Значение представлений о симметрии в познании объектов микро-, макро-, мегамира

Свойства симметрии относятся к числу самых основных, коренных свойств физических систем. Представления о симметрии и ее связи с законами сохранения, как указывалось выше, являются одним из важнейших инструментов теоретической физики, позволяющим раскрывать особенности существования и развития материальных систем на разных уровнях организации материи.

С помощью теории групп русский минералог и кристаллограф Е. С. Федоров (1853–1919) предложил классификацию правильных пространственных систем точек, составляющих основу современной кристаллографии. С учетом симметрии пространства-времени в результате решения уравнения общей теории относительности российский математик и геофизик А. А. Фридман (1888–1925) предсказал расширение Вселенной.

Огромную роль рассмотрение симметрий играет в квантовой теории, в частности в теории элементарных частиц. Большая часть теории элементарных частиц построена на анализе именно этих свойств. Понятия частицы и античастицы, идеи, связанные с проблемами четности, обратимости времени, объединением фундаментальных взаимодействий и многое другое – в основе всего этого лежат представления о симметрии.

Количество законов сохранения, известных человечеству, существенно пополнилось в связи с изучением свойств элементарных частиц. Так, из калибровочных симметрий заряженных частиц следует не только закон сохранения электрического заряда, но и законы сохранения лептонного и барионного зарядов, из изотопической инвариантности –закон сохранения изотопического спинав процессах сильного взаимодействия. Как упоминалось выше, симметрия правого и левого, или пространственная инверсия (Р), приводит кзакону сохранения пространственной четности. Этот закон выполняется в электромагнитных и сильных взаимодействиях, но в процессах, вызванных слабым взаимодействием, наблюдается нарушение зеркальной симметрии. Симметрия замены всех частиц на античастицы, или зарядовое сопряжение (С), приводит кзакону сохранения зарядовой четности. Эта симметрия также имеет место для процессов, происходящих в результате сильного и электромагнитного взаимодействий, и нарушается в процессах слабого взаимодействия. Последовательное проведение преобразований пространственной инверсии и зарядового сопряжения (комбинированная инверсия,СР) приводит кзакону сохранения комбинированной четности (СР-четности). Этот комбинированный закон оказывается справедлив не только для сильных и электромагнитных взаимодействий, но и для слабых. Создание теории кварков и изучение симметрий сильного глюонного взаимодействия привело к установлениюзакона сохранения цветного заряда.

Именно с использованием представлений о симметрии связано создание теорий фундаментальных взаимодействий элементарных частиц посредством квантов полей: квантовой электродинамики, теории слабого взаимодействия, теории сильного взаимодействия – квантовой хромодинамики. Представления о усилении симметрии взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях и ее нарушении при низких энергиях играют ключевую роль в решении проблемы создания единой теории взаимодействия элементарных частиц. Именно эти понятия лежат в основе теории электрослабого взаимодействия и теории Великого объединения.