¿Cómo "definen" las simetrías las leyes físicas?

En primer lugar, no tengo ningún problema con respecto a qué son las simetrías o cómo describirlas. Sin embargo, no tengo ningún conocimiento sobre cómo funciona el razonamiento de la teoría cuántica de campos y, por lo tanto, el modelo estándar. Espero que todavía sea apropiado hacer esa pregunta tan temprano.


Lo que me preocupa es una declaración que ahora he escuchado muchas veces y que va en esta línea:

El electromagnetismo se basa en un tu ( 1 ) Simetría. Si consideramos otras simetrías, terminamos con otras fuerzas, por ejemplo, si consideramos S tu ( 2 ) × tu ( 1 ) , obtenemos la interacción electrodébil.

Suponiendo que esta declaración fuera cierta, me imagino que se haría algo como lo siguiente:

  • Considere algún marco matemático en la línea de "Espacio de configuración + Función de este último + Axiomas"
  • Postula que dicha función tiene un tu ( 1 ) simetría
  • Termine con las ecuaciones de Maxwell (o el Lagrangiano correspondiente o algo equivalente a eso)

Sin embargo, no puedo imaginar ningún proceso en este sentido. ¿Cómo se puede postular una simetría y encontrar leyes físicas? ¿No ha sido siempre al revés? ¡Eso me parece magia completa!

No funciona así. En este caso, está pensando específicamente en la teoría de calibre de Yang-Mills, que se define esencialmente al dar un grupo de simetría, pero básicamente nos está pidiendo aquí que reproduzcamos una introducción completa a la teoría de calibre, lo que hace que esto sea demasiado amplio . Sin embargo, consulte, por ejemplo, physics.stackexchange.com/q/126978/50583 para una pregunta cuyas respuestas quizás se acerquen a la descripción general que está buscando aquí.
El electromagnetismo se construyó sobre la evidencia experimental de Oersted y Ampere y Faraday y otros, y sobre las habilidades matemáticas de Maxwell y Heaviside y otros. No sobre la simetría U(1). Así que tenga cuidado con las declaraciones radicales. A veces son de mierda.
Pensé que normalmente solo deberíamos tener una correspondencia entre simetrías/invariantes y principios de conservación (p. ej., las leyes de la física no cambian (son invariantes en el tiempo) <=> conservación de la energía; las leyes de la física son las mismas en todas partes (invariantes de traducción) < => conservación del momento; las leyes de la física son anisotrópicas (rotación invariante) <=> conservación del momento angular)
La frase "construido sobre" aquí no significa descubierto desde. Significa existir debido a. Es como si yo dijera que las rocas están hechas de átomos y alguien bromeara "seguramente eso no puede ser correcto, los humanos deben haber descubierto las rocas antes que los átomos".

Respuestas (1)

Una teoría se describe típicamente por un Lagrangiano , y variando esto nos da las ecuaciones de movimiento del sistema. Las simetrías que describe son simetrías del Lagrangiano, es decir, son transformaciones que dejan el Lagrangiano sin cambios.

Sería bueno pensar que los lagrangianos que describen nuestras principales teorías de la física se derivaron de alguna manera lógica y sistemática, pero la verdad es que son en gran parte conjeturas (¡aunque para ser justos, son conjeturas típicamente inspiradas !). Suponemos un Lagrangiano, hacemos muchas matemáticas y vemos si la teoría resultante coincide con el experimento.

En principio hay un número infinito de Lagrangianos que podríamos elegir como conjetura. En la práctica, el sentido común reduce el rango de opciones, pero obviamente cualquier forma de reducirlo aún más es de gran ayuda, y eso es lo que hace una simetría de calibre. Por ejemplo, requiriendo que nuestras conjeturas para la electrodinámica cuántica Lagrangiana tengan un tu ( 1 ) simetría nos lleva a una teoría que tiene que tener tanto electrones como fotones - sin ambos se violaría la simetría. También nos dice que los fotones tienen que ser sin masa, lo cual está bien en realidad. De hecho, simplemente requiriendo la tu ( 1 ) simetría, el lagrangiano correcto para la electrodinámica cuántica cae prácticamente en nuestras manos.

Las otras simetrías de calibre funcionan de manera similar. Para QCD suponemos que la simetría de calibre es S tu ( 3 ) , y exigir que el Lagrangiano QCD respete esta simetría apunta muy fuertemente a la elección correcta del Lagrangiano para la teoría. Al igual que con QED, encontramos que debemos tener tanto quarks como gluones e incluso nos dice cuántos gluones debe haber, y nos dice que los gluones no deben tener masa, como observamos.

¿Puedo sugerir dedicar un poco más de tiempo a lo que significa "variar" en este contexto? (+1, obviamente. Además, probablemente te hayas dado cuenta, pero ahora está en HNQ; de ahí la sugerencia).