№17 Законы сохранения и симметрия мира.

Из однородности времени следует закон сохранения энергии. Имеется в виду, что при подстановке в уравнение движения Δt вместо t получается выражение для закона сохранения энергии. Выделенное выше курсивом слово «следует», разумеется, не означает, что время выступает каким-то динамическим фактором. Время и энергия – это две грани физических процессов, но сопряженные, «родственные» друг другу. В этой связи резонно вспомнить о соотношении неопределенностей Гейзенберга–Бора: ΔЕΔt > ћ.
Целый ряд законов сохранения связан с калибровочной инвариантностью (табл. 2). На этот раз речь идет о динамических симметриях и о сохранении величин, подобных электрическому заряду. Многие динамические законы сохранения являются приближенными. Чемпионом в деле нарушения зарядовых законов сохранения является слабое взаимодействие.
Рассмотренные выше пространственно-временные и калибровочные симметрии изучают посредством непрерывных, сколь угодно малых преобразований. Но в мире элементарных частиц актуальны и дискретные операции симметрии. В данном случае речь идет о трех дискретных операциях симметрии: пространственной инверсии (Р), зарядового сопряжения (С) и обращения времени (Т).

Таблица 2
Динамические законы сохранения
Сохраняющаяся величина Взаимодействия, в которых величина сохраняется Q – электрозаряд Все B – барионный заряд Сильные и электромагнитные S – странность То же C – очарование – » – J – спин – » – I – изоспин Сильные L – лептонный заряд (трех типов) Слабые
Как известно, рассматривая себя в зеркало, мы имеем дело со своим зеркальным двойником, он отличается от нас тем, что все наше левое у него является правым. Так как наша правая рука смотрится в зеркале как левая, движение рукой вправо в зеркале выступает как движение влево. Пространственная инверсия равносильна замене «левое = правое». Вопрос: инвариантны ли законы физики относительно упомянутой выше замены? Вплоть до 1956 г. физики были уверены, что в законах природы левое и правое играют одинаковую роль и для них характерна зеркальная симметрия. Огромнейшей неожиданностью явилось сначала теоретическое предсказание (Т.Д. Ли и Ч.Н. Янг, 1956), а затем и экспериментальное подтверждение (Ч.С. Ву, 1957) невыполнения зеркальной симметрии в слабых взаимодействиях.
На интуитивном уровне факт невыполнения зеркальной симметрии не должен вызвать удивления: среди людей «правшей» намного больше, чем «левшей». Но одно дело обыденная жизнь, а другое – наука. По поводу нарушения зеркальной симметрии физики остроумно шутили: одно из наших зеркал разбито. Имеется в виду, что рухнула догма о непременной выполнимости зеркальной симметрии. В связи с этим Л.Д. Ландау, Т.Д. Ли и Ч.Н. Янгом была выдвинута идея комбинированной инверсии, предполагающая не только пространственную инверсию, но и операцию зарядового сопряжения (С), замену всех частиц античастицами (табл. 3).

Таблица 3
Дискретные симметрии и законы сохранения
Операция симметрии Что сохраняется Взаимодействие Р (пространственная симметрия) Симметрия зеркальная Сильное С (зарядовое сопряжение) Симметрия зарядового сопряжения То же СР (комбинированная инверсия) Симметрия комбинированной инверсии – » – Т (обращение времени) Вероятность прямой и обратной реакции – » – СРТ – преобразование СРТ – симметрия Сильное, электромагнитное и слабое
В 1964 г. группой физиков было показано, что СР – инвариантность не выполняется при слабых взаимодействиях (например, при распаде камезонов). Так, оказалось разбитым и второе «зеркало». Но зато СРТ – инвариантность остается незыблемой и по сей день.
Через Т обозначается операция обращения времени (t заменяется на -t). Обращение времени представляется чем-то сногсшибательным: неужели время действительно может быть обращено вспять? Оказывается, преобразование t → -t равносильно преобразованиям р → -р, J → -J, где р и J соответственно импульс и спин частицы. Обращение времени не означает, что вспять идет реальное время [2].

Выводы

В 1918 г. Эмми Нетер была доказана теорема, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина.
Под симметрией мира можно понимать следующее: в абсолютно симметричном мире суммарная величина любого данного заряда равна суммарной величине его антизаряда и суммарная энергия, характеризующая движение, равна суммарной энергии, характеризующей антидвижение. Из такого определения симметрии мира должны вытекать многочисленные весьма важные следствия. Некоторые из них поддаются непосредственной экспериментальной проверке.
В общей теории относительности обнаруживается совершенно новый подход к природе физических взаимодействий, что в существенной степени расширило смысл самого понятия «калибровочное преобразование», возведя его в принцип, который лежит в основе всего фундамента современной физики.
Калибровочный принцип называют динамическим нововведением в общей теории относительности.
Из закона постоянства зарядов (количеств движения) и энергии каждого из миров вытекает необходимость сохранения суммарной характеристики, активности всех форм движения. Это можно видеть, например, из уравнений первого закона, выраженных через активности. Однако отсюда вовсе не следует, что суммарная активность каждого отдельного элементарного движения также сохраняется. Было бы весьма логично предположить, что в необозримой Вселенной действует также закон сохранения суммарной активности любого данного элементарного положительного и отрицательного движения. Однако доказать справедливость этого закона не очень-то просто.
Список литературы:

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Высшее образование, 2006. – 335 с.
Канке В.А. Концепции современного естествознания: учебник для вузов. – 2-е, испр. – М.: Логос, 2006. – 368 с
Концепции современного естествознания: учеб. Пособие / Под общ. Ред. С.И. Самыгина. – Изд. 10-е. – Ростов-на-Дону: Высшее образование, 2008. – 412 с.
Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. – 317 с.
Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания; учебник. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2007. – 264 с.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 2003. – 287 с.
















3