Đối xứng và Định luật Bảo toàn
Đối xứng và các định luật bảo toàn là những nguyên lý tổ chức của vật lý hạt và hạt nhân, kết nối các bất biến của tự nhiên với các đại lượng bảo toàn và cấu trúc của các lực cơ bản.
Definition
Đối xứng và các định luật bảo toàn là những nguyên lý phát biểu rằng sự bất biến của các định luật vật lý dưới một phép biến đổi ngụ ý một đại lượng được bảo toàn; các đối xứng liên tục tạo ra sự bảo toàn năng lượng, động lượng và điện tích, trong khi các đối xứng rời rạc và nội tại chi phối sự phân loại và các chuyển đổi được phép của các hạt.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm mối liên hệ sâu sắc giữa đối xứng và bảo toàn được thể hiện trong định lý Noether, các đối xứng chuẩn tạo ra các tương tác cơ bản, và các đối xứng rời rạc của liên hợp điện tích, tính chẵn lẻ và đảo ngược thời gian. Nó đề cập đến sự vi phạm đáng ngạc nhiên của tính chẵn lẻ và đối xứng điện tích-chẵn lẻ kết hợp trong tương tác yếu, định lý CPT, và các đối xứng xấp xỉ như isospin và hương vị phân loại hadron.
Sub-topics
Core questions
- Mỗi đối xứng liên tục của tự nhiên tương ứng với một đại lượng bảo toàn như thế nào?
- Các đối xứng chuẩn xác định dạng của các tương tác cơ bản như thế nào?
- Tại sao tính chẵn lẻ, và thậm chí cả đối xứng điện tích-chẵn lẻ kết hợp, lại bị tương tác yếu vi phạm?
- Những đối xứng xấp xỉ nào tổ chức phổ của các hadron?
Key concepts
- Đối xứng liên tục và rời rạc
- Định lý Noether
- Đối xứng chuẩn
- Liên hợp điện tích, tính chẵn lẻ và đảo ngược thời gian
- Định lý CPT
- Isospin và đối xứng hương vị
Key theories
- Định lý Noether
- Noether đã chứng minh rằng mọi đối xứng liên tục của tác dụng của một hệ vật lý tương ứng với một đại lượng được bảo toàn, liên kết dịch chuyển thời gian với năng lượng, dịch chuyển không gian với động lượng, và đối xứng pha nội tại với điện tích.
- Vi phạm tính chẵn lẻ trong tương tác yếu
- Thí nghiệm của Wu và các cộng sự đã chỉ ra rằng phân rã beta phân biệt trái với phải, chứng tỏ rằng tính chẵn lẻ không được bảo toàn bởi tương tác yếu, trái với những giả định đã có từ lâu.
Clinical relevance
Các nguyên lý đối xứng quy định những phản ứng và phân rã hạt nào được phép và bị cấm, làm nền tảng cho toàn bộ cấu trúc chuẩn của Mô hình Chuẩn, và sự vi phạm nhỏ được quan sát của đối xứng điện tích-chẵn lẻ kết hợp là một yếu tố then chốt trong việc giải thích tại sao vũ trụ chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất.
History
Emmy Noether đã thiết lập mối liên hệ cơ bản giữa đối xứng và bảo toàn vào năm 1918, và đối xứng trở thành một nguyên lý tổ chức trung tâm của vật lý thế kỷ XX. Phát hiện ra rằng tương tác yếu vi phạm tính chẵn lẻ, được Lee và Yang đề xuất và được Wu xác nhận vào năm 1957, đã lật đổ giả định về đối xứng gương, và việc quan sát sau đó về sự vi phạm điện tích-chẵn lẻ đã làm sâu sắc thêm vai trò của các đối xứng rời rạc trong vật lý hạt.
Key figures
- Emmy Noether
- Chien-Shiung Wu
- Tsung-Dao Lee
- Chen-Ning Yang
Related topics
Seminal works
- noether1918
- wu1957
Frequently asked questions
- Định lý Noether nói gì?
- Định lý Noether phát biểu rằng mọi đối xứng liên tục của một hệ vật lý tương ứng với một đại lượng được bảo toàn. Ví dụ, sự bất biến của vật lý dưới dịch chuyển thời gian ngụ ý bảo toàn năng lượng, và dưới dịch chuyển không gian ngụ ý bảo toàn động lượng.
- Có phải tất cả các đối xứng của tự nhiên đều chính xác không?
- Không. Một số đối xứng là chính xác, chẳng hạn như đối xứng CPT kết hợp, trong khi những đối xứng khác chỉ là xấp xỉ hoặc bị vi phạm. Tương tác yếu vi phạm tính chẵn lẻ và đối xứng điện tích-chẵn lẻ kết hợp, và isospin chỉ là một đối xứng xấp xỉ của tương tác mạnh.