14. Принцип на симетрия и закони за запазване

Принципите на симетрия се делят на пространствено-времеви (геометрични или външни) и вътрешни, описващи свойствата на елементарните частици. Сред пространствено-времевите принципи на симетрия могат да се разграничат следните:

Изместването на отправната система не променя физичните закони, т.е. всички точки в пространството са равни. Това означава хомогенност на пространството.
Въртенето на отправната система на пространствените координати оставя физическите закони непроменени, т.е. всички свойства на пространството са еднакви във всички посоки, с други думи пространството е изотропно. Например, свойствата на една пръчка не се променят, ако се обърне във въздуха. Но свойствата на кораба ще се променят значително, ако се преобърне във водата, тъй като свойствата на пространството на границата между вода и въздух са различни. По този начин симетрията на пространството означава, че в пространството на действие на физическите закони няма разграничени точки и посоки, то е хомогенно.
Изместването във времето не променя физичните закони, т.е. Всички моменти от време са обективно равни. Времето е еднообразно. Това означава, че всяка точка от времето може да се приеме за начало. Този принцип означава законът за запазване на енергията, който се основава на симетрия по отношение на изместването на времето. Периодът на трептене на "ходещите" на махалото няма да се промени, ако се брои на обяд или в полунощ, т.е. Законите на физиката не зависят от избора на произхода на времето.
Природните закони са едни и същи във всички инерциални отправни системи. Този принцип на относителността е основният постулат на специалната теория на относителността (SRT) на Айнщайн. В съответствие с принципа на симетрията е възможно да се направи преход към друга референтна система, движейки се спрямо тази рамка с постоянна скорост по големина и посока. Например, можете да отидете от вагон на влак докола, ако им изравниш скоростите.
Огледалната симетрия на природата - отражението на пространството в огледало - не променя физическите закони.
Фундаменталните физични закони не се променят, когато знакът за време е обърнат. Необратимостта, която съществува в макрокосмоса, има статистически произход и е свързана с неравновесното състояние на Вселената.
Замяната на всички частици с античастици не засяга физичните закони, не променя характера на процесите в природата.

В съвременната физика е открита определена йерархия от закони на симетрия: някои от тях са валидни за всякакви взаимодействия, а други - само за силни и електромагнитни. Тази йерархия се проявява ясно въввътрешни симетрии. В микросвета действат вътрешни симетрии. Релативистката квантова теория предполага взаимното преобразуване на елементарните частици:

за всички трансформации на елементарни частици, сумата от електрическите заряди на частиците остава непроменена, т.е. преди и след трансформацията сумата от зарядите на частиците трябва да остане непроменена;
барионният или ядреният заряд остава постоянен;
лептонният заряд се запазва.

Теорията за взаимодействието на елементарните частици се развива успешно. Това започна с установяването на принципите на симетрията. Както е установено експериментално, не всички процеси и движения са възможни в природата, а само тези, които не нарушават така наречените консервационни закони, които изпълняват функцията на правила за подбор или правила за забрана. Законите за запазване са физически закони, според които числените стойности на някои физически величини, характеризиращи състоянието на системата, не се променят при определени процеси. Формулировката на всеки закон за опазване включва две основни части. Единият гласи, че разглежданото количество е запазено идругият определя условията, при които се извършва запазването на дадено количество.

Действието на законите за запазване се проявява най-ясно в рамките на корпускулярното описание на природните процеси. Да вземем за пример закона за запазване на електрическия заряд. „Алгебричната сума на електрическите заряди се запазва, ако разглежданата система от заряди е затворена (т.е. електрически изолирана)“. Опитът показва, че при взаимни трансформации на елементарни частици заредените частици могат да се появяват и изчезват в неограничени количества. Но законът за запазване на заряда "позволява" само двойно производство на частици с заряди с еднаква величина и противоположен знак. По този начин законите за запазване са тясно свързани с основните свойства на симетрията.

15.Законът за запазване на енергиятае основензаконна природата, установенемпиричнои състоящ се във факта, че заизолиранафизична системаедна скаларнафизична величина, която ефункцияна параметрите на системата и се наричаенергия, която се съхранява завреме. Тъй като законът за запазване на енергията не се отнася до конкретни количества и явления, а отразява общ модел, приложим навсякъде и винаги, той може да се нарече незакон, апринципзапазване на енергията.

От фундаментална гледна точка, споредтеоремата на Ньотер, законът за запазване на енергията е следствиеот хомогенносттана времето, т.е. независимостта на законите на физиката от момента, в който се разглежда системата. В този смисъл законът за запазване на енергията е универсален, тоест присъщ на системи с много различна физическа природа. В същото време изпълнението на този закон за опазваневъв всяка отделна система е оправдано от подчинението на тази система на нейните специфични закони на динамика, които обикновено се различават за различните системи.

В различни клонове на физиката по исторически причини законът за запазване на енергията е формулиран независимо, във връзка с което са въведени различни видове енергия. Твърди се, че преходът на енергия от един вид към друг е възможен, но общата енергия на системата, равна на сумата от отделните видове енергия, се запазва. С оглед на конвенцията за разделяне на енергията на различни видове, такова разделение не винаги може да бъде направено еднозначно.

За всеки вид енергия законът за запазване може да има своя собствена формулировка, различна от универсалната. Например вкласическата механикае формулиран законът за запазване на механичната енергия, втермодинамиката—първият закон на термодинамиката, а велектродинамиката—теоремата на Пойнтинг.

Отматематическагледна точка, законът за запазване на енергията е еквивалентен на твърдението, че систематаот диференциални уравнения, описваща динамиката на дадена физическа система, имапървия интегрална движение, свързан ссиметрияна уравненията по отношение на изместването във времето.

Принципът на допълванее един от най-важните принципина квантовата механика, формулиран през 1927 г.Нилс Бор. Съгласно този принцип, за пълно описание на квантово-механичните явления е необходимо да се използват два взаимно изключващи се („допълнителни“) набора от класически концепции, чиято съвкупност предоставя изчерпателна информация за тези явления като интегрални. Например, допълнителни в квантовата механика са моделите пространство-време и енергия-импулс.

Принципът на допълване залегна в основата на т.нарКопенхагенска интерпретация на квантовата механика[1]и анализна процеса на измерване[2]характеристиките на микрообекти. Според тази интерпретация динамичните характеристики на микрочастицата, заимствани от класическата физика (нейнатакоордината,импулс, енергия и т.н.) изобщо не са присъщи на самата частица. Смисълът и определената стойност на една или друга характеристика на електрона, например неговият импулс, се разкриват във връзка с класически обекти, за които тези количества имат определено значение и всички в същото време могат да имат определена стойност (такъв класически обект условно се нарича измервателен уред). Ролята на принципа на комплементарността се оказа толкова значителна, чеПаулидори предложиквантовата механикада се нарече "теория на комплементарността" по аналогия стеорията на относителността[3].

Принципът на неопределеността на Хайзенберг(илиХайзенберг) вквантовата механикае фундаментално неравенство (съотношение на несигурност), което определя границата на точността на едновременното определяне на двойка физическинаблюдаеми, характеризиращи квантова система(вижтефизично количество) описани отнекомутиращи<1 0>оператори (напримеркоординатии импулс, ток и напрежение, електрически и магнитни полета). Отношението на несигурност[* 1]задава долната граница за произведението на стандартните отклонения на двойка квантови наблюдаеми. Принципът на неопределеността, откритот Вернер Хайзенбергпрез1927, е един от крайъгълните камъни на квантовата механика.