simetri! simetri! Hala simetri!
Sınırları olmayan bilim
Biz bilginin taşıyıcılarıyız
Refah zamanı
Bugün göndereceğiz Şangay Edebiyat ve Sanat Yayınevi Sağlanan yüksek kaliteli popüler bilim kitapları "Galaktik İmparatorluk: Üsse Yedi Adım".
Geleceğin bir formülle hesaplanıp hesaplanamayacağını hiç merak ettiniz mi?
Bilimin gücü ne kadar önemli?
İnsan evriminin bir sonraki adımında ne olacak?
Peki ya tanınmış "Robot Teknolojisinin Üç Yasası" ne olacak?
Neden hem robotlar hem de yapay zeka üç kanuna göre tasarlanmalıdır?
Bugün (2020.01.02) bilim kurgu ustası Asimov'un 100. doğum yıldönümü. "Üç bilim kurgu devinden" biri olan Asimov, "Tanrısal insan" olarak biliniyor. Bilim Kurgu Derneği, "insanlık tarihinde kaçırılmaması gereken roman dizileri" adını verdi Kitapta usta, hafif ve okunması kolay bir romanda canlı bir dramatik çatışma yoluyla titiz bilimsel düşünceye sahip bir gelecek dünyası yarattı.
Aşağıdaki makaleyi dikkatlice okuduğunuz sürece, makalenin sonunda ortaya atılan soruları düşünün, etkileşimli olanı kesinlikle takip edin: yorum alanında yanıt biçiminiz mesaj bırakın , Ödül kazanma şansı var!
Yazar: Marianne Freiberger
Çeviri: Hiçbir şey
Yorumcu: Nuor
Fizikte bile simetriyi her zaman dikkate almak iyi bir şeydir. 1920'lerde Paul Dirac, elektronların davranışını açıklayan denklemler kurdu. Denklemdeki bir denklem için fiziksel bir açıklama yoktur Simetri dikkate alınmasından dolayı, Dirac bu denklem için hızlı bir şekilde fiziksel bir açıklama önerdi. Her elektronun pozitron adı verilen bir anti-elektrona sahip olmasını şart koştu; bu, denklemdeki birçok bileşenin tam olarak ifade etmek istediği şeydir. Birkaç yıl sonra, kozmik ışınlarda pozitronlar keşfedildi ve şimdi tıbbi tanıda pozitron tomografi (PET) yoluyla milyonlarca insana fayda sağladı.
Beyninizin PET tarama görüntüsü simetriktir
Bu tesadüf inanılmaz görünebilir, ancak teorinin deneyden önde olduğu tek örnek bu değildir. Simetriye özel Dikkat Modern fizikte birçok keşfe yol açar. Simetriyi genellikle sadece görsel simetri olarak kabul ederiz, ancak aslında daha geniş bir kavramdır. Simetri, değişimdeki değişmezliği ifade eder. Kare simetriktir çünkü merkez eksen etrafında 90 derece döndükten sonra tam olarak aynı görünür. Fizikte insanlar, sabit kalan belirli fiziksel niceliklerin veya kalıpların, bazı çok temel özellikleri çalıştığınızı gösterdiğini keşfederler.
Bir örnek Koruma hukuku : Enerji, momentum veya elektrik yükü gibi bazı belirli fiziksel nicelikler, ince havadan üretilemez veya yok edilemez, korunmuş miktarlardır. 1915'te matematikçi Amy Knott, bu korunmuş miktarları simetri ile ilişkilendirdi. Örneğin, açısal momentumun korunumu, mekanik yasalarının dönen operasyonlarda değişmediğini gösterir: fizikçiler, deneysel alet ister doğuya, batıya, güneye veya kuzeye baksın veya her neyse, deneyler yoluyla aynı sonuçları göreceklerdir. Noord'un teoremi, koruma yasalarının ve simetrinin doğa yasalarına eşdeğer olduğunu gösterir: her koruma yasasının karşılık gelen bir simetrisi vardır ve bunun tersi de geçerlidir.
Bu, fizik ve simetri arasında güzel ve derin bir bağlantıdır, ancak daha da ileri gidebiliriz. Evreni gözlemlemesek bile simetri, evrenin neye benzediğini anlamamıza yardımcı olabilir. Örneğin, yerçekiminin var olması gerektiğini anlamamıza yardımcı olabilir.
Yerçekimi ve hareket
Trende yemek yememizin sebebi, tren sabit hızda hareket ederken ve durağan haldeyken trendeki nesnelerin aynı şekilde davranmasıdır.
Fizik yasaları Döndürme işlemi Aşağıdaki değişmezlik, bir kişinin penceresiz bir kutuya yerleştirildiğinde hangi yöne baktığını söyleyemeyeceğini gösterir. Kutuyu hareket ettirmek de benzer bir etkiye sahip olacaktır: kutu sabit bir hızda hareket ettiği sürece, kutuda yapılan herhangi bir deney kutudaki sakinlere hangi hızda hareket ettiklerini veya hareket ediyor olsalar bile söyleyemez. Trene bindiğimizde bu deneyime sahibiz: tren hızlanmadığı, yavaşlamadığı veya dönmediği ve parkur engebeli olmadığı sürece, trende olanlar platformda olanlarla tamamen aynı olacaktır. Bu başka bir simetridir: iki eylemsiz referans çerçevesindeki fiziksel yasalar tamamen aynıdır.
Kutu hızlanırsa veya yavaşlarsa ne olur? Kutudaki sakinler doğanın simetrisine uymayacak mı? Cevap hayır, yerçekimi burada ortaya çıkıyor. Kutudaki sakinler, kutudaki tüm nesnelerin (çivilerle çakılmadıysa) aniden belirli bir duvara doğru hareket edeceği için garip bir şey olduğunu anlayacaklar. Kutu, uygun kütleli bir nesnenin yanında hareket ederse, bu nesnenin yerçekimi, kutunun hızlanmasının neden olduğu hareketle aynı şekilde hareket etmek için kutudaki nesneyi çekecektir. Kutunun içindekiler, bu hareketlere kutunun yerçekiminin mi yoksa ivmenin mi neden olduğunu ayırt edemezler.
Hem pozitif hem de negatif yüklü parçacıklar elektrik alanları oluşturur.
Yerçekiminin çok önemli olduğu unutulmamalıdır. Yerçekiminin olmadığı bir dünyada, kutunun sakinleri ivmenin büyüklüğünü ölçebilir. Kuvvet ve ivme arasındaki simetri ancak yerçekimine benzer bir kuvvetin olduğu bir dünyada görülebilir, çünkü böyle bir kuvvet ivmenin etkisini yeniden üretebilir. Bu simetri, karşılık gelen bir kuvvetin varlığını gerektirir ve biz onu hissetmeden önce bile onun varlığını çıkarabiliriz.
Simetri ve diğer kuvvetler
Albert Einstein, genel görelilik adı verilen yerçekimi teorisini oluşturmak için simetriden ilham aldı. 1915'te Genel Görelilik Teorisi'nin yayınlanmasından kısa bir süre sonra, fizikçiler başka bazı kuvvetlerin de yerçekimine benzer simetriye sahip olduğunu fark ettiler: Belli bir simetri olduğu sürece, karşılık gelen kuvvetin var olması gerekir. Cambridge Üniversitesi'nde bir matematikçi ve kozmolog olan John Barrow, "Gösterge teorisi olarak adlandırılan teori olağanüstüdür," diye açıkladı, "bir anlamda, teorinin kendi kendine tutarlı olmasını sağlamak için bu kuvvetlerin varlığı gereklidir."
Elektromanyetik etkileşim gibi doğadaki diğer kuvvetler Güç Güçlü etkileşim Güç Ve zayıf etkileşim Güç Temel parçacıkların davranışını değiştirmek, böylece simetri bize temel parçacıklar hakkında da bilgi verebilir. Barlow, "Her teori belirli, çok soyut bir model izler," diye açıkladı. "Bu model yalnızca kuvvetin nasıl çalıştığını değil, aynı zamanda hangi parçacıkların var olabileceğini de belirler. Bu yargılama yöntemi çok güçlüdür. Fizikçiler Simetrinin gücü ve simetri hakkındaki argüman karşısında şok oldular ve bunu temel parçacıkları yöneten teorileri türetmek için kullanabilirler. "
Hepsi bu değil. 1960'larda fizikçiler önerdi İki temel etkileşim, elektromanyetik etkileşim ve zayıf etkileşim aslında aynı etkileşimin iki farklı yüzüdür. : Zayıf elektrik etkileşimi ile tek tip olarak tanımlanabilirler. Birleşik bir matematiksel çerçeveye sahipler ve normatif bir teori bu iki etkileşimi aynı anda tanımlayabilir. King's College London'dan Clark Maxwell Profesörü John Ellis, "Bu iki etkileşimin tanımı, Maxwell'in elektromanyetik etkileşimlere ilişkin önceki tanımına çok benziyor, bu nedenle bunlar birleştirilebilir," diye açıklıyor. "Bu daha karmaşık bir set. Denklemler, ancak nispeten basitler çünkü onları birbirine bağlayan bir simetri var. "
Bu simetriyi daha da genişletmeyi umuyoruz ve en iyisi diğer etkileşimleri dahil etmektir. "Sanki dört temel etkileşimi tanımlamak için dört model bulmuş gibisiniz. Tıpkı bir tangram gibi, onları bir araya getirmek istersiniz, böylece her bir model daha büyük bir modelin parçası olarak görülebilir," Barrow "Farklı modelleri birleştirerek Birleştirmek Ayrı bir desen vermek için bir araya gelin Artı Yeni kısıtlamalar, böylece deneylerle test edilebilen yeni parçacıklar ve fizik öngörülebilir. "
Simetri bozuk
Bu kalem kesinlikle düşecek. Doğa kanunları, hangi yöne düşeceğini belirleyemez - rotasyonel olarak simetriktir. Bir şekilde düştüğünde, durum artık simetrik değildir. Ancak bu asimetri, kanunların kendi asimetrisinin değil, doğa kanunlarının sonucudur.
Fakat belirli durumlarda, bu kuvvetler bir anlamda aynı tür kuvvettir, bugün neden onu farklı kuvvetler olarak görüyoruz? Cevap, bazı temel simetrilerin gizlenmiş olabileceğidir, ancak bu teoriden kaybolduğu anlamına gelmez. Örneğin, bir kalemin aşağı baktığını ve dengede olduğunu hayal edin Yerçekimi nedeniyle kalem düşme eğilimindedir. Barrow, "Yerçekimi aşağı doğru olduğu için, kalemin herhangi bir yöne düşmesi mümkündür," diye açıkladı. "Kalem her zaman tek bir yönde değil, mutlak sıfır olan mükemmel bir boşlukta bile düşüyor. , Kuantum dalgalanmaları da kalemin belirli bir yöne düşmesine neden olacak. Bu nedenle, Doğa yasalarının neden olduğu sonuçlar, doğanın yasalarıyla aynı simetriye sahip olmayabilir. .
" Biz kendimiz kırık simetri örnekleriyiz , "Barlow," Şu anda, siz ve ben evrende belirli bir konumdayız, ancak davranışımız elektromanyetik ve yerçekimi tarafından yönetiliyor, ancak bu iki kuvvet evrende belirli bir konumu desteklemiyor. Evrendeki şeylerin neden bu kadar renkli olduğu, evrende de bir muammadır. Doğa kanunlarının neden olduğu sonuçlar ve doğal sonuçların kendileri tam olarak aynı simetriye sahipse, evren aynı ve son derece sıkıcı hale gelecektir. "
Bu kuvvetler söz konusu olduğunda, fikirleri, evren Büyük Patlama'dan soğurken, evrenin ilk başta tek tip ve oldukça simetrik olduğu ve bazı kuvvetlerin simetriden fırlayıp biraz farklı olacağı yönündedir. Barlow şöyle açıkladı: "Başlangıçta, insanlar her şeyin oldukça simetrik olmasını beklerler ve ardından kademeli olarak belirli kritik değerlere ulaşırlar. Belirli bir sıcaklığa ulaştığınızda, güçlü etkileşim Güç Diğer kuvvetlerden farklı olacak, bu nedenle bir simetri kırılacak ve sonunda zayıf etkileşim Güç Ve elektromanyetik kuvvet farklı bir kuvvet haline gelecektir. Yani evren soğuduğunda bu simetri yok olacak, tıpkı tek bir yöne düşen bir kalem gibi. "
Simetri ve gerçeklik
Görünüşe göre tüm bu durumlar yüksek talep getiriyor. Karmaşık olaylarla dolu evrenimizin simetriye dayalı oldukça basit bazı yasaları izleyeceğine inanmak zor. Ancak, bu teori birçok keşfe yol açmıştır. Zayıf elektrik birliği ve örtük simetrinin kırılması, nispeten ağır Z ve W bozonlarının katılımını gerektirir. Aslında ağır ve hafif parçacıklar vardır, ancak simetri, parçacıkların kütlesinin olmamasını gerektirir ve parçacıkların kütle kazanması için Higgs bozonunun dahil edilmesi gerekir. . Bu parçacıklar bulundu: Z ve W bozonları 1980'lerde CERN tarafından keşfedildi ve Higgs bozonu 2012'de keşfedildi.
Ayrıca, basit teorinin mutlaka basit hesaplamalar anlamına gelmediğini de belirtmek gerekir. Fizikçiler, güçlü etkileşimi yöneten teorinin nispeten basit bir genel yapıya sahip olduğuna inanırlar, ancak gerçek dünya fenomenlerini gerçekten tanımlamak için çok sayıda hesaplama yapmanız gerekir.Bu hesaplamalar o kadar karmaşık ki en hızlı süper bilgisayarlar bile bunları tam olarak çözemez. . Barlow, "Matematiksel teori bizi bir aday (teori) bulmaya yönlendirebilir, ancak sonucu almak için denklemi nasıl çözeceğimizi bilmiyoruz. Sonuç çok daha karmaşık. Fizik yasalarıyla aynı simetriye sahip olmaları gerekmiyor."
Fizikçiler deneyleri unutup sadece teoriye mi güvenecekler? Tam olarak değil. "Özellikle parçacık fiziği alanında, teorik fizikçilerin tahmin etmediği parçacıkları bulmak isteyen deneysel fizikçiler ile deneysel fizikçilerin keşfetmediği parçacıkları tahmin etmek isteyen teorik fizikçiler arasında uzun vadeli bir savaş var." Liss, "Her ikisi de elde edilebilir ve bence bu, Bilim, teori ve deney arasındaki sürekli işbirliği yoluyla ilerler . "
Orijinal bağlantı: https://plus.maths.org/content/symmetry-making-and-symmetry-breaking
[Etkileşim sorusu: Alanınızda uyulması gereken ilkeler nelerdir?
Lütfen kesinlikle takip edin Etkileşim: Soruların yanıtları Biçim, yorum alanındadır mesaj bırakın Etkileşime katılım, format gereksinimleri karşılamıyor, geçersiz.Bu Pazar akşamı saat dokuzdan itibaren, bu hafta Fucai Shuangseqiu'da en az üç beğeni alan arkadaşlar bizden bir dizi kitap alacak.
* Bu aktivite sınırlıdır WeChat platform
Düzenle: aki
