De exemplu, o astfel de simetrie dinamica, simetria izotopului de spin, în care la 180 rotație, indiferent de direcția de rotație face un proton într-un neutron și un proton într-un neutron. Posibilitatea unei astfel de interpretări de spin izotopică simetrie, adică identitatea protonii și neutronii în raport cu interacțiuni puternice, indică în mod clar că această simetrie este legată de anumite forme spațiale.

Astfel, orice simetrie geometrică legată cu mișcarea și interacțiunea obiectelor fizice, precum și orice simetrie dinamică - cu proprietăți de spațiu și timp.

Dăm câteva exemple de simetrie geometrică. Să presupunem că toți electronii unui atom cu un alt atom schimb de electroni. Deoarece electronii sunt identice (electron fie selectat în mod aleatoriu nu diferă de multitudinea de alți electroni), schimbul de electroni este nici o schimbare în atomii nu apar. Aceasta este simetria. Sau să ia toate cunoscute la stări de agregare ale materiei școlare - solide, lichide, gazoase. Pentru definiteness ca solide considera cristalul ideală infinit. În ea există o anumită așa-numita simetrie discretă în ceea ce privește transferul. Acest lucru înseamnă că, dacă mutați rețeaua cristalină cu o distanță egală cu intervalul dintre doi atomi, acesta nu se va schimba nimic - cristalul coincide cu ea însăși. Dacă cristalul să se topească, simetria lichidului rezultat va fi diferit: ea va crește. Cristalul a fost doar puncte echivalente depărtate unul de altul la anumite distanțe, așa-numitele unități de cristal cu zăbrele, în care atomii sunt identici. Lichidul este uniform în întregul volum, toate punctele sale sunt distinse una de alta. Acest lucru înseamnă că fluidul poate trece la orice distanță arbitrară (și nu doar pe unele discrete în cristal) sau rotit la orice unghi arbitrar (care, în cristalele nu se poate face la toate) și va fi la fel cu ea însăși. gradul său de simetrie de mai sus.

Gaz este și mai simetrică: lichidul ocupă un anumit volum în vasul și există o asimetrie în vasul în care lichidul este, iar punctul în care nu există. Gaz, de asemenea, preia întreaga sumă dată la ea, și, în acest sens, toate punctele sale sunt imposibil de distins de una de alta. Cu toate acestea, aici ar fi mai corect să vorbim nu despre puncte, dar un elemente mici, dar macroscopice, deoarece la diferențele de nivel microscopic încă acolo. La unele puncte sunt atomi sau molecule într-un timp dat, dar nu și în altele. Simetria se observă numai în mijloc sau asupra unor parametri macroscopice de volum sau de timp. Dar momentul de simetrie la nivel microscopic, există încă încă. În cazul în care substanța pentru a comprima foarte puternic la presiuni inacceptabile în timpul utilizării, pentru a comprima, astfel încât atomii au fost zdrobite, coaja lor a pătruns în ele, iar nucleii au început să vină în contact, există o simetrie și la nivel microscopic. Toate nucleele sunt identice și sunt presate unul pe altul, nu există nu numai distanțele interatomice, dar interatomice și materialul devine uniform. Dar există încă un nivel submicroscopic. Nuclee constau din protoni și neutroni, care sunt ca se deplasează în interiorul nucleului. Intre ele, de asemenea, au unele spațiu. Dacă continuați să comprimați, astfel încât acestea vor fi zdrobite și nucleul, nucleonii strâns împreună Nestle. Apoi, la nivel de simetrie submicroscopic apar, care nu este chiar și în nuclee obișnuite. Este în această stare, substanța situată în interiorul așa-numitele stele neutronice.

Din cele de mai sus se poate observa o tendință foarte bine definit: mai mare temperatura și presiunea mai mare, cu atât mai simetric devine substanță. Această tendință a fost extrem de drept comun.

Până acum am vorbit despre cele mai simple simetrie, geometric. Cu toate acestea, în natură există alte mult mai complexe de specii sale. Spațiul și timpul, de proprietățile de simetrie care urmează legile de bază ale conservării materiei și pline „impregnate“ forțele prin care diferitele părți ale acestei probleme interacționează unul cu altul. Conform conceptelor moderne, în natură, există patru tipuri principale de putere, sau, cu alte cuvinte, cele patru tipuri de interacțiuni: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Natura lor arata destul de diferite, dar fiecare este în valoare pentru o anumită simetrie.

Cele mai interesante tipuri de diferență de interacțiuni asociate cu simetrie. Toate interacțiunile particulelor elementare, controlate de legile absolute de conservare. Cu toate acestea, există legi de conservare (și principiile lor corespunzătoare de simetrie), care sunt valabile pentru una interacțiuni și nu doar pentru alții. Astfel, legile de conservare a paritate spațiale și de încărcare efectuate în interacțiunile electromagnetice și puternice, dar nu și a evoluat în interacțiunile slabe. Există o regulă: mai puternic interacțiunea, deci este simetrică. Cu alte cuvinte, cu atât mai slabă interacțiunea într-o măsură mai mică, este controlată de legile de conservare. Din moment ce o interacțiune puternică este simetrică. Procesul din cauza au salvat toate numerele cuantice, legile în vigoare de conservare a stranietate și izospin.

Interacțiunea electromagnetică este puțin mai mică decât simetrică puternic. În acest proces, au cauzat, izospin nu este salvat, dar toate celelalte legi de conservare, inclusiv pentru proiecțiile izospin rămân valabile.

Interacțiunea slabă a cel simetric. În procesele le-a provocat, se realizează numai legi de conservare universale (legile de conservare a patru puls, impuls unghiular și sarcină electrică).

Să ne întoarcem acum la proprietățile specifice ale spațiului și timpului de simetrie. Luați în considerare traducerea relativă prima simetrie de-a lungul orice linie. Transferul în oricare direcție poate fi extins în trei axe perpendiculare între ele. Astfel, spațiul are un grup de simetrie în ceea ce privește traducerile arbitrare pe baza a trei direcții reciproc perpendiculare.

Timpul este stabilit printr-o singură valoare, mai degrabă decât de trei, ca un punct în spațiu. Simetria deja decât simetria unei linii drepte infinit, dacă luăm în considerare timpul în toate aspectele sale, dar cu toate acestea există posibilitatea ca timpul simetric în raport cu o clasă specială a legilor naturale. Pentru această clasă fac parte legile mecanicii, care sunt subordonate mișcarea corpurilor în spațiu și timp. De exemplu, revoluția Pământului în jurul Soarelui are loc în același mod pentru zeci de mii de ani; în cazul în care nu a afectat celelalte planete și soarele, iar mareele nu își pierde treptat masa sa din cauza radiațiilor, orbita Pământului ar rămâne neschimbate pe termen nelimitat. Prin urmare, trebuie să concluzionăm că timpul este omogen, adică, toate punctele sale sunt echivalente, cel puțin în raport cu fenomenele pur mecanice.