14. Принцип симетрії та законів збереження

Принципи симетрії діляться на просторово-часові (геометричні чи зовнішні) і внутрішні, що описують властивості елементарних частинок. Серед просторово-часових принципів симетрії можна назвати такі:

Зрушення системи відліку змінює фізичних законів, тобто. всі точки простору рівноправні. Це означає однорідність простору.
Поворот системи відліку просторових координат залишає фізичні закони постійними, тобто. всі властивості простору однакові в усіх напрямках, тобто простір ізотропно. Наприклад, властивості палиці не змінюються, якщо її перевертати у повітрі. А ось властивості корабля значно зміняться, якщо він перевернеться у воді, тому що на межі поділу води та повітря властивості простору різні. Отже, симетрія простору означає, що у просторі дії фізичних законів немає виділених точок і напрямів, воно однорідно.
Зрушення у часі змінює фізичних законів, тобто. усі моменти часу об'єктивно рівноправні. Час однорідний. Це означає, що можна взяти будь-який момент часу за початок відліку. Цей принцип означає закон збереження енергії, який ґрунтується на симетрії щодо зрушень у часі. Період коливань маятника " ходиків " зміниться, якщо відрахувати їх опівдні чи опівночі, тобто. закони фізики не залежить від вибору початку відліку часу.
Закони природи однакові у всіх інерційних системах відліку. Цей принцип відносності є головним постулатом спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Відповідно до принципу симетрії можна зробити перехід в іншу систему відліку, що рухається щодо даної системи з постійною за величиною та напрямом швидкості. Наприклад, можна перейти з вагона поїздамашину, якщо вирівняти їх швидкості.
Дзеркальна симетрія природи – відображення простору у дзеркалі – не змінює фізичних законів.
Фундаментальні фізичні закони не змінюються при зверненні знаку часу. Необоротність, яка існує в макросвіті, має статистичне походження і пов'язана з нерівноважним станом Всесвіту.
Заміна всіх частинок на античастинки впливає фізичні закони, не змінює характеру процесів природи.

У сучасній фізиці виявлено певну ієрархію законів симетрії: одні виконуються за будь-яких взаємодій, інші ж – лише за сильних і електромагнітних. Ця ієрархія виразно проявляється у внутрішніх симетріях. Внутрішні симетрії діють у мікросвіті. У релятивістській квантовій теорії передбачається взаємне перетворення елементарних частинок:

за всіх перетвореннях елементарних частинок сума електричних зарядів частинок залишається незмінною, тобто. до та після перетворення сума зарядів частинок повинна залишитися незмінною;
баріонний чи ядерний заряд залишається постійним;
лептонний заряд зберігається.

Теорія взаємодії елементарних частинок розвивається успішно. Початок цього було покладено встановленням принципів симетрії. Як встановлено експериментально, в природі виявляються можливими не будь-які процеси та рухи, а лише ті з них, які не порушують про закони збереження, що виконують функцію правил відбору або правил заборони. Закони збереження – це фізичні закони, за якими чисельні значення деяких фізичних величин, що характеризують стан системи, не змінюються у певних процесах. Формулювання будь-якого закону збереження включає дві основні частини. В одній стверджується, що величина, що розглядається, зберігається, ав іншій вказуються умови, у яких збереження цієї величини має місце.

Найбільш наочно дія законів збереження проявляється у рамках корпускулярного опису природних процесів. Як приклад наведемо закон збереження електричного заряду. "Алгебраїчна сума електричних зарядів зберігається, якщо система зарядів, що розглядається, замкнута (тобто електрично ізольована)". Досвід показує, що при взаємоперетворення елементарних частинок можуть виникати і зникати заряджені частинки в необмежених кількостях. Але закон збереження заряду "дозволяє" лише парні народження частинок з однаковими за величиною та протилежними за знаком зарядами. Отже, закони збереження тісно пов'язані з фундаментальними властивостями симетрії.

15.Закон збереження енергії— фундаментальнийзаконприроди, встановленийемпіричноі полягає в тому, що дляізольованоїфізичної системиможе бути введена скалярнафізична величина, що єфункцієюпараметрів системи і званаенергією, яка зберігається з плиномчасу. Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди, закономірність, то його можна іменувати незаконом, апринципомзбереження енергії.

З фундаментальної точки зору, згідно <теореме Нетер , закон збереження енергії є наслідкомоднорідностічасу, тобто незалежністю законів фізики від часу, в який розглядається система. У цьому сенсі закон збереження енергії є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи. При цьому виконання цього закону збереженняв кожній конкретно взятій системі обгрунтовується підпорядкуванням цієї системи своїм специфічним законам динаміки, взагалі кажучи різним для різних систем.

У різних розділах фізики з історичних причин закон збереження енергії формулювався незалежно, у зв'язку з чим було запроваджено різні види енергії. Кажуть, що можливий перехід енергії одного типу до іншого, але повна енергія системи, що дорівнює сумі окремих видів енергій, зберігається. Зважаючи на умовність поділу енергії на різні види, такий поділ не завжди може бути зроблено однозначно.

Для кожного виду енергії закон збереження може мати своє, що відрізняється від універсального, формулювання. Наприклад, укласичній механіцібув сформульований закон збереження механічної енергії, утермодинаміці—перший початок термодинаміки, а велектродинаміці—теорема Пойнтінга.

Зматематичноїточки зору закон збереження енергії еквівалентний твердженню, що системадиференціальних рівнянь, що описує динаміку даної фізичної системи, маєперший інтегралруху, пов'язаний зсиметричністюрівнянь щодо зсуву в часі.

Принцип додатковості- один з найважливіших принципівквантової механіки, сформульований у 1927 роціНільсом Бором. Відповідно до цього принципу, для повного опису квантовомеханічних явищ необхідно застосовувати два взаємовиключні («додаткові») набори класичних понять, сукупність яких дає вичерпну інформацію про ці явища як про цілісні. Наприклад, додатковими в квантовій механіці є просторово-часова та енергетично-імпульсна картини.

Принцип додатковості ліг в основу так званоїкопенгагенської інтерпретації квантової механіки[1]та аналізупроцесу вимірювання[2]характеристик мікрооб'єктів. Відповідно до цієї інтерпретації, запозичені з класичної фізики динамічні характеристики мікрочастинки (їїкоордината,імпульс, енергія та ін) зовсім не властиві частинці самої по собі. Сенс та певне значення тієї чи іншої характеристики електрона, наприклад, його імпульсу, розкриваються у взаємозв'язку з класичними об'єктами, для яких ці величини мають певний сенс і всі одночасно можуть мати певне значення (такий класичний об'єкт умовно називається вимірювальним приладом). Роль принципу додатковості виявилася настільки суттєвою, щоПаулінавіть пропонував назватиквантову механіку«теорією додатковості» за аналогією зтеорією відносності[3].

Принцип невизначеності Гейзенберга(абоГайзенберга) уквантової механіки— фундаментальна нерівність (співвідношення невизначеностей), що встановлює межу точності одночасного визначення пари характеризуючих квантову систему фізичних(див.фізична величина), що описуютьсянекомутуючимиоператорами(наприклад,координатиі імпульсу, струму і напруги, електричного і магнітного поля). Співвідношення невизначеностей[* 1]задає нижню межу для твору середньоквадратичних відхилень пари квантових спостережуваних. Принцип невизначеності, відкритийВернером Гейзенбергомв1927р., є одним з наріжних каменів квантової механіки.