Пространственно-временные и внутренние принципы симметрии

Принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.

Основная характерная черта физических законов — то, что они основаны на симметриях. Симметричным является объект, который в результате определенных изменений или преобразований остается неизменным, инвариантным.

Инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, т.е. способность не изменяться при преобразованиях.

В структуре фундаментальных физических теорий, которые охватывают все процессы, все формы движения материи, существуют более общие законы — законы симметрии и инвариантности и связанные с ними законы сохранения.

Законы сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения некоторых величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов. Огромное значение законов сохранения и принципов симметрии состоит в том, что на них можно опираться при построении фундаментальных физических теорий, они демонстрируют единство материального мира.

Законы физики можно преобразовывать так, что при этом их структура остается неизменной, симметричной. Принципы симметрии долгое время существовали в неявном виде.

Лишь после появления теории относительности Эйнштейна и осознания того факта, что она есть не что иное, как теория инвариантов четырехмерного пространственно-временного континуума, или один из аспектов теории симметрии, стали обращать внимание на то, что все физические законы основаны на симметрии.

9.4.1. Пространственно-временные • принципы симметрии

Симметрия в физике — это свойство физических законов, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.

Изотропность — это одинаковость свойств физических объектов в разных направлениях. Изотропность и однородность пространства как простейшие виды симметрии появились уже на заре человеческого познания.

Среди пространственно-временных принципов симметрии можно выделить следующие:

? Сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

? Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, иными словами пространство — изотропно. Например, свойства палки не меняются, если ее переворачивать в воздухе. А вот свойства корабля значительно изменятся, если он перевернется в воде, так как на границе раздела воды и воздуха свойства пространства разные. Таким образом, симметрия пространства означает, что в пространстве действия физических законов нет выделенных точек и направлений или что оно однородно.

? Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Это означает, что можно любой момент времени взять за начало отсчета. Этот принцип означает закон сохранения энергии, который основан на симметрии относительно сдвигов во времени. Период колебаний маятника «ходиков» не изменится, если отсчитать его в полдень или в полночь, т.е. законы физики не зависят от выбора начала отсчета времени.

? Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Этот 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.

? Зеркальная симметрия природы — отражение пространства в зеркале — не меняет физических законов.

? Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени. Необратимость, сушествующая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

? Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же — только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.