Принципы симметрии и законы сохранения

Принцип относительности связан с симметрией физических законов по отношению к выбору инерциальных систем отсчета. Требования указанной симметрии выражаются в инвариантности интервала, из чего вытекают преобразования Лоренца и другие соотношения релятивистской физики. Вообще говоря, принцип симметрии является одним из наиболее глубоких принципов современной физики.

Система обладает симметрией, если определенным преобразованием координат (или иных переменных) можно ее совместить с собой. Другими словами, наличие той или иной симметрии подразумевает существование преобразований симметрии, относительно которых система инвариантна. Например: симметрия сферы, симметрия куба, трансляционная симметрия идеальной решетки и т.д.

Пространство однородно, т.е. его свойства одинаковы во всех точках. Любая замкнутая система инвариантна относительно произвольного параллельного сдвига. Согласно теореме Э. Нетер каждому виду симметрии природы соответствует свой закон сохранения. Следствием симметрии пространства по отношению к параллельным сдвигам является закон сохранения импульса замкнутой системы. Вывод можно найти в любом курсе теоретической физики. Еще одно важное свойство симметрии присуще пространству – его изотропность, т.е. эквивалентность его свойств во всех направлениях. Свойства замкнутой системы инвариантны относительно поворотов. Из этой симметрии пространства следует закон сохранения момента импульса. Данные опыта свидетельствуют об однородности времени, т.е. эквивалентности различных моментов времени. Следствием инвариантности замкнутых систем относительно сдвига времени является закон сохранения энергии.

Законы сохранения, вытекающие из рассмотренных непрерывных симметрий пространства-времени, являются строгими. С симметрией пространства относительно преобразования инверсии связан закон сохранения пространственной четности – собственного значения оператора P инверсии. Как установили в 1956 г. Ли и Янг, этот закон может нарушаться, если в замкнутой системе имеет место слабое взаимодействие.

К безусловным законам сохранения относится закон сохранения электрического заряда. Симметрия, которой обусловлен этот закон сохранения, получила название калибровочной симметрии.

Известен целый ряд законов сохранения, которые могут нарушаться слабыми взаимодействиями. К таким законам относятся законы сохранения странности, барионного заряда, лептонного заряда и др.

Основные законы движения в природе

Движение – это неотъемлемое свойство материи. В широком смысле понятие движения включает в себя всякие изменения, происходящие в объектах природы. Более узкое понятие механического движения соответствует изменению с течением времени положения объектов относительно других.