Kaasaegsel füüsikal on omamoodi sümmeetriline fikseerimine See on rabav igaühele, kes sellele teemale kasvõi pisut läheneb. Olenemata sellest, kas räägime subatomaarsetest osakestest, galaktikatest või lihtsalt klaasist veinist, pöörduvad füüsikud korduvalt sümmeetriate juurde tagasi, justkui oleks see universumi mõistmiseks mõeldud kompass. Ja ausalt öeldes nad seda ka on.
Tihti öeldakse, pooleldi naljatades, pooleldi tõsiselt, et kui me tõeliselt mõistaksime Kust tuleb sümmeetria? Me võiksime dešifreerida reaalsuse sügavaimaid saladusi. Selle fraasi taga peitub midagi väga tõsist: suur osa kosmose seadustest, alates energia jäävusest kuni tumeaine hüpoteesideni, on kirjutatud sümmeetria ja veelgi enam supersümmeetria keeles.
Mida me füüsikas sümmeetria all mõtleme?
Igapäevases keeles, kui me räägime sümmeetriast, siis me mõtleme millelegi. visuaalne ja tasakaalustatud, nagu inimkehaKui me eirame sünnimärke, arme ja väiksemaid ebatäiusi, näevad meie vasak ja parem pool märkimisväärselt sarnased välja. Kui asetada kaamera peegli ette ja kadreerida see õigesti, on teie peegelpilt ja teie otsene pilt praktiliselt eristamatud. Peegel teeb väga spetsiifilist toimingut: see vahetab vasakule ja paremale, kuid tulemus näeb välja sama.
Teine igapäevane näide on hästi valmistatud veiniklaas. Kui asetate selle lauale ja pöörate seda ümber vertikaaltelje, Selle välimus jääb muutumatuks mis tahes pöördenurga korral. Kui keegi siseneb tuppa, pöörab selle ümber ja te hiljem tagasi tulete, ei saa te ainult klaasi vaadates öelda, kas seda on pööratud või mitte. Süsteem on vaatleja jaoks enne ja pärast pööramist sama.
Füüsikas vormistatakse neid näiteid öeldes, et sümmeetria on toiming, mis süsteemile rakendatuna See ei muuda selle põhiomadusiEsimesel juhul räägime pariteedisümmeetriast (vasak-parem vahetus), teisel silindrilisest ehk pöördsümmeetriast. Nipp seisneb selles, millised teisendused on "kahjutud", st millised jätavad süsteemi kirjeldavad võrrandid puutumata.
See kontseptsioon ulatub visuaalsest palju kaugemale. Sümmeetriat käsitletakse ka matemaatilistes avaldistes, kui pärast teatud teisendust (näiteks muutuja negatiivseks muutmist või koordinaatsüsteemi pööramist), saadud valem vastab algsele valemileTänapäeva matemaatikas kirjeldatakse sümmeetriaid ülimalt rafineeritud struktuuride (rühmad, esitused, Lie algebrad jne) abil, mis on muutunud füüsikute jaoks asendamatuteks tööriistadeks.
Sümmeetriate tuvastamine ei ole esteetiline kapriis. See on viis teada saada, milliseid toiminguid saame süsteemiga teha ilma selle vaadeldavaid tulemusi muutmata. Praktikas vähendab see oluliselt probleemide keerukust, sest See välistab koheselt paljud võimalused. mis oleks selle sümmeetriaga kokkusobimatu.
Miks tänapäeva füüsikas valitseb sümmeetria
Kujutage ette, et soovite luua füüsikalise teooria maailmale, mis on täiuslik sfäär. Intuitiivselt teate, et selle sfääri iga pöörlemine jätab kõik samaks: Puudub privilegeeritud punktKui füüsikaseadused sõltuksid konkreetsest asukohast sfääril, saaks katse abil ühte punkti teisest eristada ja sümmeetria laguneks. Seega ei saa teie kirjutatud võrrandid punkte eristada; nad peavad seda sümmeetriat arvestama.
Selline arutluskäik läbib kogu praegust füüsikat. Standardmudel, mis kirjeldab elementaarosakesi ja nende vastastikmõjusid (välja arvatud klassikaline gravitatsioon), on sõna otseses mõttes konstrueeritud abstraktsete sümmeetriate hulkade kohta mis seovad osakesi omavahel ja piiravad nende vastastikust mõju. Sümmeetriaid ei lisata teooria lõpus kaunistamiseks; need on mudeli skelett.
Midagi sarnast juhtub ka üldrelatiivsusteoorias, aga erinevate sümmeetriatega. Einsteini teooria põhineb ideel, et füüsikaseadused peavad kehtima igas mõistlikult liikuvas taustsüsteemis, mis tähendab invariantsus teatud aegruumi muutuste korralJällegi, sümmeetria pole lihtsalt kurioosum, vaid järjepidevuse nõue.
Füüsiku igapäevatöös tähendab see omamoodi motot: "kõik ei sobi". Sümmeetriad toimivad brutaalselt tõhusa juhisena võimalike teooriate kõrvaleheitmiseks ja uute loomiseks. Paljud füüsikalised ettepanekud, mis ulatuvad standardmudelist kaugemale, alates suurtest ühendteooriatest kuni kvantgravitatsiooni mudeliteni, tulenevad just nimelt suurema sümmeetria nõudmisest või nende väga kontrollitud viisil rikkumisest.
Noetheri teoreem: sild sümmeetria ja jäävuse vahel
20. sajandi alguses sõnastas saksa matemaatik Emmy Noether tulemuse, mida paljud peavad üks teoreetilise füüsika sügavamaid pärleTema teoreem loob otsese seose sümmeetriate ja konserveeritud suuruste vahel. Lihtsamalt öeldes: kui teoorial on pidev sümmeetria, siis sellega seostub ajas konstantseks jääv suurus.
Näiteks energia jäävus on seotud sümmeetria ajalise nihke suhtesKui füüsikaseadused päevast päeva ei muutu (st need on täna ja homme samad), siis isoleeritud süsteemi koguenergia säilib. Lineaarse impulsi jäävuse printsiip on seotud translatsioonilise sümmeetriaga ruumis: kui kogu katse liigutamine mõne meetri võrra ei muuda selle tulemusi, jääb impulss konstantseks.
Midagi sarnast juhtub ka nurkmomendiga, mis on seotud pöörlemissümmeetriaKui kogu süsteemi pööramine ei muuda selle füüsikalisi omadusi, siis kogu nurgimpulss ei muutu. Ja nii edasi teiste säilinud suurustega, näiteks elektrilaenguga, mis vastavad abstraktsematele sisemistele sümmeetriatele.
Noetheri teoreemi juures on uskumatu see, et see võimaldab meil teooriast ammutada väärtuslikku teavet ilma kõiki selle võrrandeid lahendamata. Lihtsalt sümmeetriate tuvastamine näitab, millised suurused jäävad muutumatuks. See nipp kehtib nii klassikalises mehaanikas kui ka kvantväljafüüsikas ja iga õpilane, kes sellega kokku puutub, kogeb väikest šokki: Näib, et järsku ilmneb väga sügav tõde selle kohta, kuidas universum on korraldatud.
Bosonid ja fermioonid: kaks väga erinevat perekonda
Kui liigume edasi paljude osakestega süsteemide kvantmehaanika juurde, puutume kokku kahe peamise tüübiga: fermioonid ja bosonidSee klassifikatsioon ei ole meelevaldne; see on seotud osakeste sisemise omadusega, mida nimetatakse spinniks ja mis on seotud kvantnurkmomendiga.
Fermioonidel (näiteks elektronidel, prootonitel või neutronitel) on pooltäisarvuline spinn (1/2, 3/2 jne) ja need alluvad Pauli välistamisprintsiibile. See tähendab, et Nad ei saa jagada täpselt sama kvantseisunditPraktikas tähendab see, et nad "ei taha kuhjuda", kusjuures kõik nende omadused on identsed. See lihtne reegel selgitab kõike alates aatomite struktuurist kuni iga päev puudutatava aine stabiilsuseni.
Bosonitel seevastu on täisarvuline spinn (0, 1, 2…) ja nad on palju seltskondlikumad. Nad võivad probleemideta sama kvantseisundit hõivata. Mõnes süsteemis tegelikult kõik bosonilised osakesed satuvad samasse olekussenagu see toimub laserites või Bose-Einsteini kondensaatides. Footon, Higgsi boson või pionid on näited bosonitest, mida me laboris hästi tunneme.
See kollektiivse käitumise erinevus muudab fermioonid ja bosonid kahe eraldi maailma moodi. Üks ehitab "ainet" (elektronid, kvarkid, leptonid üldiselt), teine aga vastutab tavaliselt ... vahendavad põhilisi interaktsioone (footonid elektromagnetismi jaoks, gluoonid tugeva interaktsiooni jaoks jne). Neil ei paista olevat palju ühist... välja arvatud juhul, kui neid seob sügavam sümmeetria.
Ja siin tulebki mängu supersümmeetria, idee, mis viitab sellele, et ehk Fermioonid ja bosonid on sama mündi kaks külge, ühendatud veelgi peenema muundumisega.
Tavalisest sümmeetriast supersümmeetriani
Alates 60. ja 70. aastatest hakkasid teoreetilised füüsikud mõtlema, kas on võimalik ette kujutada uued sümmeetriad, mis ületasid ...neist, mis on juba standardmudelis teada. Kui tavalised sümmeetriad on osutunud teooriate loomisel nii kasulikuks, miks mitte uurida, kas kontseptsioonist võiks olla laiendatud versioon, mis seostaks otseselt fermioone ja bosone?
Ajalooliselt oli eelnevaid samme väga huvitavaid. Jaapani füüsik Hironari Miyazawa pakkus välja omamoodi hadrooniline supersümmeetria barüonite (komposiitfermionid, näiteks prootonid ja neutronid) ja mesonite (bosoonilised hadronid) vahel. Nende seoste kirjeldamiseks tutvustas ta matemaatilisi struktuure, mida me tänapäeval identifitseeriksime SU(3|3) tüüpi superalgebratena, isegi ilma seda tänapäevast terminoloogiat veel kasutamata.
Varsti pärast seda, 70. aastate alguses, töötasid mitmed rühmad duaalsete mudelite ja varajaste stringiteooriate kallal. Gervais ja Sakita tutvustasid nn "supergauge" teisendused, praeguste supersümmeetriliste teisenduste otsesed eelkäijad. Paralleelselt laiendasid Golfand ja Likhtman Poincaré algebrat (mis kirjeldab relativistliku aegruumi põhisümmeetriaid) "astmelisele" versioonile, kaasates generaatorid, mis segasid bosonilisi ja fermionseid vabadusastmeid.
Samuti tekkisid spetsiifilised mudelid, näiteks Volkovi ja Akulovi oma, mis ennustas mittelineaarse supersümmeetriaga seotud spinni 3/2 fermioni. Kuid tõelise vahe tegi Wessi ja Zumino 1973. aastal sõnastatud mudel. see, mis lõpetas supersümmeetria kindlustamise kui kvantväljateooriate raamistiku tõsine ja süstemaatiline laiendus. Alates 1974. aastast sai see idee hoo sisse ja hakkas loomulikult integreeruma katsetesse laiendada äsja konsolideeritud standardmudelit.
On olemas veelgi kaugem "eellugu": 1937. aastal klassifitseeris Wigner Poincaré rühma taandamatuid esitusi ja leidis matemaatilisi struktuure lõpmatute täis- ja pooltäisarvuliste heeliksite tornidega. Need esitused, mis tol ajal tundusid eksootiliste objektidena ilma füüsikalise rakenduseta, osutusid loomulikult seotud supersümmeetriliste ideedegakuigi keegi ei näinud seda enne aastakümneid hiljem.
Mida supersümmeetria tegelikult pakub?
Oma kõige põhilisemas vormis väidab supersümmeetria (lühidalt SUSY) järgmist: igale teadaolevale osakesele peab vastama supersümmeetriline partner samade sisemiste omaduste komplektiga (laeng, modifitseeritud spinn jne), kuid vahetatud bosonilise või fermionilise olemusega.
Seega on iga standardmudeli fermion seotud supersümmeetrilise bosoniga ja vastupidi. Näiteks elektronil oleks partner nimega selectron, mis käituks nagu väga sarnaste omadustega boson, välja arvatud see oluline spinnitüübi muutus. Samamoodi oleksid kvarkid seotud kvarkidega ja Selliste bosonitega nagu gluoon kaasneks fermion nimega gluinoFotonid oleksid seotud fotinodega, gravitonid gravitinodega ja nii edasi kogu asjakohaste osakeste kataloogiga.
Kui sümmeetria oleks täiuslik, oleks igal paaril sama mass, mis tähendaks, et katsetes näeksime osakese ja selle supersümmeetrilise partneri tekkimist alati raskusteta. Kuid see pole nii: tänaseni Ühtegi neist superosakestest pole täheldatud lõplikult. Teooria päästmiseks tutvustavad füüsikud supersümmeetria rikkumise ideed: sümmeetria eksisteerib põhivõrrandites, kuid meie universumis on see "katki", nii et superosakeste massid on palju suuremad kui nende tavalistel vastetel.
See tähendab, et nende tuvastamiseks on vaja äärmiselt kõrgeid energiaid, näiteks neid, mida saavutatakse LHC (Large Hadron Collider) kiirendites. Paljude mudelite kohaselt peaksid nende superosakeste massid jääma umbes 100 GeV ja 1 TeV vahele, mis on energiavahemik, mis Seda on uuritud sellistes katsetes nagu ATLAS ja CMSSiiani pole veenvaid tõendeid ilmnenud, mis sunniks meid mudeleid täpsustama, otsinguulatust laiendama või mõningaid eeldusi kahtluse alla seadma.
Miks supersümmeetria nii paljusid füüsikuid erutab
Supersümmeetria ei ole lihtsalt matemaatiliselt ilus konstruktsioon, kuigi see kindlasti on. Selle peamine ligitõmbavus seisneb sugestiivsetes vastustes, mida see pakub mitu lahendamata probleemi tänapäeva füüsikasÜks enim kõneainet pakkuv probleem on nn hierarhiaprobleem: miks on nõrk interaktsioon gravitatsiooniga võrreldes nii intensiivne ehk teisisõnu, miks on Higgsi bosoni mass Plancki skaalaga võrreldes nii "väike".
Ilma supersümmeetriata kipuvad Higgsi massi kvantarvutused andma absurdselt suuri tulemusi, mis nõuavad vaatlustega vastavusse viimiseks äärmiselt peeneid kohandusi. SUSY abil tühistatakse fermionide ja bosonite panus nendesse korrektsioonidesse osaliselt, mis See leevendab probleemi loomulikult. ja võimaldab Higgsi massi hoida sobivas vahemikus ilma numbrilise žongleerimiseta.
Teine tugev külg on tumeaine. Kosmoloogilised vaatlused näitavad, et ligikaudu 85% universumi ainest on sellist tüüpi, mis See ei kiirga ega neela valgustSiiski avaldab see galaktikatele ja parvedele gravitatsioonilist mõju. Standardmudel ei paku selle tumeaine seletamiseks muid häid kandidaate peale massiga neutriinode, mis tunduvad ebapiisavad. Paljudes supersümmeetrilistes mudelites on aga kergeim supersümmeetriline osake (LSP) stabiilne ja neutraalne ning sobib üsna hästi tumeaine osakese eeldatavatele omadustele.
Lisaks hõlbustab supersümmeetria fundamentaalsete interaktsioonide ühendamist. Kui me ekstrapoleerime, kuidas sidestuskonstandid (need, mis mõõdavad jõudude tugevust) energiaga arenevad, Ilma SUSY-ta mudelis nad puhtalt ei lõiku. ühes punktis. Lisatud supersümmeetriaga kipuvad need kõverad väga kõrgetel energiatel paremini kokku sobima, mis annab lootust suurejoonelisele ühendteooriale, kus elektromagnetism, nõrk vastastikmõju ja tugev vastastikmõju on ühe jõu ilmingud äärmuslikel energiatel.
Lõpuks mängib supersümmeetria võtmerolli stringi- ja superstringiteooriates, mis püüavad gravitatsiooni kirjeldada kvantreeglite abil, ja ... kvantgravitatsiooni teooriaIlma supersümmeetriata on stringiteooriatel tõsiseid järjepidevusprobleeme (tahhüoonide teke, lahknevused jne). Sellega kaasneb Modellid muutuvad palju paremini käituvaks ja ilmuvad rikkalikud duaalsuste ja matemaatiliste vastavuste struktuurid, mis on muutnud teoreetilist füüsikat ja terveid matemaatika harusid.
Kriitika, kahtlused ja katsete roll
Kuid see pole ainult ohjeldamatu entusiasm. Teoreetilise füüsika kogukonnas endas on kriitilisi hääli, mis osutavad sellele, et vaatamata aastakümnete pikkusele tööle Me pole veel ühtegi superosakest näinud. seni loodud võimsaimates katsetes. Iga kord, kui laiendame uuritavate energiate ulatust signaale leidmata, muutuvad teatud SUSY lihtsad mudelid vähem usutavaks.
Samuti vaieldakse selle üle, kuidas neid teemasid laiemale avalikkusele esitletakse. Avalikes loengutes või videotes kulutatakse mõnikord palju aega väga elementaarse füüsika kordamisele enne supersümmeetria juurde asumist, mis võib juba teatud taustateadmistega entusiastidele frustratsiooni tekitada. Seevastu mõned inimesed arvavad, et teatud populariseerijad Nad müüvad supersümmeetriat nii, nagu oleks see väljakujunenud tõde., kui tegelikkuses jääb see hüpoteetiliseks raamistikuks, mis ootab selget eksperimentaalset kinnitust.
Silmatorkava näite teooria ja eksperimendi lahknevusest võib leida neutriinode puhul. Aastakümneid eeldati, et neil pole massi, osaliselt teoreetilisest mugavusest erinevates mudelites (sealhulgas mõnedes, mis olid inspireeritud stringiteooriast), kuid neutriinoostsillatsioonikatsed näitasid, et Jah, neil on väike, kuid mitte nullmass.See sundis mudeleid üle vaatama ja laiendama ning tuletab meelde, et loodusel on alati viimane sõna, meeldib see meie elegantsetele konstruktsioonidele või mitte.
Supersümmeetria puhul on LHC andmed seadnud üha rangemaid piiranguid paljude superosakeste minimaalsele massile. Asi pole selles, et plokk-supersümmeetriat oleks "ümber lükatud", vaid mõned selle lihtsaimad ja optimistlikumad stsenaariumid. Nad on juba üsna nurka surutudFüüsikud jätkavad keerukamate versioonide, erineva SUSY-murdeteguriga mudelite või keerukamate laienduste uurimist, kuid olukord on vähem mugav kui kakskümmend või kolmkümmend aastat tagasi.
Supersümmeetria, tumeaine ja ülimassiivsed mustad augud
Tumeaine küsimus ristub supersümmeetriaga väga sugestiivsel viisil. Ainus asi, mida me selle aine kohta kindlalt teame, on selle gravitatsiooniline jalajälg universumisgalaktika pöörlemiskõverad, gravitatsiooniläätsed, suuremahulised struktuurid... Kuid me pole ühtegi selle osakest otseselt tuvastanud, ei maa-alustes detektorites ega põrkurites.
Mõned supersümmeetrilised mudelid pakuvad sellele tumeainele väga loomulikke kandidaate, näiteks teatud nõrgalt interakteeruvad stabiilsed LSP-d. Siiski pole seni nende osakeste signaalide otsimisega seotud katsed, olgu siis kosmoses või laborites, andnud lõplikke tulemusi. Olukord on sarnane SUSY-ga üldiselt: Katseaknad sulguvad järk-järgult.Kuid mingil variandil on veel ruumi toimida.
Teisest küljest paljastab astrofüüsika nähtusi, mida on raske klassikalisse raamistikku sobitada. Näiteks James Webbi kosmoseteleskoop on tuvastanud äärmiselt vanad ülimassiivsed mustad augud, mis on peaaegu sama vanad kui universum ise. Traditsiooniliste ideede kohaselt peaksid need koletised moodustuma väiksematest mustadest aukudest, mis neelavad miljardite aastate jooksul gaasi, tähti ja teisi musti auke. Siiski tunduvad mõned vaadeldud aukudest olevat... liiga suured oma vanuse kohta.
Siin tulebki mängu veenev hüpotees: tumeaine mõjutab otseselt nende ürgsete mustade aukude teket. Teadlased nagu Alexander Kusenko ja tema meeskond on väitnud, et varases universumis takistas tumeaine olemasolu vesiniku jahtumist, mis takistas tähtede normaalset teket. Selle asemel võis tekkida hiiglaslik kuum gaasipilv variseb ootamatult kokku ülimassiivseks mustaks aukuksvahelejättes vahepealse tähefaasi.
Probleem on selles, et gaas kipub kiiresti jahtuma, eriti kui moodustuvad vesinikumolekulid ja toimivad tõhusate "kiirgusallikatena". Tumeaine peaks vajalike tingimuste säilitamiseks avaldama väga peent mõju. Nende stsenaariumide uurimiseks töötatakse välja teoreetilisi mudeleid ja simulatsioone ning James Webbi kosmoseteleskoop koos tulevaste observatooriumidega võib anda olulisi vihjeid. Kui mõni neist hüpoteesidest leiab kinnitust, Seos tumeaine, supersümmeetria ja mustade aukude vahel See võiks veelgi kitsamaks muutuda.
Praegu on olukord aga aus: me teame, et tumeaine eksisteerib tänu oma gravitatsioonilisele mõjule, meil on mõistlikke ideid (sealhulgas palju supersümmeetrilisi) selle kohta, mis see võiks olla, ja me kogume huvitavaid vihjeid selle rolli kohta kosmiliste struktuuride kujunemisel... aga Me pole ikka veel betoonitüki kaelast haaranudOtse öeldes.
Kokkuvõttes näitab füüsika sümmeetria ja supersümmeetria ajalugu, mil määral universum näib olevat organiseeritud järgmiselt sügavad mustridInimkehast või veiniklaasist kuni elementaarosakeste ja kaugete mustade aukudeni on klassikalised sümmeetriad, mis on vormistatud sellistes tulemustes nagu Noetheri teoreem, võimaldanud meil mõista, miks teatud suurused säilivad ja millised peavad olema füüsikaseadused, et austada ruumi ja aja põhilisi invariantsusi. Supersümmeetria kogu oma matemaatilise elegantsi ja potentsiaaliga lahendada mõistatusi, nagu hierarhiaprobleem või tumeaine olemus, jääb oluliseks teoreetiliseks ettevõtmiseks, mis ootab lõplikku eksperimentaalset otsust. Olenemata sellest, kas see lõpuks kinnitust leiab või sunnib meid leiutama veelgi julgemaid raamistikke, on see juba jätnud sügava jälje meie reaalsuse mõistmisele.
