العالم الطبيعي مكان معقد. تسمح الانسجام للناس والعلماء بتمييز الترتيب فيه. في الفيزياء ، من المفهوم منذ فترة طويلة أن مبدأ التناظر يرتبط ارتباطًا وثيقًا بقوانين الحفظ. القواعد الثلاثة الأكثر شهرة هي: الحفاظ على الطاقة والزخم والزخم. استمرار الضغط هو نتيجة حقيقة أن مواقف الطبيعة لا تتغير في أي فترة. على سبيل المثال ، في قانون نيوتن للجاذبية ، يمكن للمرء أن يتخيل أن GN ، ثابت الجاذبية ، يعتمد على الوقت.
في هذه الحالة لن يتم توفير أي طاقة. من عمليات البحث التجريبية عن انتهاكات الحفاظ على الطاقة ، يمكن وضع قيود صارمة على أي تغيير من هذا القبيل بمرور الوقت. مبدأ التناظر هذا واسع جدًا ويتم تطبيقه في ميكانيكا الكم وكذلك في الميكانيكا الكلاسيكية. يشير الفيزيائيون أحيانًا إلى هذه المعلمة على أنها تجانس الوقت. وبالمثل ، فإن الحفاظ على الزخم هو نتيجة لحقيقة أنه لا يوجد مكان خاص. حتى لو تم وصف العالم من حيث الإحداثيات الديكارتية ، فإن قوانين الطبيعة لن تهتم بذلكاعتبر المصدر.
يسمى هذا التناظر "الثبات متعدية" أو تجانس الفضاء. أخيرًا ، يرتبط الحفاظ على الزخم الزاوي بمبدأ الانسجام المألوف في الحياة اليومية. قوانين الطبيعة ثابتة في ظل التناوب. على سبيل المثال ، لا يهم فقط كيف يختار الشخص أصل الإحداثيات ، ولكن لا يهم كيف يختار اتجاه المحاور.
فئة منفصلة
يطلق على مبدأ تناسق الزمكان ، والتحول والدوران تناغمات مستمرة ، لأنه يمكنك تحريك محاور الإحداثيات بأي مقدار تعسفي وتدويرها بزاوية عشوائية. الفئة الأخرى تسمى منفصلة. مثال على الانسجام هو الانعكاسات في المرآة والتكافؤ. تتمتع قوانين نيوتن أيضًا بمبدأ التناظر الثنائي هذا. على المرء فقط أن يلاحظ حركة سقوط جسم في مجال الجاذبية ، ثم دراسة نفس الحركة في المرآة.
بينما يختلف المسار ، إلا أنه يخضع لقوانين نيوتن. هذا مألوف لأي شخص سبق أن وقف أمام مرآة نظيفة ومصقولة جيدًا ويشعر بالارتباك بشأن مكان الكائن وأين كانت صورة المرآة. هناك طريقة أخرى لوصف مبدأ التناظر هذا وهي التشابه بين اليسار والمعاكس. على سبيل المثال ، عادةً ما تُكتب الإحداثيات الديكارتية ثلاثية الأبعاد وفقًا لـ "قاعدة اليد اليمنى". أي أن التدفق الإيجابي على طول المحور z يكمن في الاتجاه الذي يشير إليه الإبهام إذا قام الشخص بتدوير يده اليمنى حول z ، بدءًا من x Oy ثم تتحرك باتجاه x.
غير تقليديةنظام الإحداثيات 2 هو عكس ذلك. على ذلك ، يشير المحور Z إلى الاتجاه الذي ستكون فيه اليد اليسرى. العبارة القائلة بأن قوانين نيوتن ثابتة تعني أنه يمكن لأي شخص استخدام أي نظام إحداثي ، وتبدو قواعد الطبيعة كما هي. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن تناظر التكافؤ عادةً ما يُرمز إليه بالحرف P. والآن دعنا ننتقل إلى السؤال التالي.
عمليات وأنواع التناظر ، مبادئ التناظر
التكافؤ ليس التناسب الوحيد المنفصل الذي يهم العلم. الآخر يسمى تغيير الوقت. في ميكانيكا نيوتن ، يمكن للمرء أن يتخيل تسجيل فيديو لجسم يقع تحت تأثير قوة الجاذبية. بعد ذلك ، عليك التفكير في تشغيل الفيديو في الاتجاه المعاكس. كل من التحركات "إلى الأمام في الوقت المناسب" و "للخلف" ستمتثل لقوانين نيوتن (الحركة العكسية قد تصف موقفًا غير معقول للغاية ، لكنه لن ينتهك القوانين). عادة ما يتم الإشارة إلى انعكاس الوقت بالحرف T.
اقتران الشحن
لكل جسيم معروف (إلكترون ، بروتون ، إلخ) يوجد جسيم مضاد. لها نفس الكتلة بالضبط ، لكن الشحنة الكهربائية معاكسة. يسمى الجسيم المضاد للإلكترون بالبوزيترون. البروتون هو مضاد للبروتون. في الآونة الأخيرة ، تم إنتاج الهيدروجين المضاد ودراسته. اقتران الشحنة هو تناظر بين الجسيمات وجسيماتها المضادة. من الواضح أنهم ليسوا متماثلين. لكن مبدأ التناظر يعني ، على سبيل المثال ، أن سلوك الإلكترون في مجال كهربائي مطابق لتصرفات البوزيترون في الخلفية المعاكسة. يشار إلى اقتران الشحنالحرف C.
هذه التناظرات ، مع ذلك ، ليست نسبًا دقيقة لقوانين الطبيعة. في عام 1956 ، أظهرت التجارب بشكل غير متوقع أنه في نوع من النشاط الإشعاعي يسمى تحلل بيتا ، كان هناك عدم تناسق بين اليسار واليمين. تمت دراسته لأول مرة في اضمحلال النوى الذرية ، ولكن من السهل وصفه في تحلل جسيم ميسون سالب الشحنة ، وهو جسيم آخر شديد التفاعل.
وهو ، بدوره ، يتحلل إما إلى ميون ، أو إلى إلكترون ومضاد النيترينو. لكن حالات الاضمحلال بتهمة معينة نادرة جدًا. هذا يرجع (من خلال حجة تستخدم النسبية الخاصة) إلى حقيقة أن المفهوم يظهر دائمًا مع دورانه الموازي لاتجاه حركته. إذا كانت الطبيعة متناظرة بين اليسار واليمين ، فسيجد المرء نصف الوقت النيوترينو مع دورانه المتوازي والجزء المقابل له.
هذا يرجع إلى حقيقة أن اتجاه الحركة في المرآة لا يتم تعديله ، ولكن عن طريق الدوران. يرتبط بهذا الشحنة الموجبة π + الميزون ، والجسيم المضاد π -. يتحلل إلى إلكترون نيوترينو مع دوران موازٍ لزخمه. هذا هو الفرق بين سلوكه. الجسيمات المضادة هي مثال على كسر اقتران الشحنة.
بعد هذه الاكتشافات ، تم طرح سؤال حول ما إذا كان قد تم انتهاك ثبات الانعكاس الزمني T. وفقًا للمبادئ العامة لميكانيكا الكم والنسبية ، يرتبط انتهاك T بـ C × P ، وهو ناتج اقتران الرسوم والتكافؤ. SR ، إذا كان هذا هو مبدأ التناظر الجيد ، فهذا يعني أن الانحلال π + → e + + يجب أن يتماشى مع نفس الشيءالسرعة مثل π - → e - +. في عام 1964 ، تم اكتشاف مثال لعملية تنتهك الإنتاج الأنظف تتضمن مجموعة أخرى من الجسيمات شديدة التفاعل تسمى Kmesons. اتضح أن هذه الحبوب لها خصائص خاصة تسمح لنا بقياس انتهاك طفيف لـ CP. لم يكن حتى عام 2001 أن تم قياس اضطراب SR بشكل مقنع في اضمحلال مجموعة أخرى ، الميزونات B.
تظهر هذه النتائج بوضوح أن غياب التناظر غالبًا ما يكون مثيرًا للاهتمام مثل وجوده. في الواقع ، بعد وقت قصير من اكتشاف انتهاك SR ، أشار Andrei Sakharov إلى أنه عنصر ضروري في قوانين الطبيعة لفهم هيمنة المادة على المادة المضادة في الكون.
مبادئ
حتى الآن يُعتقد أنه يتم الاحتفاظ بمجموعة CPT ، اقتران الشحن ، التكافؤ ، انعكاس الوقت. يأتي هذا من المبادئ العامة للنسبية وميكانيكا الكم ، وقد تم تأكيده من خلال الدراسات التجريبية حتى الآن. إذا تم العثور على أي انتهاك لهذا التناظر ، فستكون له عواقب وخيمة.
حتى الآن ، تعتبر النسب قيد المناقشة مهمة لأنها تؤدي إلى قوانين الحفظ أو العلاقات بين معدلات التفاعل بين الجسيمات. هناك فئة أخرى من التماثلات تحدد بالفعل العديد من القوى بين الجسيمات. تُعرف هذه التناسبات بالتناسب المحلي أو التناسب القياسي.
أحد هذه التماثلات يؤدي إلى تفاعلات كهرومغناطيسية. الآخر ، في استنتاج أينشتاين ، هو الجاذبية. في وضع مبدأه العامفي نظرية النسبية ، جادل العالم بأن قوانين الطبيعة يجب أن تكون متاحة ليس فقط من أجل أن تكون ثابتة ، على سبيل المثال ، عند تدوير الإحداثيات في وقت واحد في كل مكان في الفضاء ، ولكن مع أي تغيير.
الرياضيات لوصف هذه الظاهرة طورها فريدريش ريمان وآخرون في القرن التاسع عشر. تكيف أينشتاين جزئيًا وأعاد اختراع بعضها لتلبية احتياجاته الخاصة. اتضح أنه من أجل كتابة المعادلات (القوانين) التي تمتثل لهذا المبدأ ، من الضروري إدخال مجال يشبه من نواح كثيرة المجال الكهرومغناطيسي (باستثناء أنه يحتوي على دوران اثنين). إنه يربط بشكل صحيح قانون نيوتن للجاذبية بالأشياء غير الضخمة جدًا ، أو التي تتحرك بسرعة أو فضفاضة. بالنسبة للأنظمة المماثلة (مقارنة بسرعة الضوء) ، تؤدي النسبية العامة إلى العديد من الظواهر الغريبة مثل الثقوب السوداء وموجات الجاذبية. كل هذا نابع من فكرة أينشتاين غير الضارة.
الرياضيات والعلوم الأخرى
مبادئ التناظر وقوانين الحفظ التي تؤدي إلى الكهرباء والمغناطيسية هي مثال آخر على التناسب المحلي. للدخول في هذا ، يجب على المرء أن يتحول إلى الرياضيات. في ميكانيكا الكم ، يتم وصف خصائص الإلكترون بواسطة "دالة الموجة" ψ (x). من الضروري للعمل أن يكون ψ عددًا مركبًا. يمكن دائمًا كتابته ، بدوره ، على أنه حاصل ضرب عدد حقيقي ، ρ ، والنقاط ، e iθ. على سبيل المثال ، في ميكانيكا الكم ، يمكنك ضرب الدالة الموجية بالطور الثابت ، دون أي تأثير.
ولكن إذا كان مبدأ التناظرتكمن في شيء أقوى ، أن المعادلات لا تعتمد على المراحل (بشكل أكثر دقة ، إذا كان هناك العديد من الجسيمات ذات الشحنات المختلفة ، كما هو الحال في الطبيعة ، فإن التركيبة المحددة ليست مهمة) ، فمن الضروري ، كما هو الحال في النسبية العامة ، تقديم مجموعة مختلفة من المجالات. هذه المناطق كهرومغناطيسية. يتطلب تطبيق مبدأ التناظر هذا أن يخضع المجال لمعادلات ماكسويل. هذا مهم
اليوم ، من المفهوم أن جميع تفاعلات النموذج القياسي تتبع مبادئ تناظر المقاييس المحلية. تم التنبؤ بنجاح بوجود نطاقي W و Z ، بالإضافة إلى كتلتها ، وأعمارها النصفية ، وخصائص أخرى مماثلة كنتيجة لهذه المبادئ.
أرقام لا تحصى
لعدد من الأسباب ، تم اقتراح قائمة بمبادئ التناظر المحتملة الأخرى. يُعرف أحد هذه النماذج الافتراضية باسم التناظر الفائق. تم اقتراحه لسببين. بادئ ذي بدء ، يمكن أن يفسر لغزًا قديمًا: "لماذا يوجد عدد قليل جدًا من الأرقام عديمة الأبعاد في قوانين الطبيعة".
على سبيل المثال ، عندما قدم بلانك ثابت h ، أدرك أنه يمكن استخدامه لكتابة كمية بأبعاد كتلة ، بدءًا من ثابت نيوتن. يُعرف هذا الرقم الآن باسم قيمة بلانك.
استنتج عالم فيزياء الكم العظيم بول ديراك (الذي تنبأ بوجود المادة المضادة) "مشكلة الأعداد الكبيرة". اتضح أن افتراض طبيعة التناظر الفائق هذا يمكن أن يساعد في حل المشكلة. التناظر الفائق هو أيضًا جزء لا يتجزأ من فهم كيف يمكن لمبادئ النسبية العامةتكون متسقة مع ميكانيكا الكم.
ما هو التناظر الفائق؟
هذه المعلمة ، إن وجدت ، تربط الفرميونات (جسيمات ذات عدد مغزلي نصف صحيح تخضع لمبدأ استبعاد باولي) بالبوزونات (جسيمات ذات عدد صحيح والتي تخضع لما يسمى بإحصاءات بوز ، مما يؤدي إلى سلوك الليزر ومكثفات بوز). ومع ذلك ، للوهلة الأولى ، يبدو من السخف اقتراح مثل هذا التناظر ، لأنه إذا حدث في الطبيعة ، فمن المتوقع أن يكون لكل فرميون بوزون بنفس الكتلة تمامًا ، والعكس صحيح.
بمعنى آخر ، بالإضافة إلى الإلكترون المألوف ، يجب أن يكون هناك جسيم يسمى المحدد ، والذي ليس له دوران ولا يخضع لمبدأ الاستبعاد ، ولكنه في جميع النواحي الأخرى هو نفسه الإلكترون. وبالمثل ، يجب أن يشير الفوتون إلى جسيم آخر له مغزلي 1/2 (والذي يخضع لمبدأ الاستبعاد ، مثل الإلكترون) بكتلة صفرية وخصائص تشبه إلى حد كبير الفوتونات. لم يتم العثور على هذه الجسيمات. ومع ذلك ، اتضح أنه يمكن التوفيق بين هذه الحقائق ، وهذا يؤدي إلى نقطة أخيرة حول التناظر.
الفضاء
النسب يمكن أن تكون نسبًا لقوانين الطبيعة ، ولكن ليس بالضرورة أن تتجلى في العالم المحيط. المساحة المحيطة ليست موحدة. إنه مليء بكل أنواع الأشياء الموجودة في أماكن معينة. ومع ذلك ، من الحفاظ على الزخم ، يعرف الإنسان أن قوانين الطبيعة متماثلة. لكن التناسب في بعض الظروف"كسر تلقائيا". في فيزياء الجسيمات ، يستخدم هذا المصطلح بشكل أضيق.
يقال إن التناظر ينكسر تلقائيًا إذا كانت أقل حالة طاقة غير متكافئة.
تحدث هذه الظاهرة في كثير من الحالات في الطبيعة:
- في المغناطيس الدائم ، حيث يؤدي محاذاة الدورات التي تسبب المغناطيسية في أدنى حالة طاقة إلى كسر ثبات الدوران.
- في تفاعلات π الميزونات ، والتي تضعف التناسب الذي يسمى اللولب.
السؤال: "هل يوجد تناظر فائق في مثل هذه الحالة المعطلة" هو الآن موضوع بحث تجريبي مكثف. تشغل أذهان كثير من العلماء
مبادئ التناظر وقوانين حفظ الكميات الفيزيائية
في العلم ، تنص هذه القاعدة على أن خاصية معينة قابلة للقياس لنظام منعزل لا تتغير مع تطورها بمرور الوقت. تشمل قوانين الحفظ الدقيقة احتياطيات الطاقة ، والزخم الخطي ، وزخمها ، والشحنة الكهربائية. هناك أيضًا العديد من قواعد التخلي التقريبي التي تنطبق على الكميات مثل الكتل ، والتكافؤ ، وعدد اللبتون ، والباريون ، والغرابة ، والارتباك المفرط ، وما إلى ذلك. يتم حفظ هذه الكميات في فئات معينة من العمليات الفيزيائية ، ولكن ليس في الكل.
نظرية نويثر
عادة ما يتم التعبير عن القانون المحلي رياضيًا على أنه معادلة استمرارية تفاضلية جزئية تعطي النسبة بين كمية الكمية ونقله. تنص على أن الرقم المخزن في نقطة أو وحدة تخزين لا يمكن تغييره إلا من خلال الرقم الذي يدخل أو يخرج من المجلد.
من نظرية نويثر: يرتبط كل قانون حفظ بالمبدأ الأساسي للتناظر في الفيزياء.
تعتبر القواعد من القواعد الأساسية للطبيعة مع تطبيق واسع في هذا العلم ، وكذلك في مجالات أخرى مثل الكيمياء والبيولوجيا والجيولوجيا والهندسة.
معظم القوانين دقيقة أو مطلقة. بمعنى أنها تنطبق على جميع العمليات الممكنة. وفقًا لنظرية نويثر ، فإن مبادئ التناظر جزئية. بمعنى أنها صالحة لبعض العمليات ، ولكنها ليست صالحة لبعض العمليات. وتقول أيضًا إن هناك تطابقًا واحدًا لواحد بين كل منهما والتناسب التفاضلي للطبيعة.
النتائج المهمة بشكل خاص هي: مبدأ التناظر ، قوانين الحفظ ، نظرية نويثر.
