Tính đối xứng của các định luật vật lí

TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÍ Lưu Thị Kim Thanh, Nguyễn Văn Hùng1 Trong báo muốn đề cập tới tính đối xứng định luật vật lí, với nội dung cụ thể: Đối xứng gì?Tính đối xứng định luật vật lí. Liên hệ định luật đối xứng định luật bảo toàn. Sự vi phạm đối xứng vật lí. 1. Mở đầu Đối xứng đặc tính phổ biến nhiều hệ vật lí. Đối với người có lẽ đối xứng có sức hấp dẫn đặc biệt. Chúng ta thích nhìn biểu đối xứng tự nhiên, nhìn hành tinh Mặt trời có dạng hình cầu đối xứng cách lí tưởng, nhìn tinh thể đối xứng, nhìn hoa tuyết hoa gần đối xứng. Song nói đối xứng vật mà tính đối xứng định luật vật lí. Một vài tính chất định luật vật lí biểu giống với tính chất số vật đối xứng. Poincare đề nghị nghiên cứu cách biến đổi phương trình mà không làm thay đổi dạng chúng. Chính ông nêu ý kiến cần phải ý tới tính chất đối xứng định luật vật lí. Trong báo muốn đề cập tới tính đối xứng định luật vật lí, với nội dung cụ thể: Đối xứng gì? Tính đối xứng định luật vật lí. Liên hệ định luật đối xứng định luật bảo toàn. Sự vi phạm đối xứng vật lí.[1,2] 2. Đối xứng gì? Nhà toán học tiếng Hermann Weyl đề nghị định nghĩa hoàn hảo đối xứng, theo định nghĩa vật gọi đối xứng sau biến đổi ta lại kết ban đầu. Ví dụ, hình vuông có dạng đối xứng đặc biệt: Quay 90 lại giống nguyên cũ. Ta nói tính đối xứng định luật vật lí với ý nghĩa vậy; Có thể biến đổi định luật vật lí cách biểu biễn chúng tuỳ ý không làm ảnh hưởng tới quan hệ chúng. Trong đề cập tới tính chất định luật vật lí. 3. Tính đối xứng định lý vật lý 3.1. Các định luật vật lí có tính đối xứng với dịch chuyển không gian Nếu ta lắp máy dùng để tiến hành thí nghiệm vị trí xác định, sau chuyển thí nghiệm tới vị trí khác không gian, điều xảy theo thời gian hai thí nghiệm nhau. Để minh hoạ, ta lấy định luật Coulomb làm ví dụ, lực tương tác hai điện tích điểm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng. Nếu dịch chuyển cặp điện tích từ bàn Trường ĐHSP Hà Nội sang bàn khác đảm bảo giữ nguyên khoảng cách chúng lực tương tác chúng không thay đổi. Cũng tương tự với định luật vạn vật hấp dẫn. Nói tới tính đối xứng phép dịch chuyển không gian phải kể tới tất ảnh hưởng tới thí nghiệm chuyển tất với thiết bị. Chú ý cần phải dịch chuyển lúc tất cà ảnh hưởng dù tới thí nghiệm. 3.2. Các định luật vật lí không thay đổi dịch chuyển thời gian Ta phóng hành tinh quanh Mặt trời, theo hướng xác định. Và giả sử ta phóng lần sau hai hai năm sau lần thứ hai cách phóng từ điểm xuất phát vị trí tương đối hành tinh Mặt trời lúc bắt đầu phóng hoàn toàn giống lần trước. Bấy giờ, tất xảy hoàn toàn lần phóng trước. Tuy nhiên với dịch chuyển thời gian phải có quy tắc tương tự, nghĩa cần phải dịch chuyển lúc tất cà ảnh hưởng dù tới thí nghiệm. Và phải chuyển dời thời gian trình nở vũ trụ với tất lại coi số hấp dẫn không đổi theo thời gian. Ngày người ta thỏa thuận với phải vạch đường ranh giới bên định luật vật lí, bên khác khẳng định vũ trụ sinh nở nào, điều sau biết ít. 3.3. Phép quay không gian không làm thay đổi định luật vật lí Nếu làm thí nghiệm với thiết bị đặt điểm xác định, sau quay nó, để tất trục có hướng khác, thiết bị hoạt động hoàn toàn giống trước. Dĩ nhiên lúc phải quay tất khác có ảnh hưởng tới thí nghiệm. Thí nghiệm Michelson nhằm phát “gió ete” ví dụ, quay toàn thí nghiệm góc 90 hình ảnh vân giao thoa quan sát hoàn toàn không thay đổi. Kết thí nghiệm khẳng định “gió ete” phủ nhận thuyết ete vũ trụ, từ đời thuyết tương đối hẹp Einstein. 3.4. Các định luật vật lí không thay đổi chuyển động thẳng – Nguyên lí tương đối Tính đối xứng định luật vật lí phát biểu thành tiên đề thuyết tương đối hẹp Einstein. Tiên đề 1: Vận tốc ánh sáng không đổi theo phương không phụ thuộc vào chuyển động nguồn sáng. Tiên đề 2: Mọi tượng vật lí diễn hệ quy chiếu quán tính. Không thể dùng thí nghiệm vật lí nội hệ quy chiếu quán tính để xét xem đứng yên hay chuyển động thẳng so với hệ quy chiếu quán tính khác. Sự đối xứng phép dịch chuyển không gian thời gian . không chứa đặc biệt sâu sắc. Nhưng đối xứng chuyển động thẳng lí thú, cho hệ nhiều màu nhiều vẻ. Hơn hệ mở rộng cho định luật mà chưa biết. 3.5. Nguyên lí bất khả phân biệt hạt vi mô đồng Nội dung nguyên lí bất khả phân biệt hạt vi mô đồng (còn gọi nguyên lí đồng nhất): Các trạng thái vật lí hệ nhiều hạt đồng phải trạng thái bất biến phép hoán vị hạt. Trong hệ hạt boson (fermion) đồng nhất, ta hoán vị hai hạt cho không dẫn tới trạng thái vật lí hệ; Mặc dù hàm sóng mô tả trạng thái hệ không đổi dấu hệ hạt boson đổi dấu hệ hạt fermion. Một nguyên tử thay nguyên tử loại, điều không ảnh hưởng đến tượng nào. Ý nghĩa thực khẳng định chỗ: có tồn nguyên tử loại tìm thấy nhóm hay lớp nguyên tử, phép thay nguyên tử nguyên tử khác ý nghĩa gì. Mà số lượng nguyên tử mol vật chất phải tính số với 23 chữ số không, biết có nguyên tử đồng tất chúng hoàn toàn khác điều quan trọng. Thật vậy, điều quan trọng là: phân chia chúng số có hạn (vài trăm) loại khác nhau, điều khẳng định: “một nguyên tử thay nguyên tử khác loại mà ảnh hưởng cả”, chứa đựng lượng thông tin không nhỏ. Khẳng định cho phép giải thích tượng siêu dẫn, siêu lỏng .và sở cho toàn hệ thống tuần hoàn nguyên tố. Trong định luật vật lí không tính chất đối xứng khác vài tính chất đối xứng lại thuộc loại hoàn toàn khác biệt. 4. Mối liên hệ định luật đối xứng định luật bảo toàn Các định luật đối xứng định luật bảo toàn có mối quan hệ sâu xa. Mối liên hệ dựa nguyên lý cực tiểu định luật vật lí phát biểu dựa sở nguyên lý cực tiểu. Nếu nguyên lý cực tiểu nguyên lý đối xứng phép dịch chuyển không gian có đại lượng không đổi theo thời gian. Đại lượng không đổi theo thời gian động lượng, rút định luật bảo toàn động lượng. Cũng trường hợp dịch chuyển thời gian, rút định luật bảo toàn lượng. Phép quay không gian không làm thay đổi định luật vật lí dẫn tới định luật bảo toàn mô men động lượng. 5. Sự vi phạm đối xứng vật lý Bây giờ, có ý kiến cho định luật vật lí đối xứng biến đổi. Nhưng vậy, ví dụ sau không đối xứng định luật vật lí. 5.1. Các định luật vật lí không đối xứng biến đổi kích thước Nếu ta làm máy, xong làm khác mà chi tiết hoàn toàn giống chi tiết máy kia, làm chất liệu to hai lần không hoạt động hoàn toàn giống máy ban đầu. Nếu ta thu nhỏ máy mười tỷ lần, vẻn vẹn lai khoảng năm nguyên tử, mà với năm nguyên tử làm nên maý cả. Galileo lần phát định luật vật lí không giữ nguyên kích thước biến đổi. Nhận xét độ bền xương xà nhà, ông đưa hình ảnh sau. Nếu ta muốn có vật lớn, chẳng hạn hai lần cao hơn, to dài bình thường, trọng lượng vật tăng lên tám lần, cần tới xương chịu sức nặng tám lần lớn hơn. Nhưng độ bền xương phụ thuộc vào kích thước tiết diện ngang nó; tất xương hai lần lớn trước, tiết diện ngang tăng lên bốn lần, chịu sức nặng gấp bốn lần mà thôi. Trong sách “Trao đổi hai khoa học mới” Galileo coi việc phát minh kiện không đối xứng định luật vật lí việc thay đổi kích thước quan trọng định luật chuyển động mà ông phát minh. 5.2. Đối xứng gương P (Parity) Trong đối xứng gương P, cho ta phân biệt tượng gương hình chiếu gương, hoán chuyển không gian 𝑥 ↔ −𝑥 không làm chúng thay đổi, chúng bất biến. Các định luật hấp dẫn, định luật điện từ định luật tương tác hạt nhân mạnh bất biến phép phản xạ gương không gian. Phép đối xứng qua gương không tìm thấy hình ảnh vật lí cổ điển. Các nhà vật lí gọi tính chất tính chất chẵn lẻ, định luật bảo toàn tương ứng định luật bảo toàn tính chẵn lẻ. Hai nhà vật lí Trung Quốc Mỹ L. D. Lee C. N. Yang (giải Nobel Vật lí năm 1957) tuyên bố rằng, nguyên lý đối xứng phải trái, theo tự nhiên không thay đổi chiếu qua gương không đúng, điều cho phép giải hàng loạt điều bí mật. L. D. Lee C. N. Yang khám phá lực hạt nhân yếu vi phạm tối đa đối xứng gương P, Spin electron, neutrino hoàn toàn quay phía trái mà không quay phía phải. Trong thí nghiệm tượng phân rã phóng xạ có phóng electron neutrino, chẳng hạn tượng phân rã notron thành proton, electron phản-neutrino, điều lí thú là: Các electron phóng quay quanh trục riêng chúng từ phải sang trái nhìn chúng phía sau; nghĩa chúng phóng theo hướng nam quay Quả Đất. 5.3. Đối xứng vật chất - phản vật chất CP (Charge Parity) Một thí dụ khác đối xứng vật chất – phản vật chất CP, hoán chuyển vật chất – phản vật chất, trước tiên thay đổi dấu điện tích 𝑒 ↔ −𝑒, theo định luật vận hành vật phản vật phải giống hệt nhau. Trong bốn tương tác ba lực hấp dẫn, điện từ hạt nhân mạnh tuân thủ phép đối xứng P CP, lực hạt nhân yếu vi phạm chúng, tối đa với đối xứng P, đôi chút với đối xứng CP, tương tác yếu hạt phản hạt khác mức độ vừa phải. [3]. 5.4. Đối xứng chuẩn (Gauge Symmetry) Có đối xứng đặc trưng vật lí lượng tử mang tên đối xứng chuẩn (Gauge Symmetry). Đối xứng mở chân trời lạ nguồn gốc cho thành công kỳ diệu Mô hình chuẩn (Standard Model). Ta biết bình phương hàm sóng 𝛹(𝑥) cho ta xác suất xảy đại lượng đó. Ta thấy phép hoán chuyển chuẩn 𝛹 𝑥 ↔ 𝛹 𝑥 𝐸𝑥𝑝 𝑖𝛼(𝑥) với hàm thực α(x) không làm thay đổi 𝛹(𝑥) , không làm thay đổi định luật Mô hình chuẩn, đại lượng vật lí phải bất biến với hoán chuyển chuẩn. Chính mà đối xứng chuẩn chi phối toàn diện vận hành tương tác mạnh điện-yếu. Phương trình Maxwell tương tác điện-từ tuân thủ phép đối xứng chuẩn, đối xứng trở thành nguyên lý chủ trì cho phát triển kỳ diệu Điện động lực học lượng tử, tính toán lý thuyết đưa nhiều tiên đoán thực nghiệm kiểm định tới độ xác cao phần tỷ (momen từ electron ví dụ). Mẫu chuẩn chứng tỏ lí thuyết tốt mà hầu hết dự đoán thực nghiệm khẳng định vùng lượng ≤ 200 GeV. Giải Nobel Vật lí năm 2008 vinh tặng ba nhà vật lí Nhật bản, giáo sư Yoichiro Nambu, Makato Kobayashi Toshihide Maskawa tiên đoán tồn hạt Higgs, hạt tạo nên khối lượng cho vật chất tiên đoán hữu tất yếu hai quark đỉnh (quark top) quark đáy (quark bottom), để giải thích bất đối xứng vật chất -phản vật chất Mô hình chuẩn. Chương trình ưu tiên số máy gia tốc hạt hàng đầu giới LHC (Large Hadron Collider ) CERN săn tìm hạt Higgs để hoàn thành Mô hình chuẩn trả lời câu hỏi “Đâu phản vật chất hoàn vũ bao la”? [4,5] 5.5. Siêu đối xứng Mặc dù vậy, Mô hình chuẩn nhiều hạn chế, trước hết liên quan đến trình xảy vùng lượng cao 200 GeV vùng lượng Planck, chưa giải số vấn đề lí thuyết thân mô số lượng cấu trúc hệ fermion, khác khối lượng quark t so với quark khác, giãn nở vũ trụ vấn đề “vật chất tối” không baryon, “năng lượng tối”… Những hạn chế dẫn đến cần thiết phải nghiên cứu mô hình chuẩn mở rộng. Một hướng xây dựng đối xứng liên quan đến hạt có spin khác boson fermion. Đối xứng gọi siêu đối xứng (Supersymmetry), đề xuất vào năm 1970, chứng tỏ quan trọng nhiều lĩnh vực phát triển vật lí lí thuyết giai đoạn nay, ví dụ lí thuyết dây mở triển vọng thống bốn loại tương tác. Một vấn đề có tính thời vật lí hạt nghiên cứu trình vật lí có tham gia hạt đoán nhận mô hình chuẩn siêu đối xứng để hy vọng tìm chúng từ thực nghiệm [5]. 6. Kết luận Trên đây, trình bày cách đơn giản số vấn đề liên quan đến tính đối xứng định luật vật lí thấy rằng: Sự tìm kiếm đối xứng vi phạm cách kiểm soát việc tìm kiếm đại lượng bất biến vật lí phương pháp đường phổ biến công khám phá định luật vật lí. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Glashow S. L. (1961), Partial Symmetries of Weak Interactions, Nucl. Phys. 22, 579. 2. Gildener E. and Weinberg S. (1976), Symmetry Breaking and Scalar Bosons, Phys. Rev. D 13, 3333. 3. Van J. T. T. (1990), CP Violation in Particle Physics and Astrophysics, Editions Frontieres, France. 4. BranconG. C. et al. (1999), CP Violation, Clarendon, Oxford. 5. H. H. Bang, N. T. T. Huong and N. C. Cuong (2009), CP Violation in the MSSM and Some New Interactions, Journal of Science, Vol. 25 (3), 131. SYMMETRY OF PHYSICS RULES Luu Kim Thanh, Nguyen Van Hung Abstract Abstract: In this paper we want to talk about the symmetry of physics rules, with specific contents: What is symmetry? Symmetry of physics rules. The relation of the symmetry rules and conservation rules. The violation of symmetry in physics. . định luật vật lí, với các nội dung cụ thể: Đối xứng là gì? Tính đối xứng của các định luật vật lí. Liên hệ giữa các định luật đối xứng và các định luật bảo toàn. Sự vi phạm đối xứng trong vật lí. [1,2]. thể: Đối xứng là gì ?Tính đối xứng của các định luật vật lí. Liên hệ giữa các định luật đối xứng và các định luật bảo toàn. Sự vi phạm đối xứng trong vật lí. 1. Mở đầu Đối xứng là đặc tính. các định luật vật lí. Một vài tính chất của các định luật vật lí biểu hiện rất giống với những tính chất của một số vật đối xứng. Poincare đã đề nghị nghiên cứu các cách có thể biến đổi các