Η απλή ιδέα πίσω από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του Αϊνστάιν

Οι πιο φανταχτεροί καρποί των αιωνόβιων γνώσεων του Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι πλέον βαθιά ενσωματωμένοι στη λαϊκή φαντασία:οι μαύρες τρύπες, οι χρονικές παραμορφώσεις και οι σκουληκότρυπες εμφανίζονται τακτικά ως σημεία πλοκής σε ταινίες, βιβλία, τηλεοπτικές εκπομπές. Ταυτόχρονα, τροφοδοτούν την έρευνα αιχμής, βοηθώντας τους φυσικούς να θέτουν ερωτήματα σχετικά με τη φύση του χώρου, του χρόνου, ακόμη και των ίδιων των πληροφοριών.

Ίσως, ειρωνικά, όμως, αυτό που είναι αναμφισβήτητα το πιο επαναστατικό μέρος της κληρονομιάς του Αϊνστάιν σπάνια τραβάει την προσοχή. Δεν έχει τίποτα από τον παφλασμό των βαρυτικών κυμάτων, την έλξη των μαύρων τρυπών ή ακόμα και τη γοητεία των κουάρκ. Αλλά το να κρύβεται ακριβώς πίσω από την κουρτίνα όλων αυτών των εξωτικών φαινομένων είναι μια απατηλά απλή ιδέα που τραβάει τους μοχλούς, δείχνει πώς τα κομμάτια ταιριάζουν μεταξύ τους και φωτίζει το μονοπάτι μπροστά.

Η ιδέα είναι η εξής:Μερικές αλλαγές δεν αλλάζουν τίποτα. Οι πιο θεμελιώδεις πτυχές της φύσης μένουν οι ίδιες ακόμα κι αν φαινομενικά αλλάζουν σχήμα με απροσδόκητους τρόπους. Οι εργασίες του Αϊνστάιν του 1905 σχετικά με τη σχετικότητα οδήγησαν στο αναμφισβήτητο συμπέρασμα, για παράδειγμα, ότι η σχέση μεταξύ ενέργειας και μάζας είναι αμετάβλητη, παρόλο που η ίδια η ενέργεια και η μάζα μπορούν να λάβουν πολύ διαφορετικές μορφές. Η ηλιακή ενέργεια φτάνει στη Γη και γίνεται μάζα με τη μορφή πράσινων φύλλων, δημιουργώντας τροφή που μπορούμε να φάμε και να χρησιμοποιήσουμε ως καύσιμο για σκέψη. ("Ποιο είναι αυτό το μυαλό μας:τι είναι αυτά τα άτομα με συνείδηση;" ρώτησε ο αείμνηστος Richard Feynman. "Οι πατάτες της προηγούμενης εβδομάδας!") Αυτή είναι η έννοια του E =mc . Το «c ” σημαίνει την ταχύτητα του φωτός, έναν πολύ μεγάλο αριθμό, επομένως δεν χρειάζεται πολλή ύλη για να παραχθεί μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Στην πραγματικότητα, ο ήλιος μετατρέπει εκατομμύρια τόνους μάζας σε ενέργεια κάθε δευτερόλεπτο.

Αυτή η ατελείωτη μεταμόρφωση της ύλης σε ενέργεια (και το αντίστροφο) τροφοδοτεί τον κόσμο, την ύλη, τη ζωή. Ωστόσο, μέσα από όλα αυτά, το περιεχόμενο ενέργειας-ύλης του σύμπαντος δεν αλλάζει ποτέ. Είναι παράξενο αλλά αληθινό:η ίδια η ύλη και η ενέργεια είναι λιγότερο θεμελιώδεις από τις υποκείμενες σχέσεις μεταξύ τους.

Έχουμε την τάση να σκεφτόμαστε τα πράγματα, όχι τις σχέσεις, ως την καρδιά της πραγματικότητας. Τις περισσότερες φορές όμως ισχύει το αντίθετο. «Δεν είναι το θέμα», είπε ο φυσικός του Πανεπιστημίου Brown Stephon Alexander.

Το ίδιο ισχύει, έδειξε ο Αϊνστάιν, για «πράγματα» όπως ο χώρος και ο χρόνος, φαινομενικά σταθερές, αμετάβλητες πτυχές της φύσης. Στην πραγματικότητα, είναι η σχέση μεταξύ χώρου και χρόνου που παραμένει πάντα η ίδια, ακόμη και όταν ο χώρος συστέλλεται και ο χρόνος διαστέλλεται. Όπως η ενέργεια και η ύλη, ο χώρος και ο χρόνος είναι μεταβλητές εκδηλώσεις βαθύτερων, ακλόνητων θεμελίων:πράγματα που δεν ποικίλλουν ποτέ ανεξάρτητα από το τι.

«Η βαθιά άποψη του Αϊνστάιν ήταν ότι ο χώρος και ο χρόνος βασικά χτίζονται από τις σχέσεις μεταξύ πραγμάτων που συμβαίνουν», είπε ο φυσικός Robbert Dijkgraaf, διευθυντής του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, όπου ο Αϊνστάιν πέρασε τις τελευταίες του δεκαετίες.

Η σχέση που τελικά είχε μεγαλύτερη σημασία για την κληρονομιά του Αϊνστάιν ήταν η συμμετρία. Οι επιστήμονες συχνά περιγράφουν τις συμμετρίες ως αλλαγές που στην πραγματικότητα δεν αλλάζουν τίποτα, διαφορές που δεν κάνουν τη διαφορά, παραλλαγές που αφήνουν αμετάβλητες τις βαθιές σχέσεις. Παραδείγματα είναι εύκολο να βρεθούν στην καθημερινή ζωή. Μπορείτε να περιστρέψετε μια νιφάδα χιονιού κατά 60 μοίρες και θα φαίνεται το ίδιο. Μπορείτε να αλλάξετε θέσεις σε ένα κλιμάκιο και να μην διαταράξετε την ισορροπία. Πιο περίπλοκες συμμετρίες οδήγησαν τους φυσικούς στην ανακάλυψη των πάντων, από τα νετρίνα μέχρι τα κουάρκ - οδήγησαν ακόμη και στην ανακάλυψη του ίδιου του Αϊνστάιν ότι η βαρύτητα είναι η καμπυλότητα του χωροχρόνου, ο οποίος, γνωρίζουμε τώρα, μπορεί να κουλουριαστεί μέσα του, τσιμπώντας σε μαύρες τρύπες .

Τις τελευταίες δεκαετίες, ορισμένοι φυσικοί έχουν αρχίσει να αναρωτιούνται εάν η εστίαση στη συμμετρία εξακολουθεί να είναι τόσο παραγωγική όσο παλιά. Νέα σωματίδια που προβλέπονται από θεωρίες που βασίζονται σε συμμετρίες δεν έχουν εμφανιστεί σε πειράματα όπως ελπίζαμε και το μποζόνιο Higgs που ανιχνεύθηκε ήταν πολύ ελαφρύ για να χωρέσει σε οποιοδήποτε γνωστό συμμετρικό σχήμα. Η συμμετρία δεν έχει βοηθήσει ακόμα να εξηγήσει γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη, γιατί η ενέργεια του κενού είναι τόσο μικρή ή γιατί η σκοτεινή ύλη παραμένει διαφανής.

«Υπήρχε, στη σωματιδιακή φυσική, αυτή η προκατάληψη ότι η συμμετρία είναι η ρίζα της περιγραφής μας για τη φύση», είπε ο φυσικός Τζάστιν Χούρι από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. «Αυτή η ιδέα ήταν εξαιρετικά ισχυρή. Αλλά ποιος ξέρει; Ίσως πρέπει πραγματικά να εγκαταλείψουμε αυτές τις όμορφες και αγαπημένες αρχές που έχουν λειτουργήσει τόσο καλά. Είναι λοιπόν μια πολύ ενδιαφέρουσα στιγμή αυτή τη στιγμή."

Φως

Ο Αϊνστάιν δεν σκεφτόταν την αμετάβλητη ή τη συμμετρία όταν έγραψε τα πρώτα του έγγραφα σχετικότητας το 1905, αλλά οι ιστορικοί εικάζουν ότι η απομόνωσή του από την κοινότητα της φυσικής κατά τη διάρκεια της εργασίας του στο ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας μπορεί να τον βοήθησε να δει παρελθόν τα περιττά παγιδεύματα που οι άνθρωποι θεωρούσαν δεδομένα. .

Όπως και άλλοι φυσικοί της εποχής του, ο Αϊνστάιν συλλογιζόταν αρκετούς φαινομενικά άσχετους γρίφους. Οι εξισώσεις του James Clerk Maxwell που αποκαλύπτουν τη στενή σύνδεση μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων έμοιαζαν πολύ διαφορετικές σε διαφορετικά πλαίσια αναφοράς - είτε ένας παρατηρητής κινείται είτε σε ηρεμία. Επιπλέον, η ταχύτητα με την οποία τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία διαδίδονταν στο διάστημα ταίριαζε σχεδόν με ακρίβεια με την ταχύτητα του φωτός που μετρήθηκε επανειλημμένα από πειράματα - μια ταχύτητα που δεν άλλαζε ό,τι κι αν γινόταν. Ένας παρατηρητής θα μπορούσε να τρέχει προς το φως ή να τρέχει βιαστικά από αυτό και η ταχύτητα δεν διέφερε.

Ο Αϊνστάιν συνέδεσε τις τελείες:Η ταχύτητα του φωτός ήταν μια μετρήσιμη εκδήλωση της συμμετρικής σχέσης μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων - μια πιο θεμελιώδης έννοια από το ίδιο το διάστημα. Το φως δεν χρειαζόταν τίποτα για να ταξιδέψει, επειδή ήταν το ίδιο ηλεκτρομαγνητικά πεδία σε κίνηση. Η έννοια του «σε ηρεμία» - του στατικού «κενού χώρου» που εφευρέθηκε από τον Ισαάκ Νεύτωνα - ήταν περιττή και ανόητη. Δεν υπήρχε καθολικό "εδώ" ή "τώρα":Τα γεγονότα θα μπορούσαν να εμφανίζονται ταυτόχρονα σε έναν παρατηρητή αλλά όχι σε έναν άλλο, και και οι δύο προοπτικές θα ήταν σωστές.

Το κυνηγώντας μια δέσμη φωτός παρήγαγε ένα άλλο περίεργο αποτέλεσμα, το θέμα του δεύτερου εγγράφου σχετικότητας του Αϊνστάιν, «Η αδράνεια ενός σώματος εξαρτάται από το ενεργειακό του περιεχόμενο;» Η απάντηση ήταν ναι. Όσο πιο γρήγορα κυνηγάς, τόσο πιο δύσκολο είναι να πας πιο γρήγορα. Η αντίσταση στην αλλαγή γίνεται άπειρη με την ταχύτητα του φωτός. Εφόσον αυτή η αντίσταση είναι αδράνεια και η αδράνεια είναι μέτρο μάζας, η ενέργεια της κίνησης μετατρέπεται σε μάζα. «Δεν υπάρχει ουσιαστική διάκριση μεταξύ μάζας και ενέργειας», έγραψε ο Αϊνστάιν.

Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια για να δεχτεί ο Αϊνστάιν ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα συνυφασμένα νήματα ενός ενιαίου χωροχρονικού υφάσματος, αδύνατο να ξεμπερδέψουν. «Ακόμα δεν σκεφτόταν με έναν πλήρως ενοποιημένο χωροχρονικό τρόπο», είπε ο David Kaiser, φυσικός και ιστορικός της επιστήμης στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης.

Ο ενοποιημένος χωροχρόνος είναι μια δύσκολη ιδέα για να τυλίξουμε το μυαλό μας. Αλλά αρχίζει να έχει νόημα αν σκεφτούμε την πραγματική έννοια της «ταχύτητας». Η ταχύτητα του φωτός, όπως κάθε ταχύτητα, είναι μια σχέση — η απόσταση που διανύθηκε με την πάροδο του χρόνου. Αλλά η ταχύτητα του φωτός είναι ιδιαίτερη γιατί δεν μπορεί να αλλάξει. Η δέσμη λέιζερ σας δεν θα προχωρήσει πιο γρήγορα μόνο και μόνο επειδή πυροβολείται από δορυφόρο που επιταχύνει. Οι μετρήσεις της απόστασης και του χρόνου πρέπει επομένως να αλλάξουν, ανάλογα με την κατάσταση κίνησης κάποιου, οδηγώντας σε φαινόμενα γνωστά ως «συστολή του χώρου» και «διαστολή χρόνου». Το αμετάβλητο είναι το εξής:Ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα ταξιδεύουν δύο άνθρωποι μεταξύ τους, μετρούν πάντα το ίδιο «διάστημα χωροχρόνου». Καθισμένος στο γραφείο σου, τρέχεις στο χρόνο, σχεδόν καθόλου στο διάστημα. Μια κοσμική ακτίνα πετά σε τεράστιες αποστάσεις με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, αλλά δεν διασχίζει σχεδόν καθόλου χρόνο, παραμένοντας πάντα νέα. Οι σχέσεις είναι αμετάβλητες ανεξάρτητα από το πώς αλλάζετε τα πράγματα.

Βαρύτητα

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία ήρθε πρώτη, είναι «ειδική» επειδή ισχύει μόνο για σταθερή, αμετάβλητη κίνηση μέσω του χωροχρόνου - όχι επιταχυνόμενη κίνηση όπως η κίνηση ενός αντικειμένου που πέφτει προς τη Γη. Ενόχλησε τον Αϊνστάιν που η θεωρία του δεν περιελάμβανε τη βαρύτητα και ο αγώνας του να την ενσωματώσει έκανε τη συμμετρία κεντρική στη σκέψη του. «Μέχρι να μπει πλήρως στη γενική σχετικότητα, έχει επενδύσει πολύ περισσότερο σε αυτήν την έννοια των αναλλοίωτων και των χωροχρονικών διαστημάτων που θα πρέπει να είναι ίδια για όλους τους παρατηρητές», είπε ο Κάιζερ.

Συγκεκριμένα, ο Αϊνστάιν μπερδεύτηκε από μια διαφορά που δεν έκανε τη διαφορά, μια συμμετρία που δεν είχε νόημα. Εξακολουθεί να είναι εκπληκτικό να ρίχνεις ένα σωρό τσακισμένο χαρτί και ένα σετ βαριών πλήκτρων δίπλα-δίπλα για να δεις ότι κατά κάποιο τρόπο, σχεδόν μαγικά, χτυπούν στο έδαφος ταυτόχρονα — όπως απέδειξε ο Γαλιλαίος (τουλάχιστον απόκρυφα) ρίχνοντας ελαφριές και βαριές μπάλες από τον πύργο στην Πίζα. Εάν η δύναμη της βαρύτητας εξαρτάται από τη μάζα, τότε όσο πιο μαζικό είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο γρήγορα θα πρέπει να πέφτει λογικά. Ανεξήγητα, δεν το κάνει.

Η βασική γνώση ήρθε στον Αϊνστάιν σε ένα από τα διάσημα πειράματα σκέψης του. Φαντάστηκε έναν άνδρα να πέφτει από ένα κτίριο. Ο άνδρας θα επέπλεε τόσο χαρούμενος όσο ένας αστροναύτης στο διάστημα, έως ότου το έδαφος μπήκε στο δρόμο του. Όταν ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι ένα άτομο που πέφτει ελεύθερα θα αισθανόταν χωρίς βάρος, περιέγραψε την ανακάλυψη ως την πιο ευτυχισμένη σκέψη της ζωής του. Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να εντοπίσει τις μαθηματικές λεπτομέρειες της γενικής σχετικότητας, αλλά το αίνιγμα της βαρύτητας λύθηκε μόλις έδειξε ότι η βαρύτητα είναι η καμπυλότητα του ίδιου του χωροχρόνου, που δημιουργήθηκε από τεράστια αντικείμενα όπως η Γη. Τα κοντινά αντικείμενα που «πέφτουν» όπως ο φανταστικός άνθρωπος του Αϊνστάιν ή οι μπάλες του Γαλιλαίου ακολουθούν απλώς τη χωροχρονική διαδρομή που τους έχει χαράξει.

Όταν δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά η Γενική Σχετικότητα, 10 χρόνια μετά την ειδική έκδοση, προέκυψε ένα πρόβλημα:Φάνηκε ότι η ενέργεια μπορεί να μην διατηρηθεί στον έντονα καμπύλο χωροχρόνο. Ήταν γνωστό ότι ορισμένες ποσότητες στη φύση διατηρούνται πάντα:η ποσότητα της ενέργειας (συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας σε μορφή μάζας), η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου, η ποσότητα της ορμής. Σε ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα της μαθηματικής αλχημείας, ο Γερμανός μαθηματικός Emmy Noether απέδειξε ότι κάθε μία από αυτές τις διατηρημένες ποσότητες σχετίζεται με μια συγκεκριμένη συμμετρία, μια αλλαγή που δεν αλλάζει τίποτα.

Ο Noether έδειξε ότι οι συμμετρίες της γενικής σχετικότητας - η αναλλοίωσή της σε μετασχηματισμούς μεταξύ διαφορετικών πλαισίων αναφοράς - διασφαλίζουν ότι η ενέργεια διατηρείται πάντα. Η θεωρία του Αϊνστάιν σώθηκε. Το Noether και η συμμετρία κατέχουν έκτοτε το επίκεντρο της φυσικής.

Έχει σημασία

Μετά τον Αϊνστάιν, η έλξη της συμμετρίας έγινε μόνο πιο ισχυρή. Ο Paul Dirac, προσπαθώντας να κάνει την κβαντομηχανική συμβατή με τις απαιτήσεις συμμετρίας της ειδικής σχετικότητας, βρήκε ένα σύμβολο μείον σε μια εξίσωση που υποδηλώνει ότι η «αντιύλη» πρέπει να υπάρχει για να ισορροπήσει τα βιβλία. Κάνει. Αμέσως μετά, ο Wolfgang Pauli, σε μια προσπάθεια να εξηγήσει την ενέργεια που φαινόταν να χάνεται κατά τη διάσπαση των ραδιενεργών σωματιδίων, υπέθεσε ότι ίσως η ενέργεια που έλειπε να παρασύρθηκε από κάποιο άγνωστο, άπιαστο σωματίδιο. Ήταν, και αυτό το σωματίδιο είναι το νετρίνο.

Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1950, οι αναλλαγές απέκτησαν τη δική τους ζωή, γίνονται όλο και πιο αφηρημένες, «ξεπηδώντας», όπως το έθεσε ο Κάιζερ, από τις συμμετρίες του χωροχρόνου. Αυτές οι νέες συμμετρίες, γνωστές ως αναλλοίωτες «μετρητές», έγιναν εξαιρετικά παραγωγικές, «εξοπλίζοντας τον κόσμο», είπε ο Κάιζερ, απαιτώντας την ύπαρξη όλων, από τα μποζόνια W και Z μέχρι τα γκλουόνια. «Επειδή πιστεύουμε ότι υπάρχει μια συμμετρία που είναι τόσο θεμελιώδης που πρέπει να προστατευτεί με κάθε κόστος, εφευρίσκουμε νέα πράγματα», είπε. Η συμμετρία μετρητή «υπαγορεύει ποια άλλα συστατικά πρέπει να εισάγετε». Είναι περίπου το ίδιο είδος συμμετρίας με αυτό που μας λέει ότι ένα τρίγωνο που είναι αμετάβλητο κάτω από περιστροφές 120 μοιρών πρέπει να έχει τρεις ίσες πλευρές.

Οι συμμετρίες μετρητών περιγράφουν την εσωτερική δομή του συστήματος των σωματιδίων που κατοικεί τον κόσμο μας. Υποδεικνύουν όλους τους τρόπους με τους οποίους οι φυσικοί μπορούν να μετατοπίσουν, να περιστραφούν, να παραμορφώσουν και γενικά να ανακατέψουν τις εξισώσεις τους χωρίς να αλλάξουν τίποτα σημαντικό. «Η συμμετρία σας λέει με πόσους τρόπους μπορείτε να αναστρέψετε τα πράγματα, να αλλάξετε τον τρόπο που λειτουργούν οι δυνάμεις και δεν αλλάζει τίποτα», είπε ο Alexander. Το αποτέλεσμα είναι μια ματιά στην κρυφή σκαλωσιά που υποστηρίζει τα βασικά συστατικά της φύσης.

Η αφηρημένη συμμετρία των μετρητών προκαλεί κάποια ανησυχία σε ορισμένα μέρη. «Δεν βλέπετε ολόκληρο τον μηχανισμό, βλέπετε μόνο το αποτέλεσμα», είπε ο Ντάικγκρααφ. "Νομίζω ότι με τις συμμετρίες του μετρητή υπάρχει ακόμα μεγάλη σύγχυση."

Για να επιδεινωθεί το πρόβλημα, οι συμμετρίες μετρητών παράγουν πολλούς τρόπους για να περιγράψουν ένα ενιαίο φυσικό σύστημα - έναν πλεονασμό, όπως το έθεσε ο φυσικός Mark Trodden του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια. Αυτή η ιδιότητα των θεωριών μετρητών, εξήγησε ο Τρόντεν, καθιστά τους υπολογισμούς «διαβολικά περίπλοκους». Σελίδες και σελίδες υπολογισμών οδηγούν σε πολύ απλές απαντήσεις. «Και αυτό σε κάνει να αναρωτιέσαι:Γιατί; Από πού προέρχεται όλη αυτή η πολυπλοκότητα στη μέση; Και μια πιθανή απάντηση σε αυτό είναι αυτός ο πλεονασμός περιγραφής που σας δίνουν οι συμμετρίες μετρητών."

Αυτή η εσωτερική πολυπλοκότητα είναι το αντίθετο από αυτό που προσφέρει συνήθως η συμμετρία:απλότητα. Με ένα μοτίβο πλακιδίων που επαναλαμβάνεται, «χρειάζεται μόνο να κοιτάξετε λίγο και μπορείτε να προβλέψετε το υπόλοιπο», είπε ο Dijkgraaf. Δεν χρειάζεστε έναν νόμο για τη διατήρηση της ενέργειας και έναν άλλο για την ύλη όπου μόνο ένας θα το κάνει. Το σύμπαν είναι συμμετρικό στο ότι είναι ομοιογενές σε μεγάλες κλίμακες. δεν έχει αριστερά ή δεξιά, πάνω ή κάτω. "Αν δεν συνέβαινε αυτό, η κοσμολογία θα ήταν μεγάλο χάος", είπε ο Khoury.

Διασπασμένες συμμετρίες

Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι η συμμετρία, όπως είναι πλέον κατανοητό, φαίνεται να αποτυγχάνει να απαντήσει σε μερικές από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις στη φυσική. Είναι αλήθεια ότι η συμμετρία είπε στους φυσικούς πού να ψάξουν τόσο για το μποζόνιο Higgs όσο και για τα βαρυτικά κύματα - δύο σημαντικές ανακαλύψεις της περασμένης δεκαετίας. Ταυτόχρονα, ο συλλογισμός που βασίζεται στη συμμετρία προέβλεψε μια σειρά από πράγματα που δεν έχουν εμφανιστεί σε κανένα πείραμα, συμπεριλαμβανομένων των «υπερσυμμετρικών» σωματιδίων που θα μπορούσαν να είχαν χρησιμεύσει ως η χαμένη σκοτεινή ύλη του σύμπαντος και εξήγησε γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη σε σύγκριση με τον ηλεκτρομαγνητισμό και όλες τις άλλες δυνάμεις.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι συμμετρίες που υπάρχουν στους υποκείμενους νόμους της φύσης φαίνεται να έχουν σπάσει στην πραγματικότητα. Για παράδειγμα, όταν η ενέργεια συμπυκνώνεται στην ύλη μέσω του παλιού καλού E =mc , το αποτέλεσμα είναι ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης — μια συμμετρία. Αλλά αν η ενέργεια της Μεγάλης Έκρηξης δημιούργησε ύλη και αντιύλη σε ίσες ποσότητες, θα έπρεπε να είχαν εκμηδενιστεί ο ένας τον άλλον, χωρίς να αφήσουν ίχνος ύλης πίσω τους. Ωστόσο, εδώ είμαστε.

Η τέλεια συμμετρία που θα έπρεπε να υπήρχε στις πρώτες ζεστές στιγμές του σύμπαντος καταστράφηκε με κάποιο τρόπο καθώς ψύχθηκε, όπως μια απολύτως συμμετρική σταγόνα νερού χάνει μέρος της συμμετρίας της όταν παγώνει σε πάγο. (Μια νιφάδα χιονιού μπορεί να φαίνεται ίδια σε έξι διαφορετικούς προσανατολισμούς, αλλά μια λιωμένη νιφάδα χιονιού φαίνεται ίδια σε κάθε κατεύθυνση.)

«Όλοι ενδιαφέρονται για αυθόρμητα σπασμένες συμμετρίες», είπε ο Τρόντεν. "Ο νόμος της φύσης υπακούει σε μια συμμετρία, αλλά η λύση που σας ενδιαφέρει όχι."

Τι έσπασε όμως τη συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης;

Δεν θα ήταν έκπληξη για κανέναν εάν η φυσική σήμερα αποδεικνυόταν ότι είναι επιβαρυμένη με περιττές σκαλωσιές, όπως η έννοια του «κενού χώρου» που παρέσυρε τους ανθρώπους πριν από τον Αϊνστάιν. Η σημερινή εσφαλμένη κατεύθυνση, πιστεύουν ορισμένοι, μπορεί ακόμη και να έχει να κάνει με την ίδια την εμμονή με τη συμμετρία, τουλάχιστον όπως είναι κατανοητό επί του παρόντος.

«Αυτές οι δυαδότητες περιλαμβάνουν στοιχεία - τον αριθμό των διαστάσεων - θεωρούμε ότι είναι αμετάβλητα», είπε ο Dijkgraaf, «αλλά δεν είναι». Η ύπαρξη δύο ισοδύναμων περιγραφών με όλους τους συνακόλουθους υπολογισμούς εγείρει «ένα πολύ βαθύ, σχεδόν φιλοσοφικό σημείο:Υπάρχει ένας αμετάβλητος τρόπος να περιγραφεί η φυσική πραγματικότητα;»

Κανείς δεν εγκαταλείπει τη συμμετρία σύντομα, εν μέρει επειδή έχει αποδειχθεί τόσο ισχυρή και επίσης επειδή η παραίτησή της σημαίνει, για πολλούς φυσικούς, εγκατάλειψη της «φυσικότητας» — την ιδέα ότι το σύμπαν πρέπει να είναι ακριβώς όπως είναι για έναν Λόγος, τα έπιπλα ήταν τοποθετημένα τόσο άψογα που δεν μπορούσες να το φανταστείς αλλιώς.

Σαφώς, ορισμένες πτυχές της φύσης - όπως οι τροχιές των πλανητών - είναι αποτέλεσμα ιστορίας και ατυχήματος, όχι συμμετρίας. Η βιολογική εξέλιξη είναι ένας συνδυασμός γνωστών μηχανισμών και τύχης. Ίσως είχε δίκιο ο Μαξ Μπορν όταν απάντησε στην επίμονη αντίρρηση του Αϊνστάιν ότι «ο Θεός δεν παίζει ζάρια» επισημαίνοντας ότι «η φύση, όπως και οι ανθρώπινες υποθέσεις, φαίνεται να υπόκεινται τόσο σε αναγκαιότητα όσο και σε ατύχημα».

Ορισμένες πτυχές της φυσικής θα πρέπει να παραμείνουν ανέπαφες - για παράδειγμα η αιτιότητα. «Τα αποτελέσματα δεν μπορούν να προηγούνται των αιτιών», είπε ο Alexander. Άλλα πράγματα είναι σχεδόν βέβαιο ότι δεν θα το κάνουν.

Μια πτυχή που σίγουρα δεν θα παίξει καθοριστικό ρόλο στο μέλλον είναι η ταχύτητα του φωτός, η οποία θεμελίωσε το έργο του Αϊνστάιν. Το λείο ύφασμα του χωροχρόνου που έπλεξε ο Αϊνστάιν πριν από έναν αιώνα αναπόφευκτα σχίζεται σε κομμάτια μέσα στις μαύρες τρύπες και τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. «Η ταχύτητα του φωτός δεν μπορεί να παραμείνει σταθερή εάν ο χωροχρόνος καταρρέει», είπε ο Alexander. «Αν ο χωροχρόνος καταρρέει, τι είναι αμετάβλητο;»

Ορισμένες δυαδότητες υποδηλώνουν ότι ο χωροχρόνος αναδύεται από κάτι πιο βασικό ακόμα, την πιο περίεργη σχέση όλων:Αυτό που ο Αϊνστάιν ονόμασε «απόκοσμες» συνδέσεις μεταξύ μπερδεμένων κβαντικών σωματιδίων. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι αυτοί οι μακρινοί σύνδεσμοι συνδυάζουν τον χωροχρόνο. Όπως το έθεσε ο Κάιζερ, «Η ελπίδα είναι ότι κάτι σαν ένα συνεχές χωροχρόνου θα εμφανιζόταν ως δευτερεύον αποτέλεσμα πιο θεμελιωδών σχέσεων, συμπεριλαμβανομένων των σχέσεων διαπλοκής». Σε αυτή την περίπτωση, είπε, ο κλασικός, συνεχής χωροχρόνος θα ήταν μια «ψευδαίσθηση».

Το υψηλό όριο για τις νέες ιδέες είναι ότι δεν μπορούν να αντικρούσουν σταθερά αξιόπιστες θεωρίες όπως η κβαντική μηχανική και η σχετικότητα — συμπεριλαμβανομένων των συμμετριών που τις υποστηρίζουν.

Κάποτε ο Αϊνστάιν συνέκρινε την οικοδόμηση μιας νέας θεωρίας με την αναρρίχηση σε ένα βουνό. Από μια υψηλότερη οπτική γωνία, μπορείτε να δείτε την παλιά θεωρία να στέκεται ακόμα, αλλά έχει αλλοιωθεί και μπορείτε να δείτε πού ταιριάζει στο μεγαλύτερο, πιο περιεκτικό τοπίο. Αντί να σκέφτονται, όπως πρότεινε ο Feynman, με τις πατάτες της περασμένης εβδομάδας, οι μελλοντικοί στοχαστές θα μπορούσαν να συλλογιστούν τη φυσική χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που κωδικοποιούνται στις κβαντικές εμπλοκές, οι οποίες υφαίνουν τον χωροχρόνο για την καλλιέργεια πατάτας στην πρώτη θέση.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .