Симметрия в физике понимается как инвариантность (неизменность) физической системы относительно тех или иных преобразований, которые осуществляются над ней. Сами преобразования – это элементы симметрии или просто симметрии.
Симметрия физических законов является их важнейшей характеристикой. Под этим подразумевается преобразование координат, при котором уравнение этого закона являются инвариантными (неизменными) относительно такого преобразования. В частности, законы механики должны сохраняться при переходе от одной инерциальной системы координат к другой.
Симметрии в законах природы
Если законы управляют явлениями, то принципы симметрии – это законы физических законов.
Например, уравнение Максвелла в электродинамике полученное путем установления симметрии между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл исходил из убеждения, что взаимодействия электрического и магнитного полей должны быть симметричными, и поэтому ввел в свои уравнения дополнительное слагаемое (описывающее ток смещения), которое это обстоятельство учитывает. В результате уверенность в симметрии законов природы привела его к выводу о существовании электромагнитных волн.
Как мы видим, симметрия всегда связана с сохранением и выделяет в окружающем мире различные инварианты (неизменные величины) – какие-то своеобразные «опорные точки» Вселенной. Можно сказать, что симметрия создает порядок в нашем мире.
Можно сказать, что и идеи А. Эйнштейна, приведшие его к созданию теории относительности, опирались на уверенность в глубокой симметрии природы, которая должна одновременно охватывать механические, электромагнитные и все другие явления.
Принципы симметрии сыграли также решающую роль при построении теории субъядерных частиц, которая позволила создать их современную классификацию. Установление скрытых симметрий в природе позволяет объединить разрозненные знания в единую физическую теорию и построить целостную картину мира. Математическим аппаратом, который позволяет это сделать, является теория групп (симметрий).
Теория групп как математический аппарат описания физических симметрий
Становление квантовой теории и квантовой механики шло параллельно с развитием теории групп и теории представлений. В работах Гайзенберга и Дирака квантовомеханические переменные были представлены как элементы ассоциативной алгебры, которые удовлетворяют некоторым коммутационным соотношениям, а состояния системы – как векторы пространства представлений этой алгебры. Новая форма уравнений квантовой теории требовала и нового математического аппарата. На сегодня теоретико-групповые методы доминируют в арсенале математических методов современной физики, демонстрируют свою эффективность и универсальность во всех областях физики.
Симметрия и ее математический аппарат – теории групп – выступают как принципиально важный эвристический принцип при построении моделей новых физических явлений.
Один из примеров – открытие унитарной асимметрии в сильных взаимодействиях и выявление на этой основе кварковой структуры материи. Это было сделано в 60 годах прошлого века после того, как была открыта новая характеристика элементарных частиц – странность (квантовое число).
Группа симметрии, соответствующая сильным взаимодействиям, была определена группой . Она обеспечивала выполнение сохранения странности и изотонического спина. Применение аппарата теории групп позволило доказать существование частицы омега-минус-гиперон, которую открыли через несколько лет.
Возникли трудности с работой по этой теме? У нас вы можете заказать научную статью по физике по низкой цене!
Комментарии