Кіріспе

Физикада физикалық жүйенің симметриясы – жүйенің (байқалатын немесе ішкі) физикалық немесе математикалық қасиеті, ол белгілі бір түрлендіру кезінде сақталады немесе өзгермейді. Түрлендірулердің нақты тобы үздіксіз (мысалы, шеңбердің бұрылуы) немесе дискретті (мысалы, екі жақты симметриялы фигураның көрінісі немесе дұрыс көпбұрыштың бұрылуы) болуы мүмкін. Үздіксіз және дискретті түрлендірулер симметрияның сәйкес түрлерін тудырады. Үздіксіз симметриялар Ли тобы арқылы сипатталады, ал дискретті симметриялар шекті топтар арқылы сипатталады (Симметрия тобын қараңыз). Бұл екі ұғым – Ли және шекті топтар – қазіргі заманғы физиканың негізгі теорияларының құрылымдық тасы болып табылады. Симметриялар көбінесе топтық өкілдіктер сияқты математикалық тұжырымдамаларға бейім келеді және көптеген мәселелерді жеңілдету үшін қолданылуы мүмкін. Физикадағы симметрияның ең маңызды мысалы – жарық жылдамдығының барлық есептеу жүйелерінде бірдей мәнге ие болуы, бұл арнайы салыстырмалылық теориясында кеңістік-уақыттың Поанкаре тобы деп аталатын түрлендірулер тобымен сипатталады. Тағы бір маңызды мысал – физикалық заңдардың түрінің кез келген дифференциалданатын координаттық түрлендірулерге қатысты өзгермейтін болуы, бұл жалпы салыстырмалылық теориясының маңызды идеясы.

Бір түрлі өзгермеушілік ретінде

Өзгермеушілік математикалық түрде кейбір қасиеттерді (мысалы, шаманы) өзгермейтін түрлендірулер арқылы анықталады. Бұл идея нақты әлемдегі қарапайым байқауларға да қатысты. Мысалы, температура бөлме ішінде біртегіс болуы мүмкін. Температура бөлмедегі бақылаушының орнына тәуелді болмағандықтан, температура бақылаушының орнының өзгеруіне қатысты өзгермейді дейміз. Сол сияқты, өзінің центрінен айналған біртегіс шар айналуға дейін болған күйінде қалады. Сфераның шар тәрізді симметриясы бар делінеді. Сфераның кез келген осін айналдыру оның сыртқы түрін сақтайды.

Қолданыстағы өзгеріссіздік

Жоғарыда айтылған идеялар байқалған физикалық симметрияны талқылау кезінде инварианттылықтың пайдалы тұжырымына алып келеді; бұл күштердегі симметрияларға да қолданылуы мүмкін. Мысалы, шексіз ұзындықтағы электр зарядталған сымның электр өрісі цилиндрлік симметрияны көрсетеді, себебі сымнан белгілі бір r арақашықтықтағы электр өрісінің күші, сым осі болатын цилиндр бетінің әр нүктесінде радиусы r-ге тең болады. Сымды өз осінің айналысында бұру оның орнын немесе заряд тығыздығын өзгерте алмайды, сондықтан өріс сақталады. Бұрылған жағдайда өріс күші сол күйінде қалады. Бұл, жалпы алғанда, кездейсоқ зарядтар жүйесі үшін дұрыс емес. Ньютонның механика теориясында, екі дене берілген, олардың әрқайсысының массасы m, бастапқы нүктеден шығып, x ось бойымен қарама-қарсы бағытта қозғалады, біреуі v1 жылдамдығымен, екіншісі v2 жылдамдығымен, егер жылдамдықтар ауыстырылса, жүйенің жалпы кинетикалық энергиясы (бастапқы нүктедегі бақылаушыдан есептелгенде) сол күйінде қалады. Жалпы кинетикалық энергия y осьіне қарағандағы шағылысу кезінде сақталады. Жоғарыдағы соңғы мысал симметрияны білдірудің тағы бір жолын көрсетеді, атап айтқанда, физикалық жүйенің кейбір аспектілерін сипаттайтын теңдеулер арқылы. Жоғарыдағы мысал v1 және v2 ауыстырылғанда жалпы кинетикалық энергияның өзгермейтінін көрсетеді.

Жергілікті және жаһандық

Симметриялар жалпы алғанда жаһандық немесе жергілікті болып жіктелуі мүмкін. Жаһандық симметрия – кеңістік-уақыттың барлық нүктелерінде бірдей қолданылатын түрлендіруде белгілі бір қасиетті өзгермейтін симметрия, ал жергілікті симметрия – кеңістік-уақыттың әрбір нүктесінде әртүрлі симметриялық түрлендіру қолданылғанда белгілі бір қасиетті өзгермейтін симметрия; атап айтқанда, жергілікті симметриялық түрлендіру кеңістік-уақыт координаттарымен параметрленеді, жаһандық симметрия болса – параметрленбейді. Осыдан жаһандық симметрияның да жергілікті симметрия екені шығады. Жергілікті симметриялар физикада маңызды рөл атқарады, себебі олар өлшегіш теориялардың негізін құрайды.

Жалғастырмалы

Жоғарыда сипатталған екі айналу симметриясының мысалдары – шар тәрізді және цилиндр тәрізді – үздіксіз симметрияның екі түрі болып табылады. Олар жүйенің геометриясы үздіксіз өзгерген кезде де инвариантты болып қалатынымен сипатталады. Мысалы, сым өз осінің бойымен кез келген бұрышқа бұрылса, берілген цилиндрдегі өріс күші сол күйінде қалады. Математикалық тұрғыдан алғанда, үздіксіз симметриялар өз параметрлеріне байланысты үздіксіз өзгеретін түрлендірулер арқылы сипатталады. Физикадағы үздіксіз симметриялардың маңызды бір тобы – кеңістік-уақыт симметриялары.

Уақыт кеңістігі

Тұрақты кеңістік-уақыт симметриялары – кеңістік пен уақыттың түрленуін қамтитын симметриялар. Бұлар кеңістіктік симметриялар, физикалық жүйеге байланысты кеңістіктік геометрияны ғана қамтиды; уақыт симметриялары, уақыттың өзгеруін ғана қамтиды; немесе кеңістік-уақыт симметриялары, кеңістік пен уақыттың екеуінің де өзгеруін қамтиды. Уақыт бойынша түрлендіру: Физикалық жүйе белгілі бір уақыт аралығында Δt бірдей қасиеттерге ие болуы мүмкін; бұл математикалық түрде t → t + a түрлендіруіне қатысты, кез келген нақты сандар t және t + a аралығында инварианттық ретінде көрсетіледі. Мысалы, классикалық механикада, тек гравитация күшінің әсеріне түсетін бөлшектің Жер бетінен h биіктігінде аспалы тұрғандағы гравитациялық потенциалдық энергиясы mgh болады. Бөлшектің биіктігі өзгермейтін болса, бұл оның барлық уақыттағы жалпы гравитациялық потенциалдық энергиясы болады. Басқаша айтқанда, бөлшектің t және t+a уақыттарындағы күйін қарастырғанда, оның жалпы гравитациялық потенциалдық энергиясы сақталады. Ғарыштық түрлендіру: Бұл кеңістіктік симметриялар формасы түрлендірулермен бейнеленеді және жүйенің қасиеті орналасуының үздіксіз өзгеруімен өзгермейтін жағдайларды сипаттайды. Мысалы, бөлмедегі температура термометр бөлмеде қай жерде орналасқанына тәуелсіз болуы мүмкін. Ғарыштық айналу: Бұл кеңістіктік симметриялар дұрыс айналулар және бұрыс айналулар деп жіктеледі. Алғашқылары – «қалыпты» айналулар; математикалық тұрғыдан олар бірлік детерминанты бар шаршы матрицалармен бейнеленеді. Екіншілері – детерминанты -1 шаршы матрицалармен бейнеленеді және дұрыс айналудан кеңістіктегі кері айналумен (инверсиямен) тұрады. Мысалы, шардың дұрыс айналу симметриясы бар. Ғарыштық айналудың басқа түрлері «Айналу симметриясы» мақаласында сипатталған. Пуанкаре түрлендірулері: Бұл Минковский кеңістігіндегі арақашықтықты сақтайтын кеңістік-уақыт симметриялары, яғни олар Минковский кеңістігінің изометриялары. Олар негізінен арнайы салыстырмалылық теориясында зерттеледі. Бастапқы нүктені өзгеріссіз қалдыратын изометриялар Лоренц түрлендірулері деп аталады және Лоренц коварианттығы деп аталатын симметрияны тудырады. Проективті симметриялар: Бұл кеңістік-уақыт симметриялары, кеңістік-уақыттың геодезиялық құрылымын сақтайды. Олар кез келген тегіс көптүрлілікте анықталуы мүмкін, бірақ жалпы салыстырмалылық теориясындағы нақты шешімдерді зерттеуде кеңінен қолданылады. Инверсиялық түрлендірулер: Бұл кеңістік-уақыт симметриялары, Пуанкаре түрлендірулерін кеңістік-уақыт координаттарындағы басқа конформды бір-бірге сәйкес түрлендірулерді қосу арқылы кеңейтеді. Ұзындықтар инверсиялық түрлендірулер кезінде инвариантты емес, бірақ төрт нүктедегі қиылыс қатынасы инвариантты болады. Математикалық тұрғыдан алғанда, кеңістік-уақыт симметриялары әдетте тегіс көптүрліліктегі тегіс векторлық өрістермен сипатталады. Векторлық өрістермен байланысты негізгі жергілікті диффеоморфизмдер физикалық симметрияларға тікелей сәйкес келеді, бірақ физикалық жүйенің симметрияларын жіктеу кезінде векторлық өрістердің өзі жиі қолданылады. Ең маңызды векторлық өрістердің бірі – Киллинг векторлық өрістері, кеңістік-уақыт симметриялары, көптүрліліктің негізгі метрикалық құрылымын сақтайды. Шартты түрде айтқанда, Киллинг векторлық өрістері көптүрліліктің кез келген екі нүктесі арасындағы қашықтықты сақтайды және көбінесе изометриялар деп аталады.

Айналалық

Дискреттік симметрия – жүйедегі үздіксіз емес өзгерістерді сипаттайтын симметрия. Мысалы, квадрат дискретті айналу симметриясына ие, себебі тек тік бұрыштардың еселігімен айналу ғана квадраттың бастапқы келбетін сақтайды. Дискреттік симметриялар кейде қандай да бір "алмасуды" қамтиды, мұндай алмасулар көбінесе шағылысу немесе ауыстыру деп аталады. Уақыттың кері бұрылуы: Физиканың көптеген заңдары уақыт бағыты кері бұрылғандағы нақты құбылыстарды сипаттайды. Математикалық тұрғыдан, бұл түрлендіру арқылы көрсетіледі. Мысалы, Ньютонның екінші қозғалыс заңы теңдеуде , -қа ауыстырылса да, қолданылады. Бұл тік жоғары лақтырылған дененің қозғалысын (ауа кедергісін ескермей) жазып алып, содан кейін оны кері ойнату арқылы көрсетуге болады. Дене ауадағы параболалық траекторияны қалыпты немесе кері ойнату арқылы да сақтайды. Осылайша, дененің ең жоғары нүктеге жеткен сәтіне қатысты координатасы симметриялы болады. Кеңістіктік инверсия: Бұл түрлендірулер арқылы бейнеленеді және координаталар "кері ауыстырылғанда" жүйенің өзгермейтін қасиетін көрсетеді. Басқаша айтқанда, бұл белгілі бір нысан мен оның көлеңкесі арасындағы симметрия. Сығанақты шағылысу: Бұл аударма мен шағылыстың қосындысы арқылы бейнеленеді. Мұндай симметриялар кейбір кристалдарда және жазық симметрияларда, «қағаз өрнектері» симметриялары деп белгілі симметрияларда кездеседі.

Суперсимметрия

Стандартты модельде теориялық прогресс жасау үшін суперсимметрия деп аталатын симметрия түрі пайдаланылды. Суперсимметрия, Стандартты модельде қазірге дейін дамытылғандардан өзге, тағы бір физикалық симметрия бар деген идеяға негізделген, атап айтқанда бозон және фермион арасындағы симметрия. Суперсимметрия әрбір бозонның суперсерігі ретінде суперпартнер деп аталатын фермионы, ал керісінше әрбір фермионның суперсерігі ретінде бозонды меңзейді. Суперсимметрия әлі тәжірибелік тұрғыдан расталмады: белгілі ешқандай бөлшектің басқа белгілі бөлшектің суперпартнері болуға қажетті қасиеттері жоқ. Қазіргі уақытта LHC суперсимметрияны тексеруге дайындалып жатыр.

Жалпыланған симметриялар

Жалпыланған симметриялар жаһандық симметрия тұжырымдамасының жақында ғана танылған бірнеше жалпылауларын қамтиды. Оларға жоғары формалы симметриялар, жоғары топтық симметриялар, қайтымсыз симметриялар және ішкі жүйе симметриялары жатады.

Физикалық симметрияның математикасы

Физикалық симметрияларды сипаттайтын түрлендірулер әдетте математикалық топты құрайды. Топтар теориясы – физиктер үшін математиканың маңызды саласы. Ұдайы симметриялар математикалық тұрғыда Ұдайы топтармен (Ли топтары деп аталады) анықталады. Көптеген физикалық симметриялар изометрия болып табылады және симметрия топтарымен сипатталады. Кейде бұл термин симметриялардың жалпы түрлеріне де қолданылады. Сфераның кез келген ось арқылы жасалатын барлық дұрыс айналулар жиынтығы SO(3) деп аталатын Ли тобын құрайды. ("3" – бұл қалыпты сфераның үш өлшемді кеңістігін білдіреді.) Осылайша, дұрыс айналулармен сфераның симметрия тобы SO(3) болып табылады. Кез келген айналу шар бетіндегі қашықтықтарды сақтайды. Барлық Лоренц түрлендірулерінің жиынтығы Лоренц тобы деп аталатын топты құрайды (бұл Пуанкаре тобына жалпылауға болады). Дискретті топтар дискретті симметрияларды сипаттайды. Мысалы, теңқабырлы үшбұрыштың симметриясы симметриялық топ S арқылы сипатталады. Жергілікті симметрияларға негізделген физикалық теорияның бір түрі өлшегіш теория деп аталады, ал мұндай теорияға тән симметриялар өлшегіш симметриялар деп аталады. Стандартты модельдегі өлшегіш симметриялар үш негізгі өзара әрекеттесуді сипаттау үшін қолданылады және SU(3) × SU(2) × U(1) тобына негізделген. (Шамамен айтқанда, SU(3) тобының симметриясы күшті күшті, SU(2) тобы әлсіз өзара әрекеттесуді және U(1) тобы электромагниттік күшті сипаттайды.) Сондай-ақ, топтың әрекеті арқылы энергия функционалының симметрия бойынша азайтылуы және симметриялық топтардың түрлендірулерінің спонтанды симметрия бұзуы бөлшектер физикасының мәселелерін (мысалы, электромагнетизмнің және физикалық космологиядағы әлсіз күштің бірігуін) түсінуге көмектеседі.

Жалпы оқырмандар

12-тарау симметрия, инварианттық және сақталу заңдарымен таныстырады.

Техникалық оқырмандар

2002 жылғы Ғылым философиясы қауымдастығының мәжілісіне арналған құттықтау сөз.