Spargerea simetriei spontane

Cele mai multe dintre simetrii apar pentru o idealizare a problemei (a se vedea simetria legilor naturii). Luând în considerare influența unor interacțiuni mai complexe, rezultă o încălcare a simetriei. De exemplu, energia independentă a atomului de hidrogen din momentul cinetic orbital este inexactă, iar simetria este perturbată ușor, ținând cont de corecțiile relativiste mișcării electronilor (vezi. Mecanica relativiste). Chiar și legile de conservare asociate cu simetria spațială sunt foarte slabe, dar sunt încă încălcate de eterogenitatea universului în timp și spațiu.







Există o rupere de simetrie mult mai importantă - spontană (spontană). Acesta constă în faptul că într-un sistem descris de legi simetrice și care satisface condițiile inițiale simetrice, apar stări finale asimetrice. Luați în considerare, de exemplu, următorul experiment simplu. Lăsați bara metalică să fie comprimată într-o presă hidraulică, astfel încât întregul sistem și toate forțele care acționează în el să aibă o simetrie cilindrică. Atunci când forța de presiune tijă depășește rezistența la încovoiere, sistemul devine instabil și tija este îndoit (și apoi se descompune) în orice direcție azimutală arbitrar. Astfel, un sistem simetric cilindric a trecut în mod spontan într-o stare care nu are simetria originală.

Să dăm un alt exemplu. Lăsați mingea să cadă de-a lungul axei geamului spre fund, care are forma unei emisfere sferice convexe. Din nou, sistemul este simetric cilindric, iar toate forțele care acționează în el satisfac starea simetriei cilindrice. Cu toate acestea, poziția mingii din partea de sus a sferei este instabilă și se alunecă în jos. Starea finală se dovedește din nou că nu mai are simetria cilindrică originală.

Să luăm în considerare și un lichid în care atomii sunt localizați haotic, iar interacțiunile dintre ele satisfac condiția de simetrie în ceea ce privește rotațiile și simetria de translație - în ceea ce privește schimburile. Dacă acest lichid cristalizează, atunci apare o stare finală în care ambele aceste simetrii sunt încălcate.

Toate aceste fenomene de spargere a simetriei spontane se caracterizează printr-o serie de caracteristici comune. Ele apar atunci când stările simetrice se dovedesc a fi instabile și sub influența perturbațiilor mici trec în stări asimetrice energetic mai favorabile. Cu toate acestea, simetria inițială își impune amprenta asupra acestor stări finale. Vom repeta experimentele cu o minge care cade de mai multe ori pe fundul convex al geamului. Apoi mingea este la fel de probabil să cadă în toate pozițiile posibile în azimut. Iar aceste stări merg între ele în operații de rotație relative la axa verticală - axa simetriei sistemului original. Același lucru va fi și în celelalte exemple discutate mai sus. Astfel, dacă apare o stare finală în care simetria inițială este ruptă într-un anumit mod, atunci toate celelalte stări obținute din această primă stare pot apărea, de asemenea, cu probabilitate egală cu ajutorul transformărilor simetriei inițiale.







Spargerea simetriei spontane poate masca puternic simetria legilor fizice. Imaginați-vă un mic "om" care trăiește în interiorul unui cristal mare. În "lumea" spațiul are o structură celulară și are direcții selectate. Prin urmare, nu este ușor pentru "micul nostru om" să ajungem la izotropia spațială și simetria translațională originală, caracteristică interacțiunii dintre moleculele materiei.

Spargerea simetriei spontane apare în natură la fiecare pas. O picătură de apă situată pe o masă este un exemplu de rupere a simetriei: la urma urmei, interacțiunea moleculelor una cu alta și cu moleculele mesei permite o soluție mai simetrică - apa este împrăștiată cu un strat subțire pe masă. Dar această soluție pentru picături mici este energetic neprofitabilă.

Nucleul atomic este o picătură de lichid nucleon - acesta este, de asemenea, un exemplu de încălcare a simetriei translaționale. Există nu numai nuclee sferice, dar și "deformate", care au forma unui elipsoid, care este o încălcare nu numai a simetriei translaționale, ci și a rotației.

Spargerea simetriei spontane este un fenomen foarte frecvent în fizica macroscopică. Cu toate acestea, înțelegerea acestor fapte a venit la fizica de mare energie cu o întârziere mare. Nu toți fizicienii implicați în teoria particulelor elementare au acceptat imediat posibilitatea soluțiilor asimetrice în sistemele simetrice.

De regulă, majoritatea elementare simetrie fizica particulelor - aproximative: acestea sunt valabile pentru anumite interacțiuni și a încălcat alte interacțiuni mai slabe. Exemple ale acestor simetrii rupte - .. Simetria fenomenele naturii în ceea ce privește reflexii speculare, simetrie în ceea ce privește trecerea de la particule la antiparticule, timp inversare simetrie, invarianță izotopică (.. Adică, simetria puternice interacțiunile dintre protoni și neutroni) etc. Toate acestea sunt aproximative și ușor încălcat. Și dobândi o înțelegere a naturii acestor încălcări a fost destul de dificil. Acest lucru este în cazul în care este ideea de rupere spontană de simetrie. Teoria particulelor elementare tendință productive constă în ipoteza că la distanțe extrem de scurte sau la Impulsul foarte mare „domnește“ simetrie maximă. Dar trecerea la energii mai mici există o rupere spontană, care poate ascunde foarte mult această simetrie. Astfel, în teoria interacțiunii electroslabe, electrodinamică unind și interacțiuni slabe prin energiile superhigh (de ordinul din 15 octombrie GeV), există patru câmp fără masă egale, care, din cauza ruperii spontane la energii mai mici sunt transformate în trei masive boson intermediar și un foton fără masă: sistem simetric asa se retooled că există trei particule cu o masă de 100 GeV și o particulă cu masa zero. Apariția sistemului barionii gluoni masive și lipsite de masă quarc (a se vedea interacțiunea puternică.) - este un alt exemplu de simetrie spontană.

Se poate presupune că multe alte simetrii - simetria oglindă, simetria dintre particule și antiparticule, etc., sunt inexacte din cauza ruperii spontane. Cu alte cuvinte, legile originale ale fizicii sunt extrem de simetrice, iar asimetriile observate se datorează faptului că există într-o lume cu simetrii rupte spontan. Astfel, într-o oarecare măsură, amintim "micilor bărbați" care trăiesc într-un cristal și se minună de natura asimetrică a "lumii" lor.

Exemplele de mai sus arată care sunt proprietățile principale ale particulelor elementare determinate de fenomenul de rupere a simetriei spontane.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: