חוקי שימור וסימטריה (Conservation laws and Symmetry) – מילון מונחים

ל”חוקי שימור” יש חשיבות רבה בפיסיקה. כל חוק שימור קובע כי גודל פיסיקלי מסוים אינו משתנה בתהליכים מסוימים. למשל, חוק שימור התנע קובע כי במערכת שלא פועלים עליה כוחות חיצוניים התנע נשאר קבוע. בפיסיקה הקלאסית ידועים ארבעה חוקי שימור:

1. שימור האנרגיה-מסה (איחוד של חוק שימור האנרגיה וחוק שימור המסה, בעקבות פרסום תורת היחסות המצומצמת והמשוואה E=mc²),
2. שימור התנע
3. שימור התנע הזוויתי
4. שימור המטען החשמלי

אפשר להראות שכל חוק שימור נובע מסימטריה מסוימת של הטבע, כלומר מהעובדה שחוקי הטבע אינם משתנים תחת פעולה דמיונית כלשהי, או שינוי בנקודת מבטו של הצופה. למשל, עקרון הסימטריה שממנו נובע חוק שימור האנרגיה-מסה הוא אי-תלותם של חוקי הטבע בזמן, וחוק שימור התנע נובע מהסימטריה של חוקי הטבע ביחס להזזות במרחב.

בפיסיקה המודרנית התווספו חוקי שימור נוספים, כגון שימור המספר הבריוני, המספרים הלפטוניים והמוּזרוּת. יש חוקי שימור שחלים על כל האינטראקציות, ויש כאלה שחלים על אינטראקציות חזקות ואלקטרומגנטיות אך לא על חלשות. עניין מיוחד יש בשלוש הסימטריות היסודיות שמסומנות באותיות T, C ו-P.
T הופכת את כיוון הזמן, C הופכת כל חלקיק לאנטי-חלקיק שלו, P הופכת כל תהליך לשיקוף המראה שלו. אפשר להוכיח כי כל האינטראקציות סימטריות ביחס לצירוף CPT. כלומר, אם מבצעים על תהליך פיסיקלי את שלוש הפעולות בזה אחר זה (בסדר כלשהו) מקבלים תהליך אפשרי, כלומר תהליך המקיים את חוקי הפיסיקה. בעבר סברו שגם הפעלת כל אחת מהן בנפרד תניב תהליך אפשרי, ואולם בשנות החמישים התברר שהפעלת P או C בנפרד על אינטראקציה חלשה עלולה להניב תהליך שאינו קיים בטבע. אחר כך התברר שיש תהליכים נדירים בעולם החלקיקים שאינם סימטריים תחת הפעולה המשולבת CP.

מכיוון שסימטריית CPT תמיד תקפה, בתהליכים שבהם יש הפרת CP מופרת גם הסימטריה של T. חץ הזמן התרמודינמי בפיסיקה הקלסית נובע מכך שבצבר גדול של חלקיקים, יש מעבר ממצבים בעלי הסתברות נמוכה למצבים בעלי הסתברות גבוהה (או ממצבים בעלי אנטרופיה נמוכה למצבים בעלי אנטרופיה גבוהה יותר). הפרת הסימטריה של T מלמדת שבעולם החלקיקים היסודיים יש חץ זמן נוסף, שקשור לתהליכים פיסיקליים בסיסיים.