Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
ценность закона. Огромное количество различных процес* сов охватывается
одним и тем же количественным утвер* ждением" Очевидно, открытие каждого
нового закона сохранения должно быть делом огромной важности;
соответственно отказаться от какого-либо из старых за* конов невозможно
без самой строгой аргументации. В этой главе мы расскажем, как
накапливалась такого рода аргументация (и что побудило к этому) в случае
закона сохранения величины, называемой четностью.
Понятие четности тесно связано с различием между понятиями "левое" и
"правое", а также наличием или отсутствием зеркальной симметрии. Мир
природы полон примеров асимметрии "левого" и "правого", начиная от столь
крупных (и на первый взгляд несущественных), как размещение органов тела
или направление закру-
1 Эта цитата заимствована из книги March R. Н., Physics for Poets,
McGraw-Hill, Inc., 1970.
193
чивания раковин некоторых моллюсков, до значительно более тонких и
биологически важных явлений, как оптическая активность1 многих
органических веществ. Однако все эти примеры представляются случайными и
не отражающими какой-либо внутренней асимметрии в законах природы. Так,
любое оптически активное вещество может существовать в двух формах,
причем соответствующие молекулы являются зеркальным отражением друг друга
и вращают плоскость поляризации в противоположных направлениях2. В то
время как существующие в природе организмы используют, например, сахар
лишь в левовращающей форме (т. е. вращение плоскости поляризации
происходит влево), нет оснований сомневаться в возможности существования
организмов, использующих его правовращающую форму (или зеркально-
симметричную форму любого другого оптически активного биологического
вещества); во всех других отношениях эти организмы будут идентичны
известным. Иными словами, законы классической физики и химии инвариантны
относительно отражения системы координат.
Принципы инвариантности связаны обычно с законами сохранения. Например,
закон сохранения энергии служит проявлением инвариантности физических
законов относительно операции сдвига во времени. В определенном смысле
аналогичная взаимосвязь имеется и для инвариантности относительно
отражения в пространстве. Представим себе, например, натянутую струну,
закрепленную в двух точках. Собственные колебания струны могут быть
классифицированы по их свойствам при отражении относительно центра
струны: нечетные гармоники не изменяются, тогда как четные - меняют
знак3. Если струне сообщить начальное смещение, не изменяющееся при
отражении, результирующее колебание струны будет содержать только
нечетные гармоники
1 Этим термином обозначают свойство раствора или жидкой фазы вещества
поворачивать плоскость поляризации света, проходящего сквозь них.
2 Действительно, при синтезе такого вещества из оптически неактивных
компонент получается смесь право- и левовращающих форм в равных
количествах.
3 Так, во второй гармонике левая половина струны смещена вверх, тогда как
правая - вниз; отражение относительно центра меняет их положения на
обратные.
194
и по-прежнему оставаться неизменным при отражении. Однако между
инвариантностью относительно отражения и другими видами инвариантности
имеется существенное различие. Так называемым непрерывным преобразованиям
симметрии - вращению и сдвигу в пространстве и во времени -
сопоставляются динамические переменные, сами являющиеся непрерывными, и
динамическая система может характеризоваться значениями этих переменных.
Именно эти значения подчиняются законам сохранения. В противоположность
этому единственное свойство, которое можно сопоставить операции
отражения, - это четность или нечетность координатного описания Однако
классическая система может не иметь определенной четности, а если она и
имеет ее, то непрерывный характер изменения величин в классической физике
исключает изменение четности - natura non facit saltus '.
С возникновением квантовой теории понятие симметрии по отношению к
отражению предстало в новом свете. Теперь состояние динамической системы
должно было описываться одной функцией координат частиц, входящих в
систему, - так называемой волновой функцией. Любая такая функция, если
она не имеет простых свойств при отражении координат, может быть разбита
на сумму двух функций: одна из них вообще не меняется ("четная"), а
другая лишь изменяет знак ("нечетная"), Само по себе это не ново, то же
самое справедливо, например, и для функции, описывающей в любой момент
времени конфигурацию струны. Однако в квантовой теории каждая из двух
функции характеризует определенное состояние системы. Кроме того,
квантовая теория допускает дискретные изменения, связанные с квантовыми
переходами, так что можно представить себе, что система, первоначально
описываемая функцией одного вида, может изменить свое состояние, и тогда
она будет описываться функцией другого вида. Однако в 1927 г. Е. Вигнер
указал, что единственное известное тогда взаимодействие -
