สมมาตรและกฎการอนุรักษ์
สมมาตรและกฎการอนุรักษ์เป็นหลักการจัดระเบียบของฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์นิวเคลียร์ ซึ่งเชื่อมโยงความไม่แปรเปลี่ยนของธรรมชาติเข้ากับปริมาณที่ถูกอนุรักษ์และโครงสร้างของแรงพื้นฐาน
Definition
สมมาตรและกฎการอนุรักษ์เป็นหลักการที่ระบุว่าความไม่แปรเปลี่ยนของกฎทางฟิสิกส์ภายใต้การแปลงสภาพใดๆ ย่อมหมายถึงปริมาณที่ถูกอนุรักษ์ โดยสมมาตรแบบต่อเนื่องนำไปสู่การอนุรักษ์พลังงาน โมเมนตัม และประจุ ในขณะที่สมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องและสมมาตรภายในควบคุมการจำแนกและการเปลี่ยนสถานะที่อนุญาตของอนุภาค
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมความเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งระหว่างสมมาตรและการอนุรักษ์ที่ปรากฏในทฤษฎีบทของ Noether, สมมาตรเกจที่สร้างอันตรกิริยาพื้นฐาน, และสมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องของการผันกลับประจุ (charge conjugation), ภาวะคู่ (parity) และการผันกลับเวลา (time reversal) นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการละเมิดภาวะคู่และสมมาตรประจุ-ภาวะคู่แบบรวมที่น่าประหลาดใจในอันตรกิริยาอย่างอ่อน, ทฤษฎีบท CPT, และสมมาตรโดยประมาณ เช่น ไอโซสปิน (isospin) และเฟลเวอร์ (flavor) ที่ใช้ในการจำแนกแฮดรอน (hadrons)
Sub-topics
Core questions
- สมมาตรแบบต่อเนื่องแต่ละชนิดของธรรมชาติสอดคล้องกับปริมาณที่ถูกอนุรักษ์อย่างไร?
- สมมาตรเกจกำหนดรูปแบบของอันตรกิริยาพื้นฐานอย่างไร?
- เหตุใดภาวะคู่ และแม้แต่สมมาตรประจุ-ภาวะคู่แบบรวม จึงถูกละเมิดโดยอันตรกิริยาอย่างอ่อน?
- สมมาตรโดยประมาณใดที่จัดระเบียบสเปกตรัมของแฮดรอน?
Key concepts
- สมมาตรแบบต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง
- ทฤษฎีบทของ Noether
- สมมาตรเกจ
- การผันกลับประจุ, ภาวะคู่, และการผันกลับเวลา
- ทฤษฎีบท CPT
- ไอโซสปินและสมมาตรเฟลเวอร์
Key theories
- ทฤษฎีบทของ Noether
- Noether พิสูจน์ว่าทุกสมมาตรแบบต่อเนื่องของการกระทำของระบบทางฟิสิกส์สอดคล้องกับปริมาณที่ถูกอนุรักษ์ โดยเชื่อมโยงการเลื่อนในเวลาเข้ากับพลังงาน การเลื่อนในอวกาศเข้ากับโมเมนตัม และสมมาตรเฟสภายในเข้ากับประจุ
- การละเมิดภาวะคู่ในอันตรกิริยาอย่างอ่อน
- การทดลองของหวูและคณะแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวแบบบีตาแยกความแตกต่างระหว่างซ้ายกับขวา ซึ่งแสดงให้เห็นว่าภาวะคู่ไม่ถูกอนุรักษ์โดยอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งขัดแย้งกับสมมติฐานที่มีมาอย่างยาวนาน
Clinical relevance
หลักการสมมาตรกำหนดว่าปฏิกิริยาและการสลายตัวของอนุภาคใดที่ได้รับอนุญาตและถูกห้าม เป็นรากฐานของโครงสร้างเกจทั้งหมดของแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) และการละเมิดสมมาตรประจุ-ภาวะคู่แบบรวมที่สังเกตได้เพียงเล็กน้อยเป็นองค์ประกอบสำคัญในการอธิบายว่าทำไมเอกภพจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร
History
เอ็มมี เนอเทอร์ (Emmy Noether) ได้สร้างความเชื่อมโยงพื้นฐานระหว่างสมมาตรและการอนุรักษ์ในปี 1918 และสมมาตรได้กลายเป็นหลักการจัดระเบียบที่สำคัญของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 การค้นพบว่าอันตรกิริยาอย่างอ่อนละเมิดภาวะคู่ ซึ่งเสนอโดยลีและหยาง และได้รับการยืนยันโดยหวูในปี 1957 ได้ล้มล้างสมมติฐานของสมมาตรกระจกเงา และการสังเกตการละเมิดสมมาตรประจุ-ภาวะคู่ในภายหลังได้เพิ่มบทบาทของสมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องในฟิสิกส์อนุภาคให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
Key figures
- Emmy Noether
- Chien-Shiung Wu
- Tsung-Dao Lee
- Chen-Ning Yang
Related topics
Seminal works
- noether1918
- wu1957
Frequently asked questions
- ทฤษฎีบทของ Noether กล่าวถึงอะไร?
- ทฤษฎีบทของ Noether ระบุว่าทุกสมมาตรแบบต่อเนื่องของระบบทางฟิสิกส์สอดคล้องกับปริมาณที่ถูกอนุรักษ์ ตัวอย่างเช่น ความไม่แปรเปลี่ยนของฟิสิกส์ภายใต้การเลื่อนในเวลาหมายถึงการอนุรักษ์พลังงาน และภายใต้การเลื่อนในอวกาศหมายถึงการอนุรักษ์โมเมนตัม
- สมมาตรทั้งหมดของธรรมชาติเป็นแบบแม่นยำหรือไม่?
- ไม่ สมมาตรบางอย่างเป็นแบบแม่นยำ เช่น สมมาตร CPT แบบรวม ในขณะที่บางอย่างเป็นเพียงแบบประมาณหรือถูกละเมิด อันตรกิริยาอย่างอ่อนละเมิดภาวะคู่และสมมาตรประจุ-ภาวะคู่แบบรวม และไอโซสปินเป็นเพียงสมมาตรโดยประมาณของอันตรกิริยาอย่างเข้ม