Moderne fysikk har en slags fiksering med symmetri noe som er slående for alle som bare i det minste nærmer seg emnet. Det spiller ingen rolle om du snakker om subatomære partikler, galakser eller et enkelt glass vin: fysikere vender gang på gang tilbake til symmetrier som om de var et kompass for å forstå universet. Og ærlig talt, det er de. Det sies ofte, halvt spøkefullt, halvt alvorlig, at hvis vi virkelig forsto Hvor kommer symmetrien fra? Vi kunne tyde virkelighetens dypeste hemmeligheter. Bak denne frasen ligger noe svært alvorlig: en god del av lovene som styrer kosmos, fra energibevaring til hypoteser om mørk materie, er skrevet i symmetriens språk og, et skritt videre, supersymmetriens språk.
Hva mener vi med symmetri i fysikk?
I hverdagsspråket, når vi snakker om symmetri, tenker vi på noe visuell og balansert, som menneskekroppenHvis vi ser bort fra føflekker, arr og mindre ujevnheter, ser venstre og høyre side bemerkelsesverdig like ut. Hvis du plasserer et kamera foran et speil og komponerer det riktig, vil bildet av speilbildet ditt og det direkte bildet av deg være praktisk talt umulig å skille fra hverandre. Speilet utfører en veldig spesifikk operasjon: det bytter venstre og høyre, og likevel ser resultatet det samme ut. Et annet hverdagseksempel er et godt laget vinglass. Hvis du plasserer det på et bord og roterer det rundt sin vertikale akse, Utseendet forblir uendret for enhver rotasjonsvinkel. Hvis noen kommer inn i rommet, snur det, og du kommer tilbake senere, kan du ikke si om glasset har rotert eller ikke bare ved å se på det. Systemet er, for observatøren, det samme før og etter rotasjonen. I fysikk er disse eksemplene formalisert ved å si at en symmetri er en operasjon som, når den brukes på et system, Den endrer ikke sine grunnleggende egenskaperI det første tilfellet snakker vi om paritetssymmetri (venstre-høyre-utveksling), i det andre om sylindrisk eller rotasjonssymmetri. Kunsten er å identifisere hvilke transformasjoner som er “ufarlige”, det vil si hvilke som lar ligningene som beskriver systemet være intakte. Dette konseptet går langt utover det visuelle. Symmetri i et matematisk uttrykk diskuteres også når man, etter å ha utført en viss transformasjon (for eksempel å endre en variabel til dens negative eller rotere et koordinatsystem), den resulterende formelen samsvarer med originalenI moderne matematikk beskrives symmetrier av svært raffinerte strukturer (grupper, representasjoner, Lie-algebraer osv.) som har blitt uunnværlige verktøy for fysikere. Å oppdage symmetrier er ikke et estetisk innfall. Det er måten å vite hva slags operasjoner vi kan utføre på et system uten å endre dets observerbare resultater. I praksis reduserer dette kompleksiteten til problemer betraktelig, fordi Det utelukker umiddelbart mange muligheter. noe som ville være uforenlig med den symmetrien.
Hvorfor symmetri er hersker i moderne fysikk
Tenk deg at du vil konstruere en fysisk teori for en verden som er en perfekt sfære. Intuitivt vet du at enhver rotasjon av den sfæren gjør alt likt: Det finnes ikke noe privilegert poengHvis fysikkens lover var avhengige av den spesifikke posisjonen på sfæren, kunne du skille ett punkt fra et annet gjennom eksperimenter, og symmetrien ville brytes sammen. Derfor kan ikke ligningene du skriver skille mellom punkter; de må respektere denne symmetrien. Denne typen resonnement gjennomsyrer all moderne fysikk. Standardmodellen, som beskriver elementærpartikler og deres interaksjoner (med unntak av klassisk gravitasjon), er bokstavelig talt konstruert etter dette prinsippet. på sett med abstrakte symmetrier som knytter partikler til hverandre og begrenser hvordan de kan samhandle. Disse symmetriene legges ikke til på slutten for å pynte på teorien; de er selve skjelettet til modellen. Noe lignende skjer i generell relativitetsteori, men med forskjellige symmetrier. Einsteins teori hviler på ideen om at fysiske lover må være gyldige i enhver rimelig bevegelig referanseramme, noe som oversettes til en invarians under visse transformasjoner av romtidIgjen, symmetri er ikke bare en kuriositet, men et krav for konsistens. I en fysikers daglige arbeid oversettes dette til et slags motto: «ikke alt går.» Symmetrier fungerer som en brutalt effektiv veiledning for å forkaste mulige teorier og for å utforme nye. Mange av forslagene i fysikk utover standardmodellen, fra store enhetlige teorier til modeller av kvantegravitasjon, oppstår nettopp fra å kreve flere symmetrier, eller fra å bryte dem på svært kontrollerte måter.
Noethers teorem: broen mellom symmetri og bevaring
På begynnelsen av 1900-tallet formulerte den tyske matematikeren Emmy Noether et resultat som mange anser som en av de mest dype juvelene innen teoretisk fysikkTeoremet hans etablerer en direkte kobling mellom symmetrier og konserverte størrelser. Enkelt sagt: når en teori har en kontinuerlig symmetri, ser det ut til at en størrelse som forblir konstant over tid er assosiert med den. For eksempel er energibevaring relatert til symmetri med hensyn til forskyvning i tidHvis fysikkens lover ikke endres fra en dag til den neste (det vil si at de er de samme i dag som i morgen), er den totale energien til et isolert system bevart. Bevaring av lineært bevegelsesmengde er assosiert med translasjonssymmetri i rommet: hvis det å flytte hele eksperimentet noen få meter ikke endrer resultatene, forblir bevegelsesmengden konstant. Noe lignende skjer med vinkelbevegelsesmengde, som er knyttet til rotasjonssymmetriHvis rotasjon av hele systemet ikke endrer dets fysiske egenskaper, forblir det totale vinkelmomentet konstant. Og så videre med andre konserverte størrelser, som elektrisk ladning, som korresponderer med mer abstrakte interne symmetrier. Det utrolige med Noethers teorem er at det lar oss trekke ut kraftig informasjon fra en teori uten å måtte løse alle ligningene. Bare det å identifisere symmetriene er nok til å vite hvilke størrelser som forblir uforanderlige. Dette trikset gjelder fra klassisk mekanikk til kvantefeltfysikk, og hver student som møter det opplever et lite sjokk. Det virker som om en veldig dyp sannhet plutselig dukker opp om hvordan universet er organisert.
Bosoner og fermioner: to svært forskjellige familier
Når vi går videre til kvantemekanikken til systemer med mange partikler, møter vi to hovedtyper: fermioner og bosonerDenne klassifiseringen er ikke vilkårlig; den er knyttet til en iboende egenskap ved partikler kalt spinn, relatert til kvantevinkelmomentum. Fermioner (som elektroner, protoner eller nøytroner) har halvtallsspinn (1/2, 3/2, osv.) og følger Paulis eksklusjonsprinsipp. Dette betyr at De kan ikke dele nøyaktig samme kvantetilstandI praksis betyr dette at de «ikke liker å klynge seg sammen» med alle sine identiske egenskaper. Denne enkle regelen forklarer alt fra atomenes struktur til stabiliteten til materien vi berører hver dag. Bosoner, derimot, har heltallsspinn (0, 1, 2…) og er mye mer sosiale. De kan innta samme kvantetilstand uten problemer. I noen systemer, faktisk, alle bosoniske partikler ender opp i samme tilstandslik det skjer i lasere eller Bose-Einstein-kondensater. Fotonet, Higgs-bosonet og pioner er eksempler på bosoner som vi kjenner godt i laboratoriet. Denne forskjellen i kollektiv oppførsel gjør at fermioner og bosoner virker som to separate verdener. Den ene bygger «materie» (elektroner, kvarker, leptoner generelt), mens den andre vanligvis er ansvarlig for formidle de grunnleggende interaksjonene (fotoner for elektromagnetisme, gluoner for sterk vekselvirkning, osv.). De ser ikke ut til å ha mye til felles … med mindre det er en dypere symmetri som forbinder dem. Og det er der supersymmetri kommer inn i bildet, en idé som antyder at kanskje, Fermioner og bosoner er to sider av samme sak, forbundet med en enda mer subtil transformasjon.
Fra vanlige symmetrier til supersymmetri
Fra 60- og 70-tallet begynte teoretiske fysikere å lure på om det var mulig å forestille seg nye symmetrier som gikk utover av de som allerede er kjent i standardmodellen. Hvis de vanlige symmetriene hadde vist seg å være så nyttige for å bygge teorier, hvorfor ikke utforske om det kunne finnes en utvidet versjon av konseptet som direkte relaterte fermioner og bosoner? Historisk sett var det noen svært interessante tidligere trinn. Den japanske fysikeren Hironari Miyazawa foreslo i 1966 en slags hadronisk supersymmetri mellom baryoner (sammensatte fermioner, som protoner og nøytroner) og mesoner (bosoniske hadroner). For å beskrive disse forholdene introduserte han matematiske strukturer som vi i dag ville identifisere som superalgebraer av SU(3|3)-typen, selv uten å bruke den moderne terminologien ennå. Kort tid etter, tidlig på 70-tallet, arbeidet flere grupper med duale modeller og tidlige strengteorier. Gervais og Sakita introduserte det de kalte “supergauge”-transformasjonerDisse var direkte forløpere til dagens supersymmetriske transformasjoner. Parallelt utvidet Golfand og Likhtman Poincaré-algebraen (som beskriver de grunnleggende symmetriene i relativistisk romtid) til en “gradert” versjon, som innlemmet generatorer som blandet bosoniske og fermioniske frihetsgrader. Spesifikke modeller dukket også opp, som Volkov og Akulovs, som forutså et spinn på 3/2 fermion assosiert med en ikke-lineær supersymmetri. Men det var modellen formulert av Wess og Zumino i 1973 som virkelig gjorde gjennombruddet. den som fullførte konsolideringen av supersymmetri som en seriøs og systematisk utvidelse av rammeverket for kvantefeltteorier. Fra 1974 og utover tok ideen fart og begynte å bli naturlig integrert i forsøk på å utvide den nylig konsoliderte standardmodellen. Det finnes enda en mer fjern “forhistorie”: i 1937 hadde Wigner klassifisert de irreduserbare representasjonene av Poincaré-gruppen og funnet matematiske strukturer med uendelige tårn av heltalls- og halvtallshelisiteter. Disse representasjonene, som på den tiden virket som eksotiske objekter uten fysisk anvendelse, viste seg å være naturlig relatert til supersymmetriske ideerselv om ingen så det før flere tiår senere.
Hva innebærer egentlig supersymmetri?
I sin mest grunnleggende form sier supersymmetri (SUSY, forkortet) følgende: til hver kjent partikkel må det korrespondere en supersymmetrisk partner med samme sett med interne egenskaper (ladning, modifisert spinn, osv.), men med en utvekslet bosonisk eller fermionisk natur. Dermed er hvert fermion i standardmodellen assosiert med et supersymmetrisk boson og omvendt. Elektronet ville for eksempel ha en partner kalt selektronet, som ville oppføre seg som et boson med svært like egenskaper, bortsett fra den viktige endringen i spinntype. På samme måte ville kvarker bli paret med squarker, og Bosoner som gluonet ville være ledsaget av et fermion kalt gluinoFotoner ville bli paret med fotoner, gravitoner med gravitoner, og så videre for hele katalogen av relevante partikler. Hvis symmetrien var perfekt, ville hvert par hatt samme masse, noe som ville bety at vi i eksperimenter alltid ville se partikkelen og dens supersymmetriske partner produsert uten problemer. Men dette er ikke tilfelle: den dag i dag, Ingen av disse superpartiklene har blitt observert avgjørende. For å redde teorien introduserer fysikere ideen om supersymmetribrudd: symmetri eksisterer i de grunnleggende ligningene, men i vårt univers er den “brutt”, slik at massene til superpartiklene er mye større enn massene til deres vanlige motparter. Dette innebærer at deteksjon av dem krever ekstremt høye energier, slik som de som oppnås i LHC (Large Hadron Collider) akseleratorer. I følge mange modeller bør massene til disse superpartiklene være i vinduet mellom omtrent 100 GeV og 1 TeV, et energiområde som Det har blitt utforsket i eksperimenter som ATLAS og CMSSå langt har det ikke dukket opp noen overbevisende bevis, noe som presser oss til å forbedre modeller, utvide søkeområdet eller stille spørsmål ved enkelte antagelser.
Hvorfor begeistrer supersymmetri så mange fysikere?
Supersymmetri er ikke bare en matematisk vakker konstruksjon, selv om den absolutt er det. Hovedappellen ligger i de suggestive svarene den tilbyr til flere åpne problemer i dagens fysikkEt av de mest omtalte er det såkalte hierarkiproblemet: hvorfor den svake vekselvirkningen er så sterk sammenlignet med tyngdekraften, eller, sagt på en annen måte, hvorfor massen til Higgs-bosonet er så «liten» sammenlignet med Planck-skalaen. Uten supersymmetri har kvanteberegninger av Higgs-massen en tendens til å gi absurd store resultater, noe som krever ekstremt fine justeringer for å forene dem med observasjoner. Med SUSY blir bidragene fra fermioner og bosoner til disse korreksjonene delvis kansellert, noe som Det lindrer problemet naturlig. og lar oss holde Higgs-massen innenfor det passende området uten å ty til numerisk manipulasjon. En annen styrke er mørk materie. Kosmologiske observasjoner indikerer at omtrent 85 % av materien i universet er av en type som Den verken sender ut eller absorberer lysmen den utøver en gravitasjonsmessig innflytelse på galakser og galaksehoper. Standardmodellen tilbyr ikke gode kandidater for å forklare denne mørke materien, utover nøytrinoer med masse, som virker utilstrekkelige. I mange supersymmetriske modeller er imidlertid den letteste supersymmetriske partikkelen (LSP) stabil og nøytral, og passer ganske godt med egenskapene som forventes av en mørk materiepartikkel. Videre letter supersymmetri foreningen av de grunnleggende interaksjonene. Hvis vi ekstrapolerer hvordan koblingskonstantene (de som måler styrken til kreftene) utvikler seg med energi, I en modell uten SUSY krysser de ikke hverandre rent. på et enkelt punkt. Med ekstra supersymmetri har disse kurvene en tendens til å komme bedre sammen ved svært høye energier, noe som gir næring til håp om en storslått enhetlig teori der elektromagnetisme, den svake vekselvirkningen og den sterke vekselvirkningen er manifestasjoner av en enkelt kraft ved ekstreme energier. Til slutt spiller supersymmetri en nøkkelrolle i streng- og superstrengteorier, som forsøker å beskrive gravitasjon ved hjelp av kvanteregler, og i kvantegravitasjonsteoriUten supersymmetri lider strengteorier av alvorlige konsistensproblemer (takyonfremvekst, divergenser osv.). Med den, Modellene oppfører seg mye bedre og rike strukturer av dualiteter og matematiske korrespondanser dukker opp som har revolusjonert teoretisk fysikk og hele grener av matematikken.
Kritikk, tvil og eksperimentenes rolle
Det er imidlertid ikke bare uhemmet entusiasme. Innenfor selve teoretisk fysikk-miljøet er det kritiske stemmer som påpeker at til tross for flere tiår med arbeid, Vi har ikke sett noen superpartikler ennå. i de kraftigste eksperimentene som er bygget til dags dato. Hver gang vi utvider spekteret av energier som er utforsket uten å finne signaler, blir visse enkle modeller av SUSY mindre troverdige. Det er også debatt om hvordan disse temaene presenteres for allmennheten. I offentlige forelesninger eller videoer brukes det noen ganger mye tid på å gjennomgå veldig grunnleggende fysikk før man går inn i supersymmetri, noe som kan frustrere entusiaster som allerede har litt bakgrunnskunnskap. Og omvendt: noen tror at visse populariserende De selger supersymmetri som om det var en etablert sannhet.når det i virkeligheten forblir et hypotetisk rammeverk som venter på klar eksperimentell bekreftelse. Et slående eksempel på bruddet mellom teori og eksperiment finnes i tilfellet med nøytrinoer. I flere tiår ble det antatt at de ikke hadde masse, delvis for teoretisk bekvemmelighet i ulike modeller (inkludert noen inspirert av strengteori), men nøytrinoscillasjonseksperimenter viste at Ja, de har en liten, men ikke null masse.Dette tvang frem en revisjon og utvidelse av modellene, og tjener som en påminnelse om at naturen alltid har det siste ordet, enten våre elegante konstruksjoner liker det eller ikke. I det spesifikke tilfellet supersymmetri har LHC-data satt stadig strengere grenser for minimumsmassen som mange superpartikler kan ha. Det er ikke slik at supersymmetri har blitt «avkreftet» blankt, men noen av dens enkleste og mest optimistiske scenarier. De er allerede ganske i et hjørneFysikere fortsetter å utforske mer komplekse versjoner, modeller med ulik SUSY-bryting eller mer sofistikerte utvidelser, men landskapet er mindre komfortabelt enn det var for tjue eller tretti år siden.
Supersymmetri, mørk materie og supermassive sorte hull
Spørsmålet om mørk materie krysser hverandre med supersymmetri på svært suggestive måter. Det eneste vi vet sikkert om denne saken er dens gravitasjonsavtrykk i universetGalaktiske rotasjonskurver, gravitasjonslinsing, storskala struktur … Men vi har ikke direkte oppdaget noen av partiklene, verken i underjordiske detektorer eller i kollidatorer. Noen supersymmetriske modeller tilbyr svært naturlige kandidater for denne mørke materien, slik som visse svakt vekselvirkende stabile LSP-er. Imidlertid har eksperimenter som søker etter signaler fra disse partiklene, enten i rommet eller i laboratorier, så langt ikke gitt avgjørende resultater. Situasjonen ligner på den for SUSY generelt: Eksperimentvinduene lukkes gradvis.Men det er fortsatt rom for at noen varianter kan fungere. På den annen side avslører astrofysikk fenomener som er vanskelige å passe inn i det klassiske rammeverket. James Webb-romteleskopet har for eksempel identifisert ekstremt gamle supermassive sorte hull, nesten like gamle som selve universet. I følge tradisjonelle ideer burde disse monstrene dannes fra mindre sorte hull som sluker gass, stjerner og andre sorte hull over milliarder av år. Noen av de observerte ser imidlertid ut til å være for store for alderen sinDet er her en overbevisende hypotese kommer inn: at mørk materie direkte påvirker dannelsen av disse ur-sorte hullene. Forskere som Alexander Kusenko og teamet hans har foreslått at tilstedeværelsen av mørk materie i det tidlige universet ville ha hindret avkjølingen av hydrogen og dermed forhindret normal dannelse av stjerner. I stedet kunne en gigantisk, varm gasssky kollapse plutselig til et supermassivt svart hullhopper over den mellomliggende stjernefasen. Problemet er at gassen har en tendens til å avkjøles raskt, spesielt når hydrogenmolekyler dannes, og fungerer som effektive «radiatorer». Mørk materie må utøve en svært delikat innflytelse for å opprettholde de nødvendige forholdene. Teoretiske modeller og simuleringer utvikles for å studere disse scenariene, og James Webb-romteleskopet, sammen med fremtidige observatorier, kan gi viktige ledetråder. Hvis noen av disse hypotesene bekreftes, forbindelsen mellom mørk materie, supersymmetri og sorte hull Det kan bli enda smalere. Foreløpig er imidlertid situasjonen ærlig: vi vet at mørk materie eksisterer på grunn av sin gravitasjonseffekt, vi har rimelige ideer (inkludert mange supersymmetriske) om hva det kan være, og vi samler interessante ledetråder om dens rolle i dannelsen av kosmiske strukturer … men Vi har fortsatt ikke grepet betongpartikkelen i nakken.For å si det rett ut. Alt i alt viser historien om symmetri og supersymmetri i fysikk i hvilken grad universet ser ut til å være organisert i henhold til dype mønstreFra menneskekroppen eller et glass vin til elementærpartikler og fjerne sorte hull, har klassiske symmetrier, formalisert i resultater som Noethers teorem, gjort det mulig for oss å forstå hvorfor visse størrelser er bevart og hvordan fysikkens lover må være for å respektere grunnleggende invarianser i rom og tid. Supersymmetri, med all sin matematiske eleganse og sitt potensial til å løse gåter som hierarkiproblemet eller mørk materies natur, er fortsatt et viktig teoretisk prosjekt som venter på en endelig eksperimentell dom. Enten det til slutt blir bekreftet eller tvinger oss til å finne opp enda dristigere rammeverk, har det allerede satt et dyptgående preg på hvordan vi tenker om virkeligheten. [relatert url=”https://www.cultura10.com/teoria-de-la-gravedad-cuantica-mapas-pruebas-y-encrucijadas/”]