Przez
Symetria w fizyce bada zachowanie cząstek w warunkach odwrócenia wartości przestrzennych, czasowych i liczb kwantowych, obejmujących zarówno zmiany dyskretne, jak i ciągłe. Stanowi podstawę spójności praw przyrody i powtarzalności eksperymentów, wywierając ogromny wpływ na współczesne teorie fizyki, takie jak supersymetria, i potencjalnie odkrywając nowe cząstki i siły. Źródło: SciTechDaily.com
Co to jest symetria w fizyce?
W fizyce symetria odnosi się do zachowania cząstek, gdy przestrzeń, czas lub liczby kwantowe zostaną odwrócone. Jesteśmy przyzwyczajeni do prostych typów symetrii w życiu codziennym. Na przykład twarz ludzka jest bardzo prawie symetryczna, gdy jest odbijana od lewej do prawej. Jednak twarz jest całkowicie asymetryczna, gdy jest odbijana od góry do dołu — górna połowa twarzy nie wygląda tak samo jak dół. Małe zmiany mogą złamać symetrię. Na przykład twarz z pieprzykiem na jednym policzku złamałaby symetrię lewego prawego.
Symetria w fizyce to coś więcej niż tylko wygląd i forma. Kontrastuje to z symetrią w biologii, która często odnosi się do symetrii, omawiając wygląd organizmów i układ ich ciał.
Symetria w fizyce może odnosić się do praw natury odpornych na zmiany w tożsamości lub właściwościach niektórych cząstek elementarnych. Symetria może również oznaczać zmiany w pozornie abstrakcyjnych matematycznych opisach natury.
Tarcza zegara jest przykładem transformacji parzystości. Wygląd i zachowanie tarczy zegara w przypadku odwrócenia układu współrzędnych jest testem symetrii. Ten obraz pokazuje, jak wygląda i działa zegar, jeśli jest odbity w lustrze. Źródło: Nathan Clarke, Biuro Naukowe Departamentu Energii
Symetria często odnosi się natomiast do zachowania natury, gdy cząstki zostają zamienione miejscami z ich antycząstkami (co nazywa się „koniugacją ładunku”), kiedy współrzędne zostają odwrócone jak w lustrze (tzw. „inwersją parzystości”) lub kiedy czas zostaje odwrócony (uruchamianie „ film” od tyłu). Fizycy nazywają te trzy symetrie C (dla ładunku), P (dla parzystości) i T (dla czasu). Tak zwana symetria CPT jest dyskretna — zachodzi etapowo.
Fizycy kontrastują symetrię dyskretną z symetrią ciągłą, w której nie ma etapów pomiędzy zmianami symetrii. Jednym z przykładów jest symetria obrotowa, taka jak obrót koła. W przeciwieństwie do przypadku obracania kwadratu, nie ma punktów, w których obrót koła łamie symetrię.
Dla naukowców szczególnie ważna jest symetria translacyjna w czasie i przestrzeni. Symetria translacyjna oznacza, że prawa natury mierzone przez jedną osobę w tym samym czasie i miejscu nie ulegną zmianie, jeśli zostaną zmierzone przez inną osobę w innym czasie i innym miejscu. Bez tej symetrii nauki fizyczne i uniwersalne prawa natury nie działałyby. Innymi słowy, symetria w czasie i przestrzeni sprawia, że eksperymenty są powtarzalne, a nauka możliwa.
Zrozumienie symetrii i złamanych symetrii jest ważne dla zrozumienia fizycznych właściwości materii i naszego wszechświata.
Wiele postępów w fizyce, które nastąpiły w ciągu ostatnich kilkuset lat, opierało się na rosnącym uznaniu znaczenia symetrii w tworzeniu teorii przyrody. Jeśli naukowcom uda się poprawnie wydedukować, które symetrie są prawidłowe, będą mogli dowiedzieć się więcej o tym, jakie rzeczy są możliwe w przyrodzie, zwłaszcza w przypadku cząstek subatomowych. Wiele teorii mających na celu ulepszenie standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych opiera się na symetrii jako zasadzie przewodniej. Na przykład teoria supersymetrii sugeruje, że wszystkie cząstki Modelu Standardowego mają symetrycznego partnera. Z drugiej strony, jeśli naukowcy zaobserwują naruszenie symetrii, czego się nie spodziewali, odkrycie to może wskazać możliwe nowe sposoby zachowania natury. Może to obejmować nowe cząstki i nowe siły.
Szybkie fakty
- Odkrycie naruszenia parzystości w rozpadzie beta było głębokim odkryciem, prowadzącym do fundamentalnego zrozumienia wszechświata i właściwości neutrin.
- Rozważania o symetrii odegrały kluczową rolę w wyprowadzeniu ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Albert Einstein był jednym z pierwszych, którzy wyraźnie uznali symetrię za najważniejsze kryterium przy opracowywaniu teorii, chociaż korzystano z niej pośrednio przy opracowywaniu teorii grawitacji Izaaka Newtona oraz teorii elektryczności i magnetyzmu Jamesa Clerka Maxwella.
- Emmy Noether odkryła głęboki związek między istnieniem ciągłych symetrii a prawami zachowania w 1918 r. Na przykład zasada zachowania energii jest nierozerwalnie powiązana z symetrią przesunięcia w czasie, a zasada zachowania pędu jest powiązana z symetrią przesunięcia przestrzennego.
DOE Office of Science: Wkład w badania symetrii
Poszukiwanie podstawowych symetrii natury jest tak głębokim i szerokim zagadnieniem, że angażuje fizyków o różnej wiedzy specjalistycznej z czterech programów Biura Naukowego Departamentu Energii.
Programy te obejmują podstawowe nauki o energii (BES), fizykę wysokich energii (HEP), fizykę jądrową (NP) i zaawansowane badania naukowe w zakresie obliczeń komputerowych (ASCR).
BES wspiera techniki syntezy i charakteryzowania nowych materiałów na poziomie atomowym. Materiały te często wykazują złamane symetrie, co prowadzi do głębszego zrozumienia naukowego i nowatorskiej funkcjonalności, która może mieć potencjalny wpływ na misję energetyczną DOE.
NP wspiera fizyków stosujących zaawansowane techniki poszukiwania złamanych symetrii neutronów, protonów i różnych izotopów jądrowych. NP wspiera także wysiłki mające na celu poszukiwanie jeszcze nieobserwowanego rozpadu jądrowego, znanego jako podwójny rozpad beta bez neutrin. Obserwacja tego rozpadu pokazałaby, że materia powstaje w laboratorium bez równoważącej ją antymaterii, co stanowi złamanie symetrii niezbędnej do zrozumienia, dlaczego we Wszechświecie jest wystarczająco dużo materii, abyśmy mogli istnieć.
HEP wspiera fizyków poszukujących sposobów naruszenia symetrii za pomocą eksperymentu Deep Underground Neutrino, Wielkiego Zderzacza Hadronów i innych eksperymentów. Tymczasem ASCR wspiera naukowców zajmujących się teorią komputerów, sprzętem i oprogramowaniem potrzebnych do przeprowadzania i interpretowania takich eksperymentów bogatych w dane.
