Пространственно-временные симметрии и законы сохранения

1.Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета времени, не меняет физических законов. Это означает, что все моменты времени объективно равноправны и можно взять любой за начало отсчета времени. Время однородно.

Из этой симметрии вытекает закон сохранения энергии. Так, если бы сила притяжения тел к Земле изменялась со временем, т.е. не все моменты времени были бы равноценны, то энергия не сохранялась бы. Мы могли бы поднимать тела вверх в моменты времени, когда сила притяжения минимальна, и опускать их вниз в моменты увеличения этой силы. Выигрыш в работе был бы налицо, и можно было бы создать вечный двигатель.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Это означает, что все точки пространства равноправны и пространство однородно. Перенос или сдвиг в пространстве какой-либо физической системы никак не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это говорит об изотропности пространства – одинаковости его свойств по всем направлениям. Из этой симметрии вытекает закон сохранения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. В этом состоит классический принцип относительности Галилея. В соответствии с данным принципом, нет разницы между покоем и равномерным прямолинейным движением. Эта симметрия говорит, что можно перейти из одной инерциальной системы в другую, если уравнять их скорости движения (например, уравняв скорости, можно спокойно шагнуть из машины в вагон поезда). Из принципа относительности вытекает закон сохранения скорости движения центра масс изолированной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени, т.е. при замене в уравнениях теории t на –t. Это означает, что все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Эта симметрия действует только в макромире. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов, имеющая статистическое происхождение и связанная с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Существует зеркальная симметрия природы. Отражение пространства в зеркале не меняет физических законов. В квантовой механике этой симметрии соответствует закон сохранения четности – особого квантового числа, присущего каждой частице.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Если с симметриями 1–4 дело обстоит достаточно очевидно, то зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях указанные симметрии нарушаются. То же относится и к симметрии относительно знака времени, которая действует лишь в макромире.

Таким образом, в современной физике обнаруживается определенная иерархия симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях и в любых условиях, другие же – только при определенных условиях. Эта иерархия еще отчетливее проявляется во внутренних симметриях.