Fizika moderne ka një lloj fiksim me simetri Kjo është mbresëlënëse për këdo që i afrohet qoftë edhe pak kësaj teme. Pavarësisht nëse po flasim për grimca nënatomike, galaktika apo një gotë të thjeshtë vere, fizikantët i rikthehen vazhdimisht simetrive sikur të ishin një busull për të kuptuar universin. Dhe, sinqerisht, po.
Shpesh thuhet, gjysmë me shaka, gjysmë seriozisht, se nëse do ta kuptonim vërtet Nga vjen simetria? Ne mund të deshifrojmë sekretet më të thella të realitetit. Pas kësaj fraze fshihet diçka shumë serioze: një pjesë e mirë e ligjeve që qeverisin kozmosin, nga ruajtja e energjisë deri te hipotezat rreth materies së errët, janë shkruar në gjuhën e simetrive dhe, një hap më tej, të supersimetrisë.
Çfarë nënkuptojmë me simetri në fizikë?
Në gjuhën e përditshme, kur flasim për simetrinë, na shkon mendja te diçka vizuale dhe e ekuilibruar, si trupi i njeriutNëse i shpërfillim nishanet, shenjat dhe papërsosmëritë e vogla, anët tona të majta dhe të djathta duken jashtëzakonisht të ngjashme. Nëse vendosni një aparat fotografik përpara një pasqyre dhe e kornizoni saktë, fotografia e reflektimit tuaj dhe fotografia juaj e drejtpërdrejtë do të ishin praktikisht të padallueshme. Pasqyra po kryen një operacion shumë specifik: ajo ndërron të majtën dhe të djathtën, megjithatë rezultati duket i njëjtë.
Një shembull tjetër i përditshëm është një gotë vere e bërë mirë. Nëse e vendosni në tavolinë dhe e rrotulloni rreth boshtit të saj vertikal, Pamja e saj mbetet e pandryshuar për çdo kënd rrotullimi. Nëse dikush hyn në dhomë, e kthen atë dhe ju ktheheni më vonë, nuk do të jeni në gjendje të dalloni nëse xhami është rrotulluar apo jo vetëm duke e parë atë. Sistemi është, për vëzhguesin, i njëjtë para dhe pas rrotullimit.
Në fizikë, këto shembuj formalizohen duke thënë se një simetri është një operacion që, kur zbatohet në një sistem, Nuk i ndryshon vetitë e tij themeloreNë rastin e parë, po flasim për simetri pariteti (shkëmbimi majtas-djathtas), në të dytin, simetri cilindrike ose rrotulluese. Truku është të identifikohet se cilat transformime janë "të padëmshme", domethënë, cilat i lënë ekuacionet që përshkruajnë sistemin të paprekura.
Ky koncept shkon shumë përtej vizuales. Simetria diskutohet edhe në shprehjet matematikore kur, pas një transformimi të caktuar (për shembull, ndryshimi i një ndryshoreje në negative ose rrotullimi i një sistemi koordinativ), Formula që rezulton përputhet me atë origjinaleNë matematikën moderne, simetritë përshkruhen nga struktura shumë të rafinuara (grupe, përfaqësime, algjebra Lie, etj.) që janë bërë mjete të domosdoshme për fizikantët.
Zbulimi i simetrive nuk është një tekë estetike. Është mënyra për të ditur se çfarë lloj operacionesh mund të kryejmë në një sistem pa ndryshuar rezultatet e tij të vëzhgueshme. Në praktikë, kjo e zvogëlon shumë kompleksitetin e problemeve, sepse Kjo menjëherë përjashton shumë mundësi. gjë që do të ishte e papajtueshme me atë simetri.
Pse simetria mbizotëron në fizikën moderne
Imagjinoni sikur doni të ndërtoni një teori fizike për një botë që është një sferë e përsosur. Intuitivisht, ju e dini që çdo rrotullim i asaj sfere lë gjithçka të njëjtë: Nuk ka asnjë pikë të privilegjuarNëse ligjet e fizikës do të vareshin nga pozicioni specifik në sferë, do të mund të dallonit një pikë nga një tjetër nëpërmjet eksperimentimit dhe simetria do të prishej. Prandaj, ekuacionet që shkruani nuk mund të bëjnë dallimin midis pikave; ato duhet ta respektojnë këtë simetri.
Ky lloj arsyetimi përshkon të gjithë fizikën aktuale. Modeli Standard, i cili përshkruan grimcat elementare dhe bashkëveprimet e tyre (përveç gravitetit klasik), është ndërtuar fjalë për fjalë. në grupe simetrish abstrakte që lidhin grimcat me njëra-tjetrën dhe kufizojnë mënyrën se si ato mund të bashkëveprojnë. Simetritë nuk shtohen në fund për të zbukuruar teorinë; ato janë vetë skeleti i modelit.
Diçka e ngjashme ndodh në relativitetin e përgjithshëm, por me simetri të ndryshme. Teoria e Ajnshtajnit bazohet në idenë se ligjet fizike duhet të jenë të vlefshme në çdo sistem referimi që lëviz në mënyrë të arsyeshme, gjë që përkthehet në një invarianca nën transformime të caktuara të hapësirë-kohësPërsëri, simetria nuk është vetëm një kuriozitet, por një kërkesë për qëndrueshmëri.
Në punën e përditshme të një fizikani, kjo përkthehet në një lloj motoje: "jo gjithçka shkon". Simetritë veprojnë si një udhëzues brutalisht efektiv për të hedhur poshtë teoritë e mundshme dhe për të hartuar teori të reja. Shumë nga propozimet në fizikë përtej Modelit Standard, nga teoritë e mëdha të unifikuara deri te modelet e gravitetit kuantik, lindin pikërisht nga kërkesa për më shumë simetri, ose nga thyerja e tyre në mënyra shumë të kontrolluara.
Teorema e Noether-it: ura midis simetrisë dhe ruajtjes
Në fillim të shekullit të 20-të, matematikanja gjermane Emmy Noether formuloi një rezultat që shumë e konsiderojnë një nga perlat më të thella të fizikës teorikeTeorema e tij vendos një lidhje të drejtpërdrejtë midis simetrive dhe madhësive të ruajtura. Thënë thjesht: sa herë që një teori ka një simetri të vazhdueshme, një madhësi që mbetet konstante me kalimin e kohës shfaqet e lidhur me të.
Për shembull, ruajtja e energjisë lidhet me simetri në lidhje me zhvendosjen në kohëNëse ligjet e fizikës nuk ndryshojnë nga një ditë në tjetrën (domethënë, ato janë të njëjta sot me nesër), atëherë energjia totale e një sistemi të izoluar ruhet. Ruajtja e impulsit linear shoqërohet me simetrinë përkthimore në hapësirë: nëse lëvizja e të gjithë eksperimentit disa metra nuk i ndryshon rezultatet e tij, impulsi mbetet konstant.
Diçka e ngjashme ndodh me momentumin këndor, i cili është i lidhur me simetri rrotullueseNëse rrotullimi i të gjithë sistemit nuk i ndryshon vetitë e tij fizike, atëherë impulsi këndor total nuk ndryshon. E kështu me radhë me madhësi të tjera të ruajtura, siç është ngarkesa elektrike, të cilat korrespondojnë me simetri të brendshme më abstrakte.
Gjëja e pabesueshme në lidhje me teoremën e Noether-it është se na lejon të nxjerrim informacion të fuqishëm nga një teori pa pasur nevojë të zgjidhim të gjitha ekuacionet e saj. Thjesht identifikimi i simetrive të saj zbulon se cilat madhësi mbeten të pandryshuara. Ky truk zbatohet nga mekanika klasike deri te fizika e fushës kuantike, dhe çdo student që has atë përjeton një tronditje të vogël: Duket sikur një e vërtetë shumë e thellë del papritur në pah rreth mënyrës se si është i organizuar universi.
Bozonet dhe fermionet: dy familje shumë të ndryshme
Kur kalojmë te mekanika kuantike e sistemeve me shumë grimca, hasim dy lloje kryesore: fermionet dhe bozonetKy klasifikim nuk është arbitrar; ai lidhet me një veti të brendshme të grimcave të quajtur spin, që lidhet me momentumin këndor kuantik.
Fermionet (si elektronet, protonet ose neutronet) kanë spin gjysmë të plotë (1/2, 3/2, etj.) dhe i binden parimit të përjashtimit të Paulit. Kjo do të thotë që Ato nuk mund të ndajnë saktësisht të njëjtën gjendje kuantikeNë praktikë, kjo do të thotë se atyre "nuk u pëlqen të grumbullohen" me të gjitha vetitë e tyre identike. Ky rregull i thjeshtë shpjegon gjithçka, nga struktura e atomeve deri te stabiliteti i materies që prekim çdo ditë.
Bozonet, nga ana tjetër, kanë spin të plotë (0, 1, 2…) dhe janë shumë më të shoqërueshëm. Ato mund të zënë të njëjtën gjendje kuantike pa probleme. Në disa sisteme, në fakt, Të gjitha grimcat bozonike përfundojnë në të njëjtën gjendjesiç ndodh në lazerë ose në kondensatet Bose-Ajnshtajn. Fotoni, bozoni i Higgsit ose pionet janë shembuj të bozoneve që i njohim mirë në laborator.
Ky ndryshim në sjelljen kolektive i bën fermionet dhe bozonet të duken si dy botë të ndara. Njëra ndërton "materien" (elektronet, kuarket, leptonet në përgjithësi), ndërsa tjetra zakonisht është përgjegjëse për ndërmjetësojnë ndërveprimet themelore (fotonet për elektromagnetizmin, gluonet për bashkëveprimin e fortë, etj.). Ato nuk duket se kanë shumë të përbashkëta... përveç nëse ka një simetri më të thellë që i lidh ato.
Dhe këtu hyn në lojë supersimetria, një ide që sugjeron se, ndoshta, Fermionet dhe bozonet janë dy anët e së njëjtës monedhë, të lidhura nga një transformim edhe më delikat.
Nga simetritë e zakonshme në supersimetri
Duke filluar nga vitet 60 dhe 70, fizikantët teorikë filluan të pyesnin veten nëse ishte e mundur të imagjinohej simetri të reja që shkuan përtej të atyre që njihen tashmë në Modelin Standard. Nëse simetritë e zakonshme do të kishin rezultuar kaq të dobishme për ndërtimin e teorive, pse të mos eksplorohet nëse mund të ketë një version të zgjeruar të konceptit që lidh drejtpërdrejt fermionet dhe bozonet?
Historikisht, ka pasur disa hapa shumë interesantë të mëparshëm. Fizikani japonez Hironari Miyazawa propozoi një lloj supersimetria hadronike midis barioneve (fermioneve të përbëra, si protonet dhe neutronet) dhe mezoneve (hadronet bozonike). Për të përshkruar këto marrëdhënie, ai prezantoi struktura matematikore që sot do t'i identifikonim si superalgjebra të tipit SU(3|3), edhe pa përdorur ende atë gjuhë moderne.
Menjëherë pas kësaj, në fillim të viteve 70, disa grupe punuan mbi modelet e dyfishta dhe teoritë e hershme të vargjeve. Gervais dhe Sakita prezantuan atë që e quajtën transformimet "supermatës", pararendës të drejtpërdrejtë të transformimeve supersimetrike aktuale. Paralelisht, Golfand dhe Likhtman zgjeruan algjebrën Poincaré (e cila përshkruan simetritë themelore të hapësirë-kohës relativiste) në një version "të graduar", duke përfshirë gjeneratorë që përzienin shkallët e lirisë bozonike dhe fermionike.
Gjithashtu dolën në pah modele specifike, si ai i Volkov dhe Akulov, i cili parashikoi një fermion me spin 3/2 të lidhur me supersimetrinë jolineare. Por ishte modeli i formuluar nga Wess dhe Zumino në vitin 1973 që bëri vërtet ndryshimin. ai që përfundoi konsolidimin e supersimetrisë si një zgjerim serioz dhe sistematik i kornizës së teorive të fushës kuantike. Nga viti 1974 e tutje, ideja mori hov dhe filloi të integrohej natyrshëm në përpjekjet për të zgjeruar Modelin Standard të sapokonsoliduar.
Ekziston edhe një "parahistori" më e largët: në vitin 1937, Wigner kishte klasifikuar përfaqësimet e pareduktueshme të grupit Poincaré dhe kishte gjetur struktura matematikore me kulla të pafundme helicitetesh të numrave të plotë dhe gjysmë të plotë. Këto përfaqësime, të cilat në atë kohë dukeshin si objekte ekzotike pa zbatim fizik, rezultuan të ishin të lidhura natyrshëm me idetë supersimetrikemegjithëse askush nuk e pa deri dekada më vonë.
Çfarë propozon në të vërtetë supersimetria?
Në formën e saj më themelore, supersimetria (shkurt SUSY) pohon sa vijon: çdo grimce të njohur duhet t'i korrespondojë një partner supersimetrik me të njëjtin grup vetish të brendshme (ngarkesë, spin të modifikuar, etj.) por me një natyrë bozonike ose fermionike të shkëmbyer.
Kështu, çdo fermion në Modelin Standard shoqërohet me një bozon supersimetrik dhe anasjelltas. Elektroni, për shembull, do të kishte një partner të quajtur selektron, i cili do të sillej si një bozon me veti shumë të ngjashme, përveç atij ndryshimi kyç në llojin e spinit. Në mënyrë të ngjashme, kuarket do të çiftëzoheshin me skuarke, dhe Bozonet si gluoni do të shoqëroheshin nga një fermion i quajtur gluino.Fotonet do të shoqëroheshin me fotonet, gravitonet me gravitonet e kështu me radhë me të gjithë katalogun e grimcave përkatëse.
Nëse simetria do të ishte perfekte, secila palë do të kishte të njëjtën masë, që do të thoshte se në eksperimente do ta shihnim gjithmonë grimcën dhe partnerin e saj supersimetrik të prodhuar pa vështirësi. Por ky nuk është rasti: deri më sot, Asnjë nga këto superpjesëza nuk është vërejtur në mënyrë përfundimtare. Për të shpëtuar teorinë, fizikantët prezantojnë idenë e thyerjes së supersimetrisë: simetria ekziston në ekuacionet themelore, por në universin tonë ajo është "e thyer", kështu që masat e superpjesëzave janë shumë më të mëdha se ato të homologëve të tyre të zakonshëm.
Kjo do të thotë që zbulimi i tyre kërkon energji jashtëzakonisht të larta, të tilla si ato të arritura në përshpejtuesit LHC (Përplasësi i Madh i Hadroneve). Sipas shumë modeleve, masat e këtyre superpjesëzave duhet të jenë në dritaren midis rreth 100 GeV dhe 1 TeV, një diapazon energjie që Është eksploruar në eksperimente të tilla si ATLAS dhe CMS.Deri më tani, nuk ka dalë asnjë provë bindëse, gjë që po na shtyn të përsosim modelet, të zgjerojmë gamën e kërkimit ose të vëmë në dyshim disa supozime.
Pse supersimetria i emocionon kaq shumë fizikantë
Supersimetria nuk është thjesht një konstruksion matematikisht i bukur, megjithëse sigurisht që është. Tërheqja e saj kryesore qëndron në përgjigjet sugjestive që ofron për disa probleme të hapura në fizikën aktualeNjë nga problemet më të diskutuara është i ashtuquajturi problem i hierarkisë: pse bashkëveprimi i dobët është kaq intensiv në krahasim me gravitetin, ose, me fjalë të tjera, pse masa e bozonit të Higgsit është kaq "e vogël" në krahasim me shkallën Planck.
Pa supersimetri, llogaritjet kuantike të masës së Higgs-it kanë tendencë të japin rezultate absurde të mëdha, duke kërkuar rregullime jashtëzakonisht të imëta për t'u përputhur me vëzhgimet. Me SUSY, kontributet e fermioneve dhe bozoneve në këto korrigjime anulohen pjesërisht, gjë që E lehtëson problemin në mënyrë natyrale. dhe lejon që masa e Higgsit të mbahet brenda diapazonit të duhur pa xhonglim numerik.
Një tjetër pikë e fortë është materia e errët. Vëzhgimet kozmologjike tregojnë se afërsisht 85% e materies në univers është e një lloji që As nuk lëshon dhe as nuk thith dritëMegjithatë, ajo ushtron një ndikim gravitacional në galaktika dhe grumbuj. Modeli Standard nuk ofron kandidatë të mirë për të shpjeguar këtë materie të errët, përtej neutrinove me masë, të cilat duken të pamjaftueshme. Megjithatë, në shumë modele supersimetrike, grimca më e lehtë supersimetrike (LSP) është e qëndrueshme dhe neutrale, dhe përshtatet mjaft mirë me vetitë e pritura të një grimce materie të errët.
Për më tepër, supersimetria lehtëson unifikimin e bashkëveprimeve themelore. Nëse ekstrapolojmë se si konstantet e çiftëzimit (ato që matin forcën e forcave) evoluojnë me energjinë, Në një model pa SUSY, ato nuk kryqëzohen qartë. në një pikë të vetme. Me supersimetri të shtuar, këto kurba kanë tendencë të bashkohen më mirë në energji shumë të larta, duke nxitur shpresat për një teori të madhe të unifikuar ku elektromagnetizmi, bashkëveprimi i dobët dhe bashkëveprimi i fortë janë manifestime të një force të vetme në energji ekstreme.
Së fundmi, supersimetria luan një rol kyç në teoritë e vargjeve dhe të supervargjeve, të cilat përpiqen të përshkruajnë gravitetin me rregulla kuantike, dhe në teoria e gravitetit kuantikPa supersimetri, teoritë e vargjeve vuajnë nga probleme serioze të konsistencës (shfaqja e takionit, divergjencat, etj.). Me të, Modelet bëhen shumë më të sjellshme dhe shfaqen struktura të pasura dualitetesh dhe korrespondencash matematikore që kanë revolucionarizuar fizikën teorike dhe degë të tëra të matematikës.
Kritikat, dyshimet dhe roli i eksperimenteve
Megjithatë, nuk është vetëm entuziazëm i pakontrolluar. Brenda vetë komunitetit të fizikës teorike, ka zëra kritikë që theksojnë se, pavarësisht dekadave të punës, Ne nuk kemi parë ende asnjë superpjesëz. në eksperimentet më të fuqishme të ndërtuara deri më sot. Sa herë që zgjerojmë gamën e energjive të eksploruara pa gjetur sinjale, disa modele të thjeshta të SUSY bëhen më pak të besueshme.
Gjithashtu, ka debate rreth mënyrës se si këto tema i prezantohen publikut të gjerë. Në leksionet ose videot publike, ndonjëherë shpenzohet shumë kohë duke shqyrtuar fizikën shumë bazike përpara se të futemi në supersimetri, gjë që mund t'i frustrojë entuziastët që tashmë kanë disa njohuri paraprake. Anasjelltas, disa njerëz mendojnë se disa popullarizues Ata e shesin supersimetrinë sikur të ishte një e vërtetë e vendosur., kur në realitet mbetet një kornizë hipotetike në pritje të konfirmimit të qartë eksperimental.
Një shembull i habitshëm i mospërputhjes midis teorisë dhe eksperimentit mund të gjendet në rastin e neutrinove. Për dekada të tëra, supozohej se ato nuk kishin masë, pjesërisht për lehtësi teorike në modele të ndryshme (duke përfshirë disa të frymëzuara nga teoria e vargjeve), por eksperimentet e lëkundjes së neutrinove treguan se Po, ato kanë një masë të vogël, por jo zero.Kjo detyroi një rishikim dhe zgjerim të modeleve, dhe shërben si një kujtesë se natyra gjithmonë ka fjalën e fundit, pavarësisht nëse u pëlqen apo jo konstruksioneve tona elegante.
Në rastin specifik të supersimetrisë, të dhënat e LHC-së kanë vendosur kufizime gjithnjë e më të rrepta mbi masën minimale që mund të kenë shumë superpjesëza. Nuk është se supersimetria në bllok është "hedhur poshtë", por disa nga skenarët e saj më të thjeshtë dhe më optimistë. Ata janë tashmë mjaft të bllokuarFizikanët vazhdojnë të eksplorojnë versione më komplekse, modele me thyerje të ndryshme SUSY ose zgjerime më të sofistikuara, por peizazhi është më pak i rehatshëm sesa ishte njëzet ose tridhjetë vjet më parë.
Supersimetria, materia e errët dhe vrimat e zeza supermasive
Çështja e materies së errët kryqëzohet me supersimetrinë në mënyra shumë sugjestive. E vetmja gjë që dimë me siguri për këtë materie është se ajo... gjurmë gravitacionale në universkurbat e rrotullimit galaktik, lentet gravitacionale, struktura në shkallë të gjerë… Por ne nuk kemi zbuluar drejtpërdrejt asnjë nga grimcat e saj, as në detektorë nëntokësorë dhe as në përplasës.
Disa modele supersimetrike ofrojnë kandidatë shumë natyralë për këtë materie të errët, siç janë disa LSP të qëndrueshme që bashkëveprojnë dobët. Megjithatë, deri më tani eksperimentet që kërkojnë sinjale nga këto grimca, qoftë në hapësirë apo në laboratorë, nuk kanë dhënë rezultate përfundimtare. Situata është e ngjashme me atë të SUSY në përgjithësi: Dritaret eksperimentale po mbyllen gradualisht.Por ka ende vend që ndonjë variant të funksionojë.
Nga ana tjetër, astrofizika po zbulon fenomene që janë të vështira për t'u përshtatur në kuadrin klasik. Teleskopi Hapësinor James Webb, për shembull, ka identifikuar vrima të zeza supermasive jashtëzakonisht të vjetra, pothuajse aq të vjetra sa vetë universi. Sipas ideve tradicionale, këto përbindësha duhet të formohen nga vrima të zeza më të vogla që gëlltisin gaz, yje dhe vrima të tjera të zeza gjatë miliarda viteve. Megjithatë, disa nga ato të vëzhguara duken... shumë të mëdha për moshën e tyre.
Këtu hyn në lojë një hipotezë bindëse: se materia e errët ndikon drejtpërdrejt në formimin e këtyre vrimave të zeza primordiale. Studiues si Alexander Kusenko dhe ekipi i tij kanë propozuar që, në universin e hershëm, prania e materies së errët do të kishte penguar ftohjen e hidrogjenit, duke parandaluar formimin normal të yjeve. Në vend të kësaj, një re gjigante dhe e nxehtë gazi mund të... shembet papritur në një vrimë të zezë supermasiveduke anashkaluar fazën e ndërmjetme yjore.
Problemi është se gazi tenton të ftohet me shpejtësi, veçanërisht kur molekulat e hidrogjenit formohen dhe veprojnë si "radiatorë" efikasë. Materia e errët do të duhej të ushtronte një ndikim shumë delikat për të ruajtur kushtet e nevojshme. Modele teorike dhe simulime po zhvillohen për të studiuar këto skenarë, dhe Teleskopi Hapësinor James Webb, së bashku me observatorët e ardhshëm, mund të ofrojnë të dhëna të rëndësishme. Nëse ndonjë nga këto hipoteza konfirmohet, Lidhja midis materies së errët, supersimetrisë dhe vrimave të zeza Mund të bëhet edhe më e ngushtë.
Megjithatë, për momentin, situata është e sinqertë: ne e dimë që materia e errët ekziston për shkak të efektit të saj gravitacional, kemi ide të arsyeshme (përfshirë shumë ide supersimetrike) rreth asaj që mund të jetë, dhe po grumbullojmë të dhëna interesante rreth rolit të saj në formimin e strukturave kozmike… por Ende nuk e kemi kapur grimcën e betonit nga qafaPër ta thënë troç.
Të marra së bashku, historia e simetrisë dhe supersimetrisë në fizikë tregon shkallën në të cilën universi duket se është i organizuar duke ndjekur modele të thellaNga trupi i njeriut ose një gotë verë te grimcat elementare dhe vrimat e zeza të largëta, simetritë klasike, të formalizuara në rezultate të tilla si teorema e Noether-it, na kanë lejuar të kuptojmë pse ruhen sasi të caktuara dhe si duhet të jenë ligjet e fizikës për të respektuar invariancat themelore të hapësirës dhe kohës. Supersimetria, me gjithë elegancën e saj matematikore dhe potencialin e saj për të zgjidhur enigma të tilla si problemi i hierarkisë ose natyra e materies së errët, mbetet një përpjekje e madhe teorike që pret një verdikt përfundimtar eksperimental. Pavarësisht nëse konfirmohet përfundimisht apo na detyron të shpikim korniza edhe më të guximshme, ajo tashmë ka lënë një gjurmë të thellë në mënyrën se si mendojmë për realitetin.
