3. Принципы симметрии и законы сохранения

Существует принцип симметрии Кюри, который гласит:

«Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию».

Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение).

В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так скалярная величина (химическое сходство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность).

Симметрия и законы сохранения – не следствие одно из другого, а равноправные и взаимосвязанные проявления фундаментальных свойств материи.

Симметрия обладает признаком всеобщности, она пронизывает все сущее, поэтому и связанные с ней законы сохранения фундаментальны.

В физике к настоящему времени установлены связи множества законов сохранения (электрический заряд, обобщенный закон движения центра масс релятивистской системы и другие) с соответствующими симметриями.

Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин - утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Фактически, во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.

Охарактеризуем свойства симметрии физических законов:

1) Симметрия по отношению к переносам во времени означает, что законы природы со временем не меняются. Симметрия физических законов относительно переносов во времени означает однородность времени, то есть все моменты времени физически равнозначны, любой из них может быть выбран в качестве начала отсчета.

2) Симметрия по отношению к переносам в пространстве означает, что законы природы не зависят от выбора места - они одинаковы в Москве и Вашингтоне. Имея в виду симметрию физических законов, говорят об однородности пространства, т.е. физической равнозначности всех точек пространства.

3) Симметрия по отношению к поворотам в пространстве означает, что в пространстве нет физически выделенных направлений – пространство изотропно.

4) Симметрия по отношению к переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую есть не что иное, как сформулированный А.Эйнштейном принцип относительности.

5) Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое.

Немецкий математик Эмми Нетер доказала теорему, сущность которой заключается в утверждении, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения.

Теорема Нетер дает наиболее простой и универсальный метод получения законов сохранения в классической и квантовой механике, теории поля и т.д.

Особенно важное значение имеет теорема Нетер в квантовой теории поля, где законы сохранения, вытекающие из существования определенной группы симметрии, являются часто основным источником информации о свойствах изучаемых объектов.

Связь между законами сохранения и симметрией законов природы можно сформулировать следующим образом.

Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени или, иначе говоря, следствие симметрии законов природы по отношению к переносам во времени.

Энергия – физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.

В силу однородности времени функция Лагранжа замкнутой системы явно от времени не зависит, а зависит от координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему. Несложными математическими преобразованиями можно показать, что это приводит к тому, что полная энергия системы в процессе движения остается неизменной.

Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к переносам в пространстве).

Импульс – физическая величина, сохранение которой связано с однородностью пространства. Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом переносе замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения импульса.

Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к поворотам).

Момент импульса – величина, сохранение которой связано с изотропностью пространства. Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом повороте замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения момента импульса. Эти законы сохранения характерны для всех частиц, являются общими, выполняющимися во всех взаимодействиях.

До недавнего времени в физике проводилось четкое разделение на внешние и внутренние симметрии.

Внешние симметрии – симметрия физических объектов в реальном пространстве – времени, называемые также пространственно временными или геометрическими.

Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями внешних симметрий.

Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; законы сохранения этих величин – векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.

Симметрия в физике – свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться инвариантными (неизмененными) при определенных преобразованиях, которым могут подвергнуться входящие в них величины.

Физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др.

Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.

Законы природы неинвариантны относительно, например, преобразования подобия, т.е. преобразования, связанного с изменением пространственного масштаба.

Геометрический принцип подобия не применим к физическим законам. И. Пригожин описал процесс самоорганизации в неравновесных системах через нарушение симметрии в точках бифуркации.

Явные симметрии, непосредственно наблюдаемые, например симметрии пространства и времени или выводимые из законов сохранения.

Скрытые симметрии: скрытость симметрии исходной ситуации, возникающая после неустойчивого симметричного состояния.

Принципы и законы симметрии.

Пространственно-временные, геометрические или внешние и связанные с ними законы сохранения.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета, времени не меняет физических законов. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Однородность пространства. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Изотропность пространства. Закон сохранения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности. Закон сохранения скорости движения центра масс изолированной системы.

Принцип относительности является основным постулатом специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. В соответствии с принципом симметрии можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся относительно данной системы с постоянной по величине и направлению скорости. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять их скорости.

5. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. Все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, наблюдаемая в макромире, имеет статическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Иерархия принципов симметрии в физике.

Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются.

Внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. Закон сохранения электрического заряда.

2. Закон сохранения бариационного заряда.

3. Закон сохранения лептонного заряда. В современных теориях принимается, что только электрический заряд сохраняется. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспериментально это не обнаружено.

4. Изотопическая инвариантность: зарядовая независимость сильных взаимодействий. Гейзенберг: протон и нейтрон – два различных состояния нуклона.

5. Симметрия (закон), связанная с сохранением нового квантового числа, – странности. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается благодаря принципам симметрии. Роль принципа симметрии в познании весьма велика, например, из соображений симметрии Дираком были постулированы античастицы, Д.И. Менделеевым сформулирован периодический закон и т.д. Общенаучность принципов симметрии многократно подтверждается в таких научных методах как аналогия, анализ, синтез, моделирование, принцип подобия.