• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

symmetri (fysik)

Oprindelig forfatter ON Seneste forfatter Redaktionen

Fysikkens symmetribegreb udspringer af den velkendte, dagligdags opfattelse af symmetrier, men begrebet defineres mere alment i fysikken. I fysisk forstand har et objekt en form for symmetri, hvis man kan gøre noget med objektet, så det derefter ser ud som oprindeligt. Objektet kan være et materielt, fysisk system, men det kan også være en naturlov eller fysikkens repræsentation af en naturlov. Symmetrioperationen kan fx være en drejning om en akse, en spejling i et punkt eller i en plan, en flytning i rummet eller i tiden, en omvending af tidsaksen, en ombytning af fortegnet på en elektrisk ladning eller en kombination af to eller flere af sådanne operationer.

Fysiske symmetrier kan udvides til skaleringsoperationer, som de fx kendes fra logaritmiske spiraler og fra fraktale strukturer. Her gentager former sig, således at man fra en del af strukturen kan slutte sig til resten. Symmetrioperationen kan også bestå i en overgang fra ét fysisk henførelsessystem til et andet, der bevæger sig i forhold til det første.

Symmetri og fysikkens bevarelseslove

Der er en tæt sammenhæng mellem fysikkens abstrakte symmetrier og fysikkens bevarelseslove. Udtrykket invarians, dvs. uforanderlighed, optræder derfor hyppigt i forbindelse med symmetrier. Et klassisk eksempel på en bevarelseslov er bevarelsen af impulsmoment omkring en akse for et fysisk system, der ikke påvirkes af ydre kraftmomenter om den pågældende akse. Denne invarians af systemets samlede impulsmoment er knyttet til det fysiske rums symmetri over for rumlige drejninger. Tilsvarende er fx symmetrien over for en forskydning i tiden knyttet til loven om energiens bevarelse.

Annonce

Symmetribrud

Naturens symmetrier er sjældent helt perfekte. I en idealiseret krystal er der en streng, geometrisk orden, men i praksis vil selv omhyggeligt dyrkede krystaller indeholde fejl af forskellig art. Der kan fx være fremmede atomer på nogle gitterpladser, eller der kan mangle atomer på andre pladser, afhængigt af fx temperaturen.

I fysiske systemer består der en interessant forbindelse mellem perfekt symmetri og brudt symmetri, der giver de brudte symmetrier en vigtig plads i naturbeskrivelsen. I nogle fysiske systemer vil en lille forstyrrelse af systemet kunne foranledige en overgang fra en strengt symmetrisk tilstand med relativt høj energi til en tilstand med brudt symmetri og lavere energi. Et eksempel er en væskes afkøling og overgang til krystalform. I væsken bevæger stofdelene sig i tilfældigt fordelte retninger mellem hinanden, og der er ingen foretrukne retninger. Falder temperaturen til lidt under smeltepunktet, udvikles en krystal, og nu vil enkelte retninger i rummet blive foretrukne. Den oprindelige, fuldstændige rotationssymmetri er hermed brudt.

I magnetiske materialer vil overgangen fra en paramagnetisk tilstand med fuldstændig rotationssymmetri til en ferromagnetisk tilstand med foretrukken magnetiseringsretning ligeledes kunne beskrives som en overgang fra en tilstand med højere energi til en lavere energitilstand med tab af den fuldstændige symmetri. Også overgangen til den superledende tilstand ved lave temperaturer i fx kviksølv kan beskrives som et symmetribrud.

Relativitetsteori

Symmetriovervejelser over jævn bevægelse i én dimension har vidtgående konsekvenser. Sådanne overvejelser knyttes til inertialsystemer, dvs. koordinatsystemer, hvor inertiens lov gælder. I den specielle relativitetsteori antages det som et almindeligt princip (det såkaldte relativitetsprincip), at alle naturlove forbliver uforandrede i forskellige inertialsystemer. Fx skal de maxwellske ligninger for elektromagnetismen se ens ud, uanset hvilket bevæget inertialsystem der benyttes til at formulere ligningerne. Heraf sluttes det, at lysets hastighed har samme værdi i alle inertialsystemer. Det kan videre sluttes, at sted- og tidskoordinaterne i to inertialsystemer, der bevæger sig jævnt i forhold til hinanden, sammenknyttes via den såkaldte Lorentz-transformation. De maxwellske ligninger er med andre ord invariante over for den symmetrioperation, der indeholdes i Lorentz-transformationen.

Kvantemekanik

Nogle af fysikkens symmetrioperationer er specifikt knyttet til kvantemekaniske partikelsystemer. Mest markant er symmetrien mellem partikler og de tilsvarende antipartikler, som fx elektron-positron-symmetrien. Denne symmetri er knyttet til et fortegnsskift i den elektriske ladning. Symmetrien mellem partikler og antipartikler kan udstrækkes til en symmetri mellem elektrisk neutralt stof og det tilsvarende antistof, fx mellem et hydrogenatom og dets modpart, bestående af en antiproton og en positron.

To andre specifikt kvantemekaniske symmetrier knytter sig til den såkaldte paritetsoperation, hvor der sker spejling i et punkt, og til den operation, der indebærer et fortegnsskift på tidsaksen. Paritetsoperationen fører en højreskrue over i en venstreskrue. Det er påvist, at højre-venstre-symmetrien er brudt i processer, der beror på svage vekselvirkninger, mens den er bevaret i processer, der involverer de tre øvrige fundamentale naturkræfter.

Alle de tre ovennævnte kvantemekaniske symmetrier har været undersøgt med kerne- og partikelfysiske metoder. Det viser sig, at naturen generelt ikke er helt symmetrisk, når hver enkelt symmetri betragtes for sig. Der findes også partikelprocesser, der forløber usymmetrisk, når man samtidig foretager en ladningsomvending og en paritetsoperation. Derimod forventes det, at en kombination af alle tre symmetrioperationer gælder eksakt i naturen. Med andre ord forventes det, at alle fysikkens elementære processer forbliver uændrede, når man på samme tid skifter fortegn på de elektriske ladninger, ombytter højre og venstre og skifter fortegn på tidsaksen.

Det må understreges, at den nævnte omvending af tidsaksen er knyttet til processer på det molekylære, atomare og subnukleare plan, fx stødprocesser mellem to elektroner. Tidsomvending kan ikke udstrækkes til fænomener, hvor der deltager et stort antal ens atomer og molekyler. I sådanne makroskopiske systemer fremkommer der altid en foretrukken retning af tiden.

Kosmologi

Det nuværende Univers består efter alt at dømme alene af partikler, uden ansamlinger af antipartikler. Denne asymmetri var formentlig ikke til stede i de tidligste faser af big bang, hvor Universet må formodes at have indeholdt samme antal partikler og antipartikler. På et tidspunkt undervejs er der sket et symmetribrud, men dets natur er ikke klarlagt. Se også antistof.

Læs mere om symmetri.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Ove Nathan: symmetri (fysik) i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 17. september 2018 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=168254



    • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

    • Kommentar til redaktionen Vedr. symmetri (fysik) Marker den cirkel
      Send kommentar


  • Copyright

    Denne artikel må du ...

  • Kilde

    Denne artikel stammer fra:
    Leksikon

  • Historik