Mūsdienu fizikai ir sava veida fiksācija ar simetriju kas ir pārsteidzoši ikvienam, kurš kaut attāli pievēršas šai tēmai. Nav svarīgi, vai runa ir par subatomiskām daļiņām, galaktikām vai vienkāršu vīna glāzi: fiziķi atkal un atkal atgriežas pie simetrijām, it kā tās būtu kompass Visuma izpratnei. Un, godīgi sakot, tās arī ir. Bieži tiek teikts, puspajokojot, pusnopietni, ka, ja mēs patiesi saprastu No kurienes rodas simetrija? Mēs varētu atšifrēt dziļākos realitātes noslēpumus. Aiz šīs frāzes slēpjas kaut kas ļoti nopietns: liela daļa likumu, kas pārvalda kosmosu, sākot no enerģijas nezūdamības likuma līdz hipotēzēm par tumšo matēriju, ir rakstīti simetriju valodā un, soli tālāk, supersimetrijas valodā.
Ko mēs fizikā saprotam ar simetriju?
Ikdienas valodā, runājot par simetriju, mēs domājam par kaut ko tādu. vizuāls un līdzsvarots, tāpat kā cilvēka ķermenisJa neņemam vērā dzimumzīmes, rētas un nelielus defektus, mūsu kreisā un labā puse izskatās pārsteidzoši līdzīgas. Ja novietojat kameru spoguļa priekšā un pareizi to kadrējat, jūsu atspulga fotogrāfija un jūsu tiešais kadrs praktiski neatšķiras. Spogulis veic ļoti specifisku darbību: tas maina pozīciju pa kreisi un pa labi, un tomēr rezultāts izskatās vienāds. Vēl viens ikdienas piemērs ir labi izgatavota vīna glāze. Ja novietojat to uz galda un pagriežat ap vertikālo asi, Tās izskats paliek nemainīgs jebkuram rotācijas leņķim. Ja kāds ienāk telpā, apgriež to otrādi un jūs atgriežaties vēlāk, jūs nevarētu pateikt, vai stikls ir pagriezts vai nē, tikai uz to paskatoties. Sistēma novērotājam ir vienāda pirms un pēc rotācijas. Fizikā šie piemēri tiek formalizēti, sakot, ka simetrija ir darbība, kas, piemērojot sistēmai, Tas nemaina savas pamatīpašībasPirmajā gadījumā mēs runājam par paritātes simetriju (apmaiņa starp kreiso un labo pusi), otrajā — par cilindrisku vai rotācijas simetriju. Knifs ir noteikt, kuras transformācijas ir “nekaitīgas”, tas ir, kuras atstāj sistēmu aprakstošo vienādojumu neskartu. Šis jēdziens sniedzas tālu aiz vizuālā robežām. Simetrija matemātiskā izteiksmē tiek apspriesta arī tad, ja pēc noteiktas transformācijas veikšanas (piemēram, mainīgā mainīšana uz negatīvu vai koordinātu sistēmas pagriešana), iegūtā formula atbilst sākotnējai formulaiMūsdienu matemātikā simetrijas apraksta ar ļoti rafinētām struktūrām (grupām, reprezentācijām, Lī algebrām utt.), kas ir kļuvušas par neaizstājamiem instrumentiem fiziķiem. Simetriju noteikšana nav estētiska kaprīze. Tas ir veids, kā uzzināt, kādas darbības mēs varam veikt ar sistēmu, nemainot tās novērojamos rezultātus. Praksē tas ievērojami samazina problēmu sarežģītību, jo Tas uzreiz izslēdz daudzas iespējas. kas nebūtu savienojams ar šo simetriju.
Kāpēc mūsdienu fizikā valda simetrija
Iedomājieties, ka vēlaties konstruēt fizikālu teoriju pasaulei, kas ir perfekta sfēra. Intuitīvi jūs zināt, ka jebkura šīs sfēras rotācija atstāj visu nemainīgu: Nav priviliģēta punktaJa fizikas likumi būtu atkarīgi no konkrētā stāvokļa uz sfēras, jūs varētu atšķirt vienu punktu no otra ar eksperimentu palīdzību, un simetrija sabruktu. Tāpēc jūsu rakstītie vienādojumi nevar atšķirt punktus; tiem ir jāievēro šī simetrija. Šāda veida spriešana caurstrāvo visu mūsdienu fiziku. Standarta modelis, kas apraksta elementārdaļiņas un to mijiedarbību (izņemot klasisko gravitāciju), ir burtiski konstruēts uz šī principa. par abstraktu simetriju kopām kas saista daļiņas savā starpā un ierobežo to mijiedarbības veidu. Šīs simetrijas netiek pievienotas beigās, lai izdaiļotu teoriju; tās ir pats modeļa skelets. Kaut kas līdzīgs notiek vispārējā relativitātes teorijā, bet ar citām simetrijām. Einšteina teorija balstās uz ideju, ka fizikas likumiem jābūt spēkā jebkurā samērā kustīgā atskaites sistēmā, kas nozīmē invarianci noteiktās laiktelpas transformācijāsAtkal, simetrija nav tikai kuriozs, bet gan konsekvences prasība. Fiziķa ikdienas darbā tas pārvēršas par sava veida moto: “ne viss der”. Simetrijas darbojas kā nežēlīgi efektīvs ceļvedis iespējamo teoriju atmešanai un jaunu teoriju izstrādei. Daudzi fizikas priekšlikumi, kas pārsniedz standarta modeli, sākot no lielām vienotām teorijām līdz kvantu gravitācijas modeļiem, rodas tieši no prasības pēc lielākas simetrijas vai no tās pārkāpšanas ļoti kontrolētā veidā.
Nētera teorēma: tilts starp simetriju un saglabāšanu
20. gadsimta sākumā vācu matemātiķe Emmija Nētere formulēja rezultātu, ko daudzi uzskata par viens no dziļākajiem teorētiskās fizikas dārgakmeņiemViņa teorēma izveido tiešu saikni starp simetrijām un saglabātajiem lielumiem. Vienkārši sakot: ikreiz, kad teorijai ir nepārtraukta simetrija, ar to ir saistīts lielums, kas laika gaitā paliek nemainīgs. Piemēram, enerģijas nezūdamības likums ir saistīts ar simetrija attiecībā uz nobīdi laikāJa fizikas likumi nemainās no vienas dienas uz nākamo (tas ir, tie šodien ir tādi paši kā rīt), tad izolētas sistēmas kopējā enerģija tiek saglabāta. Lineārā impulsa nezūdamības likums ir saistīts ar translācijas simetriju telpā: ja visa eksperimenta pārvietošana par dažiem metriem nemaina tā rezultātus, impulss paliek nemainīgs. Kaut kas līdzīgs notiek ar leņķisko momentu, kas ir saistīts ar rotācijas simetrijaJa visas sistēmas rotēšana nemaina tās fizikālās īpašības, tad kopējais leņķiskais moments paliek nemainīgs. Un tā tālāk ar citiem saglabājamiem lielumiem, piemēram, elektrisko lādiņu, kas atbilst abstraktākām iekšējām simetrijām. Nētera teorēmas neticamā īpašība ir tā, ka tā ļauj mums iegūt no teorijas svarīgu informāciju, neatrisinot visus tās vienādojumus. Vienkārši identificējot tās simetriju, ir pietiekami, lai zinātu, kuri lielumi paliek nemainīgi. Šis triks attiecas gan uz klasisko mehāniku, gan uz kvantu lauka fiziku, un katrs students, kas ar to saskaras, piedzīvo nelielu šoku. Šķiet, ka pēkšņi atklājas ļoti dziļa patiesība par to, kā Visums ir organizēts.
Bozoni un fermioni: divas ļoti atšķirīgas ģimenes
Pārejot pie daudzu daļiņu sistēmu kvantu mehānikas, mēs sastopamies ar diviem galvenajiem veidiem: fermioni un bozoniŠī klasifikācija nav patvaļīga; tā ir saistīta ar daļiņu iekšējo īpašību, ko sauc par spinu un kas ir saistīta ar kvantu leņķisko momentu. Fermioniem (piemēram, elektroniem, protoniem vai neitroniem) ir pusskaitļa spins (1/2, 3/2 utt.), un tie pakļaujas Pauli izslēgšanas principam. Tas nozīmē, ka Viņi nevar dalīties tieši vienā un tajā pašā kvantu stāvoklīPraksē tas nozīmē, ka tiem “nepatīk veidot kopas” ar visām to identiskajām īpašībām. Šis vienkāršais noteikums izskaidro visu, sākot no atomu struktūras līdz pat matērijas stabilitātei, kurai mēs pieskaramies katru dienu. Savukārt bozoniem ir vesels skaitlis spins (0, 1, 2…) un tie ir daudz sabiedriskāki. Tie var ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli bez problēmām. Dažās sistēmās patiesībā, visas bozoniskās daļiņas nonāk vienā un tajā pašā stāvoklīkā tas notiek lāzeros vai Bozes-Einšteina kondensātos. Fotons, Higsa bozons un pioni ir bozonu piemēri, kurus mēs labi pazīstam laboratorijā. Šī kolektīvās uzvedības atšķirība liek fermioniem un bozoniem šķist kā divām atsevišķām pasaulēm. Viena veido “matēriju” (elektronus, kvarkus, leptonus kopumā), bet otra parasti ir atbildīga par starpnieka lomu fundamentālās mijiedarbībās (fotoni elektromagnētismam, gluoni spēcīgajai mijiedarbībai utt.). Šķiet, ka tiem nav daudz kopīga… ja vien tos nesaista dziļāka simetrija. Un tieši šeit noder supersimetrija, ideja, kas liek domāt, ka, iespējams, Fermioni un bozoni ir vienas monētas divas puses, savienots ar vēl smalkāku transformāciju.
No parastajām simetrijām līdz supersimetrijai
Sākot ar 20. gs. sešdesmitajiem un septiņdesmitajiem gadiem, teorētiskie fiziķi sāka interesēties, vai ir iespējams iedomāties jaunas simetrijas, kas pārsniedza no tiem, kas jau ir zināmi standarta modelī. Ja parastās simetrijas ir izrādījušās tik noderīgas teoriju veidošanā, kāpēc gan neizpētīt, vai varētu pastāvēt paplašināta šī jēdziena versija, kas tieši saistītu fermionus un bozonus? Vēsturiski bija daži ļoti interesanti iepriekšējie soļi. Japāņu fiziķis Hironari Mijadzava 1966. gadā ierosināja sava veida hadriskā supersimetrija starp barioniem (saliktiem fermioniem, piemēram, protoniem un neitroniem) un mezoniem (bozoniskajiem hadroniem). Lai aprakstītu šīs attiecības, viņš ieviesa matemātiskas struktūras, kuras mūsdienās mēs identificētu kā SU(3|3) tipa superalgebru, pat vēl nelietojot šo moderno terminoloģiju. Neilgi pēc tam, 70. gs. septiņdesmito gadu sākumā, vairākas grupas strādāja pie duālajiem modeļiem un agrīnajām stīgu teorijām. Žervē un Sakita ieviesa to, ko viņi sauca par “supergabarīta” transformācijasTie bija tiešie pašreizējo supersimetrisko transformāciju priekšteči. Paralēli Golfands un Lihtmans paplašināja Puankarē algebru (kas apraksta relatīvistiskā telplaika pamatsimetrijas) līdz “pakāpeniskai” versijai, iekļaujot ģeneratorus, kas sajauca bozoniskās un fermioniskās brīvības pakāpes. Parādījās arī specifiski modeļi, piemēram, Volkova un Akulova modelis, kas paredzēja spina 3/2 fermionu, kas saistīts ar nelineāru supersimetriju. Taču patieso izrāvienu veica Vesa un Zumino 1973. gadā formulētais modelis. tas, kas pabeidza supersimetrijas nostiprināšanu kā nopietnu un sistemātisku kvantu lauka teoriju ietvara paplašinājumu. Sākot ar 1974. gadu, ideja ieguva popularitāti un sāka dabiski integrēties mēģinājumos paplašināt jaunizveidoto standarta modeli. Pastāv vēl tālāka “priekšvēsture”: 1937. gadā Vigners bija klasificējis Poincaré grupas nesamazināmos attēlojumus un atradis matemātiskas struktūras ar bezgalīgiem veselu skaitļu un pusveselu skaitļu helikitātiem. Šie attēlojumi, kas tolaik šķita eksotiski objekti bez fiziska pielietojuma, izrādījās… dabiski saistīts ar supersimetriskām idejāmlai gan neviens to neredzēja līdz pat gadu desmitiem vēlāk.
Ko īsti piedāvā supersimetrija?
Savā vienkāršākajā formā supersimetrija (saīsināti SUSY) nosaka sekojošo: katrai zināmajai daļiņai jāatbilst supersimetrisks partneris ar tādu pašu iekšējo īpašību kopumu (lādiņu, modificētu spinu utt.), bet ar apmainītu bozonisku vai fermionisku dabu. Tādējādi katrs standarta modeļa fermions ir saistīts ar supersimetrisku bozonu un otrādi. Piemēram, elektronam būtu partneris, ko sauc par selektoru, kas uzvestos kā bozons ar ļoti līdzīgām īpašībām, izņemot šo galveno spina tipa izmaiņu. Līdzīgi kvarki tiktu savienoti pārī ar kvarkiem, un Bozonus, piemēram, gluonu, pavadītu fermions, ko sauc par gluino.Fotoni tiktu savienoti pārī ar fotīno, gravitoni ar gravitīno un tā tālāk visā attiecīgo daļiņu katalogā. Ja simetrija būtu perfekta, katram pārim būtu vienāda masa, kas nozīmētu, ka eksperimentos mēs vienmēr bez grūtībām redzētu daļiņu un tās supersimetrisko partneri. Taču tā nav: līdz pat šai dienai Neviena no šīm superdaļiņām nav novērota. pārliecinoši. Lai glābtu teoriju, fiziķi ievieš supersimetrijas pārkāpuma ideju: simetrija pastāv fundamentālajos vienādojumos, bet mūsu Visumā tā ir “salauzta”, tāpēc superdaļiņu masas ir daudz lielākas nekā to parastajiem ekvivalentiem. Tas nozīmē, ka to noteikšanai ir nepieciešamas ārkārtīgi augstas enerģijas, piemēram, tādas, kādas tiek sasniegtas LHC (Lielā hadronu paātrinātājos). Saskaņā ar daudziem modeļiem šo superdaļiņu masām jābūt diapazonā no aptuveni 100 GeV līdz 1 TeV, enerģijas diapazonā, kas Tas ir pētīts tādos eksperimentos kā ATLAS un CMS.Līdz šim nav gūti pārliecinoši pierādījumi, kas mudina mūs pilnveidot modeļus, paplašināt meklēšanas diapazonu vai apšaubīt dažus pieņēmumus.
Kāpēc supersimetrija sajūsmina tik daudzus fiziķus
Supersimetrija nav tikai matemātiski skaists konstrukts, lai gan tas noteikti ir. Tās galvenā pievilcība slēpjas suģestējošajās atbildēs, ko tā piedāvā uz jautājumiem. vairākas neatrisinātas problēmas mūsdienu fizikāViena no visvairāk apspriestajām ir tā sauktā hierarhijas problēma: kāpēc vājā mijiedarbība ir tik spēcīga salīdzinājumā ar gravitāciju vai, citiem vārdiem sakot, kāpēc Higsa bozona masa ir tik “maza” salīdzinājumā ar Planka skalu. Bez supersimetrijas Higsa masas kvantu aprēķini mēdz dot absurdi lielus rezultātus, un to saskaņošanai ar novērojumiem ir nepieciešamas ārkārtīgi smalkas korekcijas. Ar SUSY palīdzību fermionu un bozonu ieguldījums šajās korekcijās tiek daļēji atcelts, kas Tas dabiski atvieglo problēmu. un ļauj mums saglabāt Higsa bozona masu atbilstošā diapazonā, neizmantojot skaitliskas manipulācijas. Vēl viens spēcīgs aspekts ir tumšā matērija. Kosmoloģiskie novērojumi liecina, ka aptuveni 85% matērijas Visumā ir tāda veida, kas Tas ne izstaro, ne absorbē gaismutaču tā rada gravitācijas ietekmi uz galaktikām un kopām. Standarta modelis nepiedāvā labus kandidātus šīs tumšās matērijas izskaidrošanai, izņemot neitrīno ar masu, kas šķiet nepietiekami. Tomēr daudzos supersimetriskos modeļos vieglākā supersimetriskā daļiņa (LSP) ir stabila un neitrāla, un tā diezgan labi atbilst tumšās matērijas daļiņas īpašībām. Turklāt supersimetrija atvieglo fundamentālo mijiedarbību apvienošanu. Ja mēs ekstrapolējam, kā savienojuma konstantes (tās, kas mēra spēku stiprumu) attīstās līdz ar enerģiju, Modelī bez SUSY tie nekrustojas tīri. vienā punktā. Pievienojot supersimetriju, šīs līknes mēdz labāk savienoties ļoti augstās enerģijās, radot cerības uz grandiozu vienotu teoriju, kurā elektromagnētisms, vāja mijiedarbība un spēcīga mijiedarbība ir viena spēka izpausmes ekstremālās enerģijās. Visbeidzot, supersimetrijai ir galvenā loma stīgu un superstīgu teorijās, kas mēģina aprakstīt gravitāciju, izmantojot kvantu likumus, un kvantu gravitācijas teorijaBez supersimetrijas stīgu teorijām ir nopietnas konsekvences problēmas (tahionu rašanās, diverģences utt.). Ar to, Modeļi kļūst daudz labāk uzvedīgi un parādās bagātīgas dualitāšu un matemātisko atbilžu struktūras, kas ir revolucionizējušas teorētisko fiziku un veselas matemātikas nozares.
Kritika, šaubas un eksperimentu loma
Tomēr tā nav tikai nevaldāma entuziasma izpausme. Pašā teorētiskās fizikas aprindās ir kritiskas balsis, kas norāda, ka, neskatoties uz gadu desmitiem ilgu darbu, Mēs vēl neesam redzējuši nekādas superdaļiņas. visspēcīgākajos līdz šim izveidotajos eksperimentos. Katru reizi, kad mēs paplašinām pētāmo enerģiju diapazonu, neatrodot signālus, daži vienkārši SUSY modeļi kļūst mazāk ticami. Pastāv arī diskusijas par to, kā šīs tēmas tiek prezentētas plašai sabiedrībai. Publiskās lekcijās vai video dažkārt daudz laika tiek pavadīts, pārskatot ļoti vienkāršus fizikas pamatus, pirms pievērsties supersimetrijai, kas var satraukt entuziastus, kuriem jau ir zināmas pamatzināšanas. Un otrādi: daži cilvēki domā, ka noteikti popularizētāji Viņi pārdod supersimetriju tā, it kā tā būtu vispāratzīta patiesība.lai gan patiesībā tas joprojām ir hipotētisks ietvars, kas gaida skaidru eksperimentālu apstiprinājumu. Spilgts teorijas un eksperimenta neatbilstības piemērs ir neitrīno gadījums. Gadu desmitiem tika pieņemts, ka tiem nav masas, daļēji teorētiskas ērtības labad dažādos modeļos (tostarp dažos, kas iedvesmoti no stīgu teorijas), taču neitrīno svārstību eksperimenti parādīja, ka Jā, tiem ir maza, bet ne nulle masa.Tas piespieda pārskatīt un paplašināt modeļus un kalpo kā atgādinājums, ka dabai vienmēr pieder pēdējais vārds, neatkarīgi no tā, vai mūsu elegantajām konstrukcijām tas patīk vai nē. Konkrētajā supersimetrijas gadījumā LHC dati ir noteikuši arvien stingrākus ierobežojumus minimālajai masai, kāda varētu būt daudzām superdaļiņām. Ne jau tā, ka supersimetrija būtu pilnībā “atspēkota”, bet gan daži no tās vienkāršākajiem un optimistiskākajiem scenārijiem. Viņi jau ir diezgan iedzīti stūrīFiziķi turpina pētīt sarežģītākas versijas, modeļus ar atšķirīgu SUSY pārrāvumu vai izsmalcinātākus paplašinājumus, taču ainava ir mazāk ērta nekā pirms divdesmit vai trīsdesmit gadiem.
Supersimetrija, tumšā matērija un supermasīvie melnie caurumi
Tumšās matērijas jautājums ļoti daudznozīmīgi krustojas ar supersimetriju. Vienīgais, ko mēs par šo matēriju zinām droši, ir tās gravitācijas pēdas nospiedums VisumāGalaktikas rotācijas līknes, gravitācijas lēca, liela mēroga struktūra… Taču mēs neesam tieši noteikuši nevienu no tās daļiņām ne pazemes detektoros, ne paātrinātājos. Daži supersimetriski modeļi piedāvā ļoti dabiskus šīs tumšās matērijas kandidātus, piemēram, noteiktus vāji mijiedarbojošos stabilus LSP. Tomēr līdz šim eksperimenti, meklējot signālus no šīm daļiņām, gan kosmosā, gan laboratorijās, nav devuši pārliecinošus rezultātus. Situācija ir līdzīga kā ar SUSY kopumā: Eksperimentālie logi pakāpeniski aizveras.Taču joprojām pastāv iespēja, ka kāds variants varētu darboties. No otras puses, astrofizika atklāj parādības, kuras ir grūti iekļaut klasiskajā ietvarā. Piemēram, Džeimsa Veba kosmiskais teleskops ir identificējis ārkārtīgi vecus supermasīvus melnos caurumus, gandrīz tikpat vecus kā pats Visums. Saskaņā ar tradicionālajiem uzskatiem, šiem monstriem vajadzētu veidoties no mazākiem melnajiem caurumiem, kas miljardu gadu laikā aprij gāzi, zvaigznes un citus melnos caurumus. Tomēr daži no novērotajiem šķiet… par lielu savam vecumamŠeit rodas pārliecinoša hipotēze: tumšā matērija tieši ietekmē šo pirmatnējo melno caurumu veidošanos. Pētnieki, piemēram, Aleksandrs Kusenko un viņa komanda, ir ierosinājuši, ka agrīnajā Visumā tumšās matērijas klātbūtne kavēja ūdeņraža atdzišanu, novēršot normālu zvaigžņu veidošanos. Tā vietā varētu veidoties gigantisks, karsts gāzes mākonis. pēkšņi sabrukt supermasīvā melnajā caurumāizlaižot starpzvaigžņu fāzi. Problēma ir tā, ka gāze mēdz ātri atdzist, īpaši, kad veidojas ūdeņraža molekulas, darbojoties kā efektīvi “starotāji”. Tumšajai matērijai būtu jāpiemīt ļoti delikātai ietekmei, lai uzturētu nepieciešamos apstākļus. Tiek izstrādāti teorētiski modeļi un simulācijas, lai pētītu šos scenārijus, un Džeimsa Veba kosmiskais teleskops kopā ar nākotnes observatorijām varētu sniegt izšķirošas norādes. Ja kāda no šīm hipotēzēm tiks apstiprināta, Saikne starp tumšo matēriju, supersimetriju un melnajiem caurumiem Tas varētu kļūt vēl šaurāks. Tomēr pagaidām situācija ir godīga: mēs zinām, ka tumšā matērija pastāv tās gravitācijas efekta dēļ, mums ir pamatotas idejas (tostarp daudzas supersimetriskas) par to, kas tā varētu būt, un mēs uzkrājam interesantas norādes par tās lomu kosmisko struktūru veidošanā… bet Mēs joprojām neesam satvēruši betona daļiņu aiz kaklaVienkārši sakot. Kopumā simetrijas un supersimetrijas vēsture fizikā parāda, cik lielā mērā Visums, šķiet, ir organizēts atbilstoši dziļi rakstiNo cilvēka ķermeņa vai vīna glāzes līdz elementārdaļiņām un tāliem melnajiem caurumiem, klasiskās simetrijas, kas formalizētas tādos rezultātos kā Nētera teorēma, ir ļāvušas mums saprast, kāpēc noteikti lielumi tiek saglabāti un kādiem jābūt fizikas likumiem, lai respektētu telpas un laika pamata invariances. Supersimetrija ar visu savu matemātisko eleganci un potenciālu atrisināt tādas mīklas kā hierarhijas problēma vai tumšās matērijas daba joprojām ir nozīmīgs teorētisks pētījums, kas gaida galīgu eksperimentālu spriedumu. Neatkarīgi no tā, vai tā galu galā tiks apstiprināta vai piespiedīs mūs izgudrot vēl drosmīgākus ietvarus, tā jau ir atstājusi dziļas pēdas mūsu domāšanā par realitāti. [saistīts URL=”https://www.cultura10.com/teoria-de-la-gravedad-cuantica-mapas-pruebas-y-encrucijadas/”]