Moderna fizika ima neku vrstu fiksacija sa simetrijom što je upečatljivo svakome ko se iole približi toj temi. Nije važno da li govorite o subatomskim česticama, galaksijama ili jednostavnoj čaši vina: fizičari se iznova vraćaju simetrijama kao da su kompas za razumijevanje svemira. I, iskreno, jesu. Često se kaže, polu-u šali, polu-ozbiljno, da ako bismo zaista razumjeli Odakle dolazi simetrija? Mogli bismo dešifrirati najdublje tajne stvarnosti. Iza te fraze krije se nešto vrlo ozbiljno: dobar dio zakona koji upravljaju kosmosom, od očuvanja energije do hipoteza o tamnoj materiji, napisan je jezikom simetrija i, korak dalje, supersimetrije.
Šta podrazumijevamo pod simetrijom u fizici?
U svakodnevnom jeziku, kada govorimo o simetriji, mislimo na nešto vizuelno i uravnoteženo, poput ljudskog tijelaAko zanemarimo madeže, ožiljke i manje nesavršenosti, naša lijeva i desna strana izgledaju izuzetno slično. Ako postavite kameru ispred ogledala i pravilno je kadrirate, fotografija vašeg odraza i direktna fotografija vas bi bile praktično nerazlučive. Ogledalo izvodi vrlo specifičnu operaciju: mijenja lijevo i desno, a ipak rezultat izgleda isto. Još jedan svakodnevni primjer je dobro napravljena čaša za vino. Ako je postavite na stol i rotirate je oko njene vertikalne ose, Njegov izgled ostaje nepromijenjen za bilo koji ugao rotacije. Ako neko uđe u sobu, okrene je, a vi se kasnije vratite, ne biste mogli reći da li se čaša rotirala ili ne samo gledajući je. Sistem je, za posmatrača, isti prije i poslije rotacije. U fizici, ovi primjeri su formalizovani rekavši da je simetrija operacija koja, kada se primijeni na sistem, Ne mijenja svoja osnovna svojstvaU prvom slučaju govorimo o paritetnoj simetriji (izmjena lijevo-desno), u drugom o cilindričnoj ili rotacionoj simetriji. Trik je u tome da se identifikuju koje su transformacije “bezopasne”, odnosno koje ostavljaju jednačine koje opisuju sistem netaknutim. Ovaj koncept ide daleko izvan vizualnog. Simetrija u matematičkom izrazu se također razmatra kada se, nakon izvođenja određene transformacije (na primjer, promjene varijable u negativnu ili rotacije koordinatnog sistema), Rezultirajuća formula odgovara originalnojU modernoj matematici, simetrije se opisuju visoko profinjenim strukturama (grupe, reprezentacije, Liejeve algebre itd.) koje su postale nezamjenjivi alati za fizičare. Detekcija simetrija nije estetski hir. To je način da se sazna koje vrste operacija možemo izvesti na sistemu bez mijenjanja njegovih vidljivih rezultata. U praksi, ovo uveliko smanjuje složenost problema, jer To odmah isključuje mnoge mogućnosti. što bi bilo nekompatibilno s tom simetrijom.
Zašto simetrija vlada u modernoj fizici
Zamislite da želite konstruirati fizičku teoriju za svijet koji je savršena sfera. Intuitivno znate da svaka rotacija te sfere ostavlja sve istim: Nema privilegovane tačkeAko bi zakoni fizike zavisili od specifičnog položaja na sferi, mogli biste razlikovati jednu tačku od druge kroz eksperimente, a simetrija bi se narušila. Stoga, jednačine koje pišete ne mogu praviti razlike između tačaka; one moraju poštovati ovu simetriju. Ova vrsta razmišljanja prožima cijelu modernu fiziku. Standardni model, koji opisuje elementarne čestice i njihove interakcije (osim klasične gravitacije), doslovno je konstruisan na ovom principu. o skupovima apstraktnih simetrija koje povezuju čestice jednu s drugom i ograničavaju način na koji mogu međusobno djelovati. Ove simetrije se ne dodaju na kraju da bi uljepšale teoriju; one su sam kostur modela. Nešto slično se dešava u opštoj relativnosti, ali s drugačijim simetrijama. Einsteinova teorija počiva na ideji da fizički zakoni moraju važiti u bilo kojem razumno pokretnom referentnom okviru, što se prevodi u… invarijantnost pri određenim transformacijama prostor-vremenaPonavljam, simetrija nije samo zanimljivost, već i zahtjev za konzistentnošću. U svakodnevnom radu fizičara, to se prevodi u svojevrsni moto: “ne ide sve po planu”. Simetrije djeluju kao brutalno efikasan vodič za odbacivanje mogućih teorija i za dizajniranje novih. Mnogi prijedlozi u fizici izvan Standardnog modela, od teorija velikog ujedinjenja do modela kvantne gravitacije, proizlaze upravo iz zahtjeva za više simetrija ili iz njihovog kršenja na vrlo kontrolirane načine.
Noetherin teorem: most između simetrije i očuvanja principa
Početkom 20. vijeka, njemačka matematičarka Emmy Noether formulisala je rezultat koji mnogi smatraju jedan od najznačajnijih dragulja teorijske fizikeNjegova teorema uspostavlja direktnu vezu između simetrija i očuvanih veličina. Jednostavno rečeno: kad god teorija ima kontinuiranu simetriju, veličina koja ostaje konstantna tokom vremena pojavljuje se kao povezana s njom. Na primjer, očuvanje energije povezano je sa simetrija u odnosu na pomjeranje u vremenuAko se zakoni fizike ne mijenjaju iz dana u dan (to jest, isti su danas kao i sutra), onda je ukupna energija izolovanog sistema očuvana. Očuvanje linearnog momenta povezano je s translacionom simetrijom u prostoru: ako pomjeranje cijelog eksperimenta za nekoliko metara ne promijeni njegove rezultate, moment ostaje konstantan. Nešto slično se dešava s ugaonim momentom, koji je povezan sa rotacijska simetrijaAko rotacija cijelog sistema ne mijenja njegova fizička svojstva, tada ukupni ugaoni moment ostaje konstantan. I tako dalje s drugim očuvanim veličinama, poput električnog naboja, koji odgovaraju apstraktnijim unutrašnjim simetrijama. Nevjerovatna stvar kod Noetherine teoreme je da nam omogućava da izvučemo snažne informacije iz teorije bez potrebe za rješavanjem svih njenih jednačina. Jednostavno identificiranje njenih simetrija dovoljno je da znamo koje veličine ostaju nepromjenjive. Ovaj trik se primjenjuje od klasične mehanike do kvantne fizike polja, i svaki student koji se s njim susretne doživi mali šok. Izgleda da iznenada izranja jedna veoma duboka istina o tome kako je svemir organizovan.
Bozoni i fermioni: dvije vrlo različite porodice
Kada pređemo na kvantnu mehaniku sistema sa mnogo čestica, susrećemo se sa dva glavna tipa: fermioni i bozoniOva klasifikacija nije proizvoljna; povezana je s intrinzičnim svojstvom čestica koje se naziva spin, a koje se odnosi na kvantni ugaoni moment. Fermioni (kao što su elektroni, protoni ili neutroni) imaju polubrojni spin (1/2, 3/2, itd.) i poštuju Paulijev princip isključenja. To znači da Ne mogu dijeliti potpuno isto kvantno stanjeU praksi, to znači da se oni “ne vole grupirati” sa svim svojim identičnim svojstvima. Ovo jednostavno pravilo objašnjava sve, od strukture atoma do stabilnosti materije koju svakodnevno dodirujemo. Bozoni, s druge strane, imaju cjelobrojni spin (0, 1, 2…) i mnogo su društveniji. Mogu zauzimati isto kvantno stanje bez problema. U nekim sistemima, zapravo, Sve bozonske čestice završavaju u istom stanjukao što se dešava u laserima ili Bose-Einsteinovim kondenzatima. Foton, Higgsov bozon i pioni su primjeri bozona koje dobro poznajemo u laboratoriji. Ova razlika u kolektivnom ponašanju čini da fermioni i bozoni izgledaju kao dva odvojena svijeta. Jedan gradi “materiju” (elektrone, kvarkove, leptone općenito), dok je drugi obično odgovoran za posreduju u fundamentalnim interakcijama (fotoni za elektromagnetizam, gluoni za jaku interakciju, itd.). Čini se da nemaju mnogo zajedničkog… osim ako ih ne povezuje dublja simetrija. I tu dolazi do izražaja supersimetrija, ideja koja sugerira da, možda, Fermioni i bozoni su dvije strane iste medalje, povezani još suptilnijom transformacijom.
Od običnih simetrija do supersimetrije
Počevši od 60-ih i 70-ih, teorijski fizičari su počeli da se pitaju da li je moguće zamisliti nove simetrije koje su išle dalje od od onih koje su već poznate u Standardnom modelu. Ako su se uobičajene simetrije pokazale tako korisnim za izgradnju teorija, zašto ne istražiti da li bi mogla postojati proširena verzija koncepta koja direktno povezuje fermione i bozone? Historijski gledano, bilo je nekih vrlo zanimljivih prethodnih koraka. Japanski fizičar Hironari Miyazawa predložio je 1966. godine neku vrstu hadronska supersimetrija između bariona (kompozitnih fermiona, poput protona i neutrona) i mezona (bozonskih hadrona). Da bi opisao ove odnose, uveo je matematičke strukture koje bismo danas identificirali kao superalgebre tipa SU(3|3), čak i bez korištenja te moderne terminologije. Ubrzo nakon toga, početkom 70-ih, nekoliko grupa je radilo na dualnim modelima i ranim teorijama struna. Gervais i Sakita uveli su ono što su nazvali “superkalibracijske” transformacijeOvo su bili direktni prethodnici trenutnih supersimetričnih transformacija. Paralelno s tim, Golfand i Likhtman proširili su Poincaréovu algebru (koja opisuje osnovne simetrije relativističkog prostor-vremena) na “stupnjevitu” verziju, uključujući generatore koji su miješali bozonske i fermionske stepene slobode. Pojavili su se i specifični modeli, poput Volkovljevog i Akulovljevog, koji je predvidio fermion spina 3/2 povezan s nelinearnom supersimetrijom. Ali model koji su formulirali Wess i Zumino 1973. godine bio je ono što je zaista napravilo proboj. onaj koji je završio konsolidaciju supersimetrije kao ozbiljno i sistematsko proširenje okvira kvantnih teorija polja. Od 1974. godine nadalje, ideja je dobila zamah i počela se prirodno integrirati u pokušaje proširenja novo konsolidovanog Standardnog modela. Postoji čak i udaljenija “predhistorija”: 1937. godine, Wigner je klasificirao ireducibilne reprezentacije Poincaréove grupe i pronašao matematičke strukture s beskonačnim tornjevima cjelobrojnih i polucjelobrojnih heliciteta. Ove reprezentacije, koje su u to vrijeme izgledale kao egzotični objekti bez fizičke primjene, pokazale su se… prirodno povezano sa supersimetričnim idejamaiako ga niko nije vidio sve do decenija kasnije.
Šta supersimetrija zapravo predlaže?
U svom najosnovnijem obliku, supersimetrija (skraćeno SUSY) tvrdi sljedeće: svakoj poznatoj čestici mora odgovarati supersimetrični partner sa istim skupom unutrašnjih svojstava (naboj, modificirani spin, itd.) ali sa izmijenjenom bozonskom ili fermionskom prirodom. Dakle, svaki fermion u Standardnom modelu povezan je sa supersimetričnim bozonom i obrnuto. Elektron bi, na primjer, imao partnera nazvanog slektron, koji bi se ponašao kao bozon sa vrlo sličnim svojstvima, osim te ključne promjene u tipu spina. Slično tome, kvarkovi bi bili upareni sa svarkovima, i Bozoni poput gluona bili bi praćeni fermionom koji se zove gluinoFotoni bi bili upareni sa fotinima, gravitoni sa gravitinima i tako dalje za cijeli katalog relevantnih čestica. Ako bi simetrija bila savršena, svaki par bi imao istu masu, što bi značilo da bismo u eksperimentima uvijek vidjeli česticu i njenog supersimetričnog partnera proizvedene bez poteškoća. Ali to nije slučaj: do danas, Nijedna od ovih superčestica nije uočena konačno. Da bi spasili teoriju, fizičari uvode ideju kršenja supersimetrije: simetrija postoji u fundamentalnim jednačinama, ali u našem svemiru je “narušena”, tako da su mase superčestica mnogo veće od masa njihovih običnih pandana. To implicira da njihovo otkrivanje zahtijeva izuzetno visoke energije, poput onih koje se postižu u LHC (Veliki hadronski sudarač) akceleratorima. Prema mnogim modelima, mase ovih superčestica trebale bi biti u rasponu između oko 100 GeV i 1 TeV, energetskom rasponu koji Istraživan je u eksperimentima kao što su ATLAS i CMS.Do sada se nisu pojavili uvjerljivi dokazi, što nas tjera da poboljšamo modele, proširimo raspon pretraživanja ili dovedemo u pitanje neke pretpostavke.
Zašto supersimetrija uzbuđuje toliko fizičara
Supersimetrija nije samo matematički lijep konstrukt, iako to svakako jeste. Njena glavna privlačnost leži u sugestivnim odgovorima koje nudi nekoliko otvorenih problema u savremenoj fiziciJedan od najčešće spominjanih je takozvani problem hijerarhije: zašto je slaba interakcija toliko jaka u poređenju s gravitacijom, ili, drugim riječima, zašto je masa Higgsovog bozona toliko “mala” u poređenju s Planckovom skalom. Bez supersimetrije, kvantni proračuni Higgsove mase obično daju apsurdno velike rezultate, što zahtijeva izuzetno fina podešavanja kako bi se uskladili s opažanjima. Sa SUSY-om, doprinosi fermiona i bozona ovim korekcijama su djelimično poništeni, što… Prirodno ublažava problem. i omogućava nam da zadržimo Higgsovu masu unutar odgovarajućeg raspona bez pribjegavanja numeričkim manipulacijama. Još jedna snaga je tamna materija. Kosmološka posmatranja pokazuju da je približno 85% materije u svemiru tipa koji Ne emituje niti apsorbuje svjetlostali vrši gravitacijski utjecaj na galaksije i jata. Standardni model ne nudi dobre kandidate za objašnjenje ove tamne materije, osim neutrina s masom, koji se čine nedovoljnim. Međutim, u mnogim supersimetričnim modelima, najlakša supersimetrična čestica (LSP) je stabilna i neutralna, te se prilično dobro uklapa sa svojstvima koja se očekuju od čestice tamne materije. Nadalje, supersimetrija olakšava ujedinjenje fundamentalnih interakcija. Ako ekstrapoliramo kako konstante sprege (one koje mjere jačinu sila) evoluiraju s energijom, U modelu bez SUSY-a, oni se ne sijeku čisto. u jednoj tački. Sa dodatkom supersimetrije, ove krive se bolje spajaju pri vrlo visokim energijama, podstičući nade za veliku ujedinjenu teoriju gdje su elektromagnetizam, slaba interakcija i jaka interakcija manifestacije jedne sile pri ekstremnim energijama. Konačno, supersimetrija igra ključnu ulogu u teorijama struna i superstruna, koje pokušavaju opisati gravitaciju koristeći kvantna pravila, i u teorija kvantne gravitacijeBez supersimetrije, teorije struna pate od ozbiljnih problema konzistentnosti (pojava tahiona, divergencije itd.). S njom, Modeli se mnogo bolje ponašaju i pojavljuju se bogate strukture dualnosti i matematičkih korespondencija koje su revolucionirale teorijsku fiziku i čitave grane matematike.
Kritike, sumnje i uloga eksperimenata
Međutim, nije sve u neobuzdanom entuzijazmu. Unutar same zajednice teorijske fizike, postoje kritički glasovi koji ističu da, uprkos decenijama rada, Još nismo vidjeli nikakve superčestice. u najmoćnijim eksperimentima izgrađenim do danas. Svaki put kada proširimo raspon istraženih energija bez pronalaska signala, određeni jednostavni modeli SUSY-a postaju manje uvjerljivi. Također se vodi debata o tome kako se ove teme predstavljaju široj javnosti. Na javnim predavanjima ili videozapisima, ponekad se puno vremena provodi pregledavajući vrlo osnovnu fiziku prije nego što se uđe u supersimetriju, što može frustrirati entuzijaste koji već imaju neko osnovno znanje. I obrnuto: neki ljudi misle da određeni popularizatori Prodaju supersimetriju kao da je to utvrđena istina.dok u stvarnosti ostaje hipotetički okvir koji čeka jasnu eksperimentalnu potvrdu. Upečatljiv primjer nepovezanosti teorije i eksperimenta nalazi se u slučaju neutrina. Decenijama se pretpostavljalo da nemaju masu, dijelom zbog teorijske praktičnosti u raznim modelima (uključujući neke inspirisane teorijom struna), ali eksperimenti s oscilacijama neutrina pokazali su da Da, posjeduju malu, ali ne i nultu masu.Ovo je prisililo na reviziju i proširenje modela i služi kao podsjetnik da priroda uvijek ima posljednju riječ, bez obzira sviđa li se to našim elegantnim konstruktima ili ne. U specifičnom slučaju supersimetrije, podaci LHC-a postavljaju sve stroža ograničenja na minimalnu masu koju mnoge superčestice mogu imati. Nije stvar u tome da je supersimetrija u potpunosti “opovrgnuta”, već su neki od njenih najjednostavnijih i najoptimističnijih scenarija… Već su prilično stjerani u ćošakFizičari nastavljaju istraživati složenije verzije, modele s različitim SUSY prekidima ili sofisticiranija proširenja, ali situacija je manje ugodna nego što je bila prije dvadeset ili trideset godina.
Supersimetrija, tamna materija i supermasivne crne rupe
Pitanje tamne materije se prepliće sa supersimetrijom na vrlo sugestivne načine. Jedino što sa sigurnošću znamo o ovoj materiji je njeno gravitacijski otisak u svemiruGalaktičke rotacijske krivulje, gravitacijsko sočivo, strukture velikih razmjera… Ali nismo direktno detektovali nijednu od njenih čestica, ni u podzemnim detektorima ni u sudaračima. Neki supersimetrični modeli nude vrlo prirodne kandidate za ovu tamnu materiju, kao što su određeni slabo interagujući stabilni LSP-ovi. Međutim, do sada eksperimenti koji traže signale od ovih čestica, bilo u svemiru ili u laboratorijama, nisu dali konačne rezultate. Situacija je slična onoj sa SUSY općenito: Eksperimentalni prozori se postepeno zatvaraju.Ali još uvijek postoji prostor za neku varijantu. S druge strane, astrofizika otkriva fenomene koje je teško uklopiti u klasični okvir. Svemirski teleskop James Webb, na primjer, identificirao je izuzetno stare supermasivne crne rupe, gotovo stare kao i sam svemir. Prema tradicionalnim idejama, ova čudovišta bi trebala nastati od manjih crnih rupa koje gutaju plin, zvijezde i druge crne rupe tokom milijardi godina. Međutim, čini se da neke od onih koje su uočene… preveliki za svoje godineTu dolazi do izražaja uvjerljiva hipoteza: da tamna materija direktno utiče na formiranje ovih primordijalnih crnih rupa. Istraživači poput Aleksandra Kusenka i njegovog tima pretpostavili su da je u ranom svemiru prisustvo tamne materije ometalo hlađenje vodonika, sprečavajući normalno formiranje zvijezda. Umjesto toga, mogao bi postojati gigantski, vrući oblak gasa iznenada se uruše u supermasivnu crnu rupupreskakanje srednje zvjezdane faze. Problem je u tome što plin ima tendenciju brzog hlađenja, posebno kada se formiraju molekule vodika, djelujući kao efikasni “radijatori”. Tamna materija bi morala imati vrlo delikatan utjecaj kako bi održala potrebne uvjete. Razvijaju se teorijski modeli i simulacije za proučavanje ovih scenarija, a svemirski teleskop James Webb, zajedno s budućim opservatorijama, mogao bi pružiti ključne tragove. Ako se bilo koja od ovih hipoteza potvrdi, Veza između tamne materije, supersimetrije i crnih rupa Mogla bi postati još uža. Međutim, za sada je situacija iskrena: znamo da tamna materija postoji zbog svog gravitacijskog efekta, imamo razumne ideje (uključujući mnoge supersimetrične) o tome šta bi ona mogla biti i prikupljamo zanimljive tragove o njenoj ulozi u formiranju kosmičkih struktura… ali Još uvijek nismo uhvatili betonsku česticu za vratJednostavno rečeno. Sveukupno, historija simetrije i supersimetrije u fizici pokazuje stepen u kojem se svemir čini organizovanim prema duboki obrasciOd ljudskog tijela ili čaše vina do elementarnih čestica i udaljenih crnih rupa, klasične simetrije, formalizirane rezultatima poput Noetherine teoreme, omogućile su nam da shvatimo zašto su određene količine očuvane i kakvi moraju biti zakoni fizike da bi poštovali osnovne invarijantnosti prostora i vremena. Supersimetrija, sa svom svojom matematičkom elegancijom i potencijalom da riješi enigme poput problema hijerarhije ili prirode tamne materije, ostaje glavni teorijski poduhvat koji čeka konačnu eksperimentalnu presudu. Bilo da će na kraju biti potvrđena ili će nas prisiliti da izmislimo još smjelije okvire, već je ostavila dubok trag na način na koji razmišljamo o stvarnosti. [related url=”https://www.cultura10.com/teoria-de-la-gravedad-cuantica-mapas-pruebas-y-encrucijadas/”]