Symmetrie (Physik)
Unter einer Symmetrie (von altgriech. σύν syn „zusammen“, μέτρον métron „Maß“) versteht man in der Physik die Eigenschaften eines Systems, nach einer bestimmten Änderung (Transformation, insbesondere Koordinatentransformationen) unverändert zu erscheinen (invariant zu sein). Wenn Transformationen ein physikalisches System nicht verändern, werden diese Transformationen Symmetrieoperationen oder Symmetrietransformationen genannt. Es ist unmöglich festzustellen, ob ein System einer Symmetrieoperation unterzogen wurde oder nicht. Unterschieden werden diskrete Symmetrien (z. B. Spiegelsymmetrie), die nur eine endliche Anzahl an Symmetrieoperationen besitzen, sowie kontinuierliche Symmetrien (z. B. Rotationssymmetrie), die eine unendliche Anzahl an Symmetrieoperationen besitzen.
Die mathematische Beschreibung von Symmetrien erfolgt durch die Gruppentheorie.
Einordnung
Symmetrien spielen in der modernen physikalischen Forschung eine große Rolle. Wird in einem Experiment eine Symmetrie festgestellt, so muss die zugehörige Theorie, die durch eine Lagrangefunktion oder eine Wirkung dargestellt wird, invariant unter einer entsprechenden Symmetrieoperation sein. In den in der Teilchenphysik häufig verwendeten Eichtheorien, d. h. Theorien die invariant unter einer Eichtransformation sind, legt diese Symmetrie z. B. Art und relative Stärke der Kopplungen der Teilchen untereinander sowie die Masse der Eichbosonen fest.[1]
Erkenntnisse über Symmetrien erwiesen sich oft als Ausgangspunkte für gänzlich neue Theorien. So war die Invarianz der Maxwell-Gleichungen unter Lorentz-Transformationen ein Ausgangspunkt für Albert Einstein zur Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie, und gewisse Muster im Spektrum der Elementarteilchen führten zur Entwicklung des Quark-Modells für z.B. das Proton.
Symmetrien sind eng mit Erhaltungssätzen verknüpft. Das Noether-Theorem besagt, dass zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eine Erhaltungsgröße zugeordnet werden kann. So folgt z. B. aus der Zeittranslationsinvarianz die Energieerhaltung des Systems, in der Hamiltonschen Mechanik gilt auch die Umkehrung. Für ein System mit Energieerhaltung gilt also die Zeittranslationsinvarianz.
Wichtig sind nicht nur die Symmetrien selbst, sondern auch Symmetriebrechungen. So wird in der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung die Eichsymmetrie durch den Higgs-Mechanismus gebrochen, wozu das einzige bisher noch nicht nachgewiesene Teilchen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik, das Higgs-Boson, benötigt wird. Auch können Symmetriebrechungsvorgänge in Zusammenhang mit Phasenübergängen stehen, wie z.B. beim ferromagnetischen Phasenübergang.
Übersicht
Folgende Tabelle gibt einen Überblick über wichtige Symmetrien und ihre Erhaltungsgrößen. Sie sind aufgeteilt in kontinuierliche und diskrete Symmetrien.
| Symmetrie | Erhaltungsgröße | Typ[2] | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Kontinuierliche („fließende“) Symmetrien | |||
| Translationsinvarianz | Impuls | geometrisch | Der Gesamtimpuls eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Auch Homogenität des Raumes genannt. |
| Zeitinvarianz | Energie | geometrisch | Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Auch Homogenität der Zeit genannt. |
| Rotationsinvarianz | Drehimpuls | geometrisch | Der Gesamtdrehimpuls eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Auch Isotropie des Raumes genannt. |
| Eichtransformationsinvarianz | Ladungsdichte | Ladung | Die Gesamtladungsdichte in einem abgeschlossenen System ist konstant. |
| SU(2) des starken Isospins | Baryonenzahl | Ladung | Die Baryonenzahl in einem abgeschlossenen System ist konstant. |
| SU(2) des schwachen Isospins | Leptonenzahl | Ladung | Die Leptonenzahl in einem abgeschlossenen System ist konstant. |
| Diskrete („abzählbare“) Symmetrien | |||
| C, Ladungskonjugation | − | Ladung | Werden die Vorzeichen aller Ladungen eines Systems umgedreht, so ändert sich dessen Verhalten nicht. |
| P, Räumliche Spiegelung | − | geometrisch | Wird ein System räumlich gespiegelt, ändert sich sein physikalisches Verhalten nicht. Die schwache Wechselwirkung verletzt diese Symmetrie jedoch (siehe Symmetriebrechung). |
| T, Zeitumkehr | − | geometrisch | Ein System verhielte sich genauso, wenn die Zeit rückwärts abliefe. |
| CPT | − | geometrisch | Ein vollkommen inverses (sowohl räumlich, als auch zeitlich, als auch ladungsgespiegeltes) System verhielte sich genauso wie das nichtgespiegelte. |
Transformationen
Transformationen oder Symmetrieoperationen können wie die Symmetrien selbst stetig oder diskret sein. Ein Beispiel für eine stetige Transformation ist die Drehung eines Kreises um einen beliebigen Winkel. Beispiele für eine diskrete Transformation sind die Spiegelung einer zweiseitig symmetrischen Figur, die Drehung eines regelmäßigen Vielecks oder die Verschiebungen um ganzzahlige Vielfache von Gitterabständen. Die durchführbaren Transformationen bestimmen, um welchen Symmetrietyp es sich handelt. Während diskrete Symmetrien durch Symmetriegruppen (wie z.B. Punktgruppen und Raumgruppen) beschrieben werden, verwendet man zur Beschreibung stetiger Symmetrien Lie-Gruppen.
Transformationen, die nicht vom Ort abhängen nennt man globale Transformationen. Kann der Transformationsparameter an jedem Ort (abgesehen von Stetigkeitsbedingungen) frei gewählt werden, spricht man von lokalen Transformationen oder von Eichtransformationen. Physikalische Theorien, deren Wirkung invariant unter Eichtransformationen sind, heißen Eichtheorien. Alle fundamentalen Wechselwirkungen, Gravitation, die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung werden nach heutigem Wissen durch Eichtheorien beschrieben.
Symmetriebrechung
Die Thermodynamik ist nicht zeitinvariant, da umgekehrte Wärmeströme von kalt zu heiß nicht existieren und die Zunahme der Entropie eine Zeitrichtung auszeichnet. Die Schwache Wechselwirkung ist nicht invariant unter Raumspiegelung, wie 1956 im Wu-Experiment gezeigt. Das Verhalten von K-Mesonen und B-Mesonen ist nicht invariant unter der gleichzeitigen Spiegelung und Austauschung von Teilchen. Ohne diese CP-Verletzung wäre beim Urknall gleich viel Materie wie Antimaterie entstanden, die sich bis heute zerstrahlt hätte. Erst die CP-Verletzung erklärt zum Teil die Baryonenasymmetrie, also das heutige Überwiegen von Materie.
Beim Übergang von klassischen zu Quantentheorien können zusätzliche Symmetriebrechungen erfolgen. Beispiele sind der Higgs-Mechanismus als dynamischer Symmetriebruch und die chirale Anomalie.[1]
Chemie
Ist in der Chemie der Hamilton-Operator eines Moleküls invariant unter einer Gruppe von Symmetrieoperationen, und wendet man die Symmetrieoperationen auf den Grundzustand an, so entstehen stabile Zustände gleicher Energie. Stimmen sie mit dem ursprünglichen Zustand überein, so ist er invariant und die Transformationen sind Symmetrien des Grundzustandes. Sind die transformierten Zustände vom ursprünglichen Grundzustand verschieden, so nennt man die Symmetrie spontan gebrochen. Beispielsweise ist die rechtsdrehende Milchsäure das Spiegelbild der gleich stabilen linksdrehenden Milchsäure. Dass im menschlichen Körper rechtsdrehende Milchsäure entsteht, bricht die Symmetrie zwischen rechts und links spontan.
Beispiele
Ein wichtiges Beispiel einer Symmetrie ist ein kugelsymmetrisches oder rotationssymmetrisches Potential, wie das elektrische Potential einer Punktladung (z. B. ein Elektron) oder das Gravitationspotential einer Masse (z. B. ein Stern). Das Potential ist nur vom Abstand zur Ladung oder zur Masse abhängig, nicht jedoch vom Winkel zu einer gewählten Achse. Es spielt also keine Rolle, welches Bezugssystem zur Beschreibung gewählt wird, solange sich Ladung oder Masse in dessen Ursprung befinden. Als Folge der Symmetrie gilt für ein Teilchen in einem kugelsymmetrischen Potential die Drehimpulserhaltung. Wegen fehlender Translationssymmetrie ist der Impuls des Teilchens in diesem Beispiel keine Erhaltungsgröße.
Weiterführendes
- Louis Michel: Symmetry defects and broken symmetry. Configurations Hidden Symmetry. Rev. Mod. Phys., 1980.
- Symmetry and Symmetry Breaking. Eintrag In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy
- Walter Greiner, Berndt Mueller: Quantenmechanik. Symmetrien. 3. Auflage. Deutsch, Frankfurt am Main 1990, ISBN 3-8171-1142-8. (Theoretische Physik. Band 5)