Η επαναστατική ανακάλυψη συμμετρίας αναδιαμορφώνει τη σύγχρονη φυσική

Εισαγωγή

Δεν είναι υπερβολή να πούμε ότι κάθε σημαντική πρόοδος στη φυσική για περισσότερο από έναν αιώνα έχει οδηγήσει σε αποκαλύψεις για τη συμμετρία. Είναι εκεί στην αυγή της γενικής σχετικότητας, στη γέννηση του Καθιερωμένου Μοντέλου, στο κυνήγι του Higgs.

Για αυτόν τον λόγο, η έρευνα σε όλη τη φυσική έχει πλέον φθάσει σε ένα κρεσέντο. Το άγγιξε μια εργασία του 2014, «Γενικευμένες παγκόσμιες συμμετρίες», η οποία έδειξε ότι οι πιο σημαντικές συμμετρίες της φυσικής του 20ού αιώνα θα μπορούσαν να επεκταθούν ευρύτερα για να εφαρμοστούν στην κβαντική θεωρία πεδίου, το βασικό θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο εργάζονται οι φυσικοί σήμερα.

Αυτή η αναδιατύπωση, η οποία αποκρυστάλλωσε προηγούμενες εργασίες στην περιοχή, αποκάλυψε ότι οι ανόμοιες παρατηρήσεις που είχαν κάνει οι φυσικοί τα τελευταία 40 χρόνια ήταν πραγματικά εκδηλώσεις της ίδιας υποβόσκουσας συμμετρίας. Με αυτόν τον τρόπο, δημιούργησε μια οργανωτική αρχή που οι φυσικοί μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν για να κατηγοριοποιήσουν και να κατανοήσουν τα φαινόμενα. «Αυτό είναι πραγματικά μια ιδιοφυΐα», είπε ο Nathaniel Craig, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Barbara.

Η αρχή που προσδιορίστηκε στο έγγραφο έγινε γνωστή ως «υψηλότερες συμμετρίες». Το όνομα αντικατοπτρίζει τον τρόπο με τον οποίο εφαρμόζονται οι συμμετρίες σε αντικείμενα υψηλότερης διάστασης, όπως γραμμές, αντί για αντικείμενα χαμηλότερης διάστασης, όπως σωματίδια σε μεμονωμένα σημεία του χώρου. Δίνοντας στη συμμετρία ένα όνομα και μια γλώσσα και προσδιορίζοντας μέρη που είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν, το έγγραφο ώθησε τους φυσικούς να ψάξουν για άλλα μέρη που θα μπορούσε να εμφανιστεί.

Φυσικοί και μαθηματικοί συνεργάζονται για να επεξεργαστούν τα μαθηματικά αυτών των νέων συμμετριών - και σε ορισμένες περιπτώσεις ανακαλύπτουν ότι οι συμμετρίες λειτουργούν σαν μονόδρομος, μια αξιοσημείωτη αντίθεση με όλες τις άλλες συμμετρίες στη φυσική. Ταυτόχρονα, οι φυσικοί εφαρμόζουν τις συμμετρίες για να εξηγήσουν ένα ευρύ φάσμα ερωτήσεων, από τον ρυθμό διάσπασης ορισμένων σωματιδίων έως νέες μεταβάσεις φάσης, όπως το κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall.

«Δίνοντας μια διαφορετική οπτική σε ένα γνωστό είδος φυσικού προβλήματος, μόλις άνοιξε μια τεράστια νέα περιοχή», δήλωσε ο Sakura Schafer-Nameki, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Η συμμετρία έχει σημασία

Για να καταλάβουμε γιατί ένα χαρτί που απλώς επισημαίνει το εύρος των κρυμμένων συμμετριών μπορεί να έχει τόσο μεγάλο αντίκτυπο, βοηθά πρώτα να κατανοήσουμε πώς η συμμετρία κάνει τη ζωή πιο εύκολη για τους φυσικούς. Συμμετρία σημαίνει λιγότερες λεπτομέρειες για παρακολούθηση. Αυτό ισχύει είτε κάνετε φυσική υψηλής ενέργειας είτε τοποθετείτε πλακάκια μπάνιου.

Οι συμμετρίες ενός πλακιδίου μπάνιου είναι χωρικές συμμετρίες — το καθένα μπορεί να περιστραφεί, να ανατραπεί ανάποδα ή να μετακινηθεί σε ένα νέο σημείο. Οι χωρικές συμμετρίες παίζουν σημαντικό απλοποιητικό ρόλο και στη φυσική. Διαδραματίζουν εξέχοντα ρόλο στη θεωρία του Αϊνστάιν για τον χωροχρόνο — και το γεγονός ότι σχετίζονται με το σύμπαν μας σημαίνει ότι οι φυσικοί έχουν ένα λιγότερο πράγμα να ανησυχούν.

"Αν κάνετε ένα πείραμα σε ένα εργαστήριο και το περιστρέψετε, αυτό δεν θα πρέπει να αλλάξει την απάντησή σας", δήλωσε ο Nathan Seiberg, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ.

Οι συμμετρίες που είναι πιο σημαντικές στη φυσική σήμερα είναι πιο λεπτές από τις χωρικές συμμετρίες, αλλά έχουν το ίδιο νόημα:Αποτελούν περιορισμούς στους τρόπους με τους οποίους μπορείτε να μεταμορφώσετε κάτι για να διασφαλίσετε ότι παραμένει το ίδιο.

Σε μια εποχική διορατικότητα το 1915, ο μαθηματικός Emmy Noether επισημοποίησε τη σχέση μεταξύ συμμετριών και νόμων διατήρησης. Για παράδειγμα, οι συμμετρίες στο χρόνο - δεν έχει σημασία αν θα εκτελέσετε το πείραμά σας σήμερα ή αύριο - υπονοούν μαθηματικά το νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Οι περιστροφικές συμμετρίες οδηγούν στο νόμο της διατήρησης της γωνιακής ορμής.

"Κάθε νόμος διατήρησης συνδέεται με μια συμμετρία και κάθε συμμετρία συνδέεται με έναν νόμο διατήρησης", είπε ο Seiberg. "Είναι καλά κατανοητό και είναι πολύ βαθύ."

Αυτός είναι μόνο ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι συμμετρίες βοηθούν τους φυσικούς να κατανοήσουν το σύμπαν.

Οι φυσικοί θα ήθελαν να δημιουργήσουν μια ταξινόμηση φυσικών συστημάτων, ταξινομώντας όπως με παρόμοια, προκειμένου να γνωρίζουν πότε μπορούν να εφαρμοστούν ιδέες από το ένα σε ένα άλλο. Οι συμμετρίες είναι μια καλή αρχή οργάνωσης:Όλα τα συστήματα που παρουσιάζουν την ίδια συμμετρία πηγαίνουν στον ίδιο κάδο.

Επιπλέον, εάν οι φυσικοί γνωρίζουν ότι ένα σύστημα διαθέτει μια δεδομένη συμμετρία, μπορούν να αποφύγουν μεγάλο μέρος της μαθηματικής εργασίας της περιγραφής του πώς συμπεριφέρεται. Οι συμμετρίες περιορίζουν τις πιθανές καταστάσεις του συστήματος, πράγμα που σημαίνει ότι περιορίζουν τις πιθανές απαντήσεις στις περίπλοκες εξισώσεις που χαρακτηρίζουν το σύστημα.

"Συνήθως, ορισμένες τυχαίες φυσικές εξισώσεις είναι άλυτες, αλλά αν έχετε αρκετή συμμετρία, τότε η συμμετρία περιορίζει τις πιθανές απαντήσεις. Μπορείτε να πείτε ότι η λύση πρέπει να είναι αυτή γιατί είναι το μόνο συμμετρικό πράγμα", δήλωσε ο Theo Johnson-Freyd του Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo

Cana.

Οι συμμετρίες μεταφέρουν κομψότητα και η παρουσία τους μπορεί να είναι εμφανής εκ των υστέρων. Αλλά έως ότου οι φυσικοί αναγνωρίσουν την επιρροή τους, τα σχετικά φαινόμενα μπορούν να παραμείνουν διακριτά. Αυτό συνέβη με μια σειρά από παρατηρήσεις που έκαναν οι φυσικοί από τις αρχές της δεκαετίας του 1970.

Πεδία και συμβολοσειρές

Οι νόμοι και οι συμμετρίες διατήρησης της φυσικής του 20ου αιώνα παίρνουν τα σωματίδια που μοιάζουν με σημείο ως πρωταρχικά τους αντικείμενα. Αλλά στις σύγχρονες θεωρίες κβαντικών πεδίων, τα κβαντικά πεδία είναι τα πιο βασικά αντικείμενα και τα σωματίδια είναι απλώς διακυμάνσεις σε αυτά τα πεδία. Και μέσα σε αυτές τις θεωρίες είναι συχνά απαραίτητο να προχωρήσουμε πέρα από σημεία και σωματίδια για να σκεφτούμε μονοδιάστατες γραμμές ή χορδές (οι οποίες είναι εννοιολογικά διαφορετικές από τις χορδές στη θεωρία χορδών).

Το 1973, οι φυσικοί περιέγραψαν ένα πείραμα που περιελάμβανε την τοποθέτηση ενός υπεραγώγιμου υλικού ανάμεσα σε πόλους ενός μαγνήτη. Παρατήρησαν ότι καθώς αύξαναν την ισχύ του μαγνητικού πεδίου, τα σωματίδια διατάσσονταν κατά μήκος μονοδιάστατων υπεραγώγιμων νημάτων που τρέχουν μεταξύ των μαγνητικών πόλων.

Τον επόμενο χρόνο, ο Kenneth Wilson αναγνώρισε χορδές - γραμμές Wilson - στο πλαίσιο του κλασικού ηλεκτρομαγνητισμού. Οι χορδές εμφανίζονται επίσης στον τρόπο με τον οποίο η ισχυρή δύναμη ενεργεί μεταξύ των κουάρκ, τα οποία είναι τα στοιχειώδη σωματίδια που συνθέτουν ένα πρωτόνιο. Διαχωρίστε ένα κουάρκ από το αντικουάρκ του και σχηματίζεται μια χορδή ανάμεσά τους που τα τραβάει ξανά μαζί.

Το θέμα είναι ότι οι χορδές παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς της φυσικής. Ταυτόχρονα, δεν ταιριάζουν με τους παραδοσιακούς νόμους και συμμετρίες διατήρησης, που εκφράζονται με όρους σωματιδίων.

«Το σύγχρονο πράγμα είναι να πούμε ότι δεν μας ενδιαφέρουν μόνο οι ιδιότητες των σημείων· μας ενδιαφέρουν οι ιδιότητες των γραμμών ή των χορδών, και μπορεί επίσης να υπάρχουν νόμοι διατήρησης για αυτά», είπε ο Seiberg, ο οποίος συνέγραψε την εργασία το 2014 μαζί με τον Davide Gaiotto του Ινστιτούτου Perimeter, τον Anton Kapustin του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και τον Brian Willet στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας. Μελέτη.

Η εργασία παρουσίασε έναν τρόπο μέτρησης του φορτίου κατά μήκος μιας συμβολοσειράς και διαπίστωσης ότι το φορτίο παραμένει διατηρημένο καθώς το σύστημα εξελίσσεται, όπως το συνολικό φορτίο διατηρείται πάντα για τα σωματίδια. Και η ομάδα το έκανε μετατοπίζοντας την προσοχή της από την ίδια τη χορδή.

Ο Seiberg και οι συνάδελφοί του φαντάστηκαν τη μονοδιάστατη χορδή σαν να περιβάλλεται από μια επιφάνεια, ένα δισδιάστατο επίπεδο, έτσι ώστε να μοιάζει με μια γραμμή που σχεδιάζεται σε ένα φύλλο χαρτιού. Αντί να μετρήσουν το φορτίο κατά μήκος της χορδής, περιέγραψαν μια μέθοδο για τη μέτρηση του συνολικού φορτίου σε όλη την επιφάνεια που περιβάλλει τη χορδή.

"Το πραγματικά νέο πράγμα είναι ότι δίνεις έμφαση στο φορτισμένο αντικείμενο και σκέφτεσαι [επιφάνειες] που το περιβάλλουν", είπε ο Schafer-Nameki.

Οι τέσσερις συγγραφείς εξέτασαν στη συνέχεια τι συμβαίνει στη γύρω επιφάνεια καθώς το σύστημα εξελίσσεται. Ίσως στρεβλώνεται ή στρίβει ή με άλλο τρόπο αλλάζει από την εντελώς επίπεδη επιφάνεια που μέτρησαν αρχικά. Στη συνέχεια απέδειξαν ότι ακόμη και όταν η επιφάνεια παραμορφώνεται, το συνολικό φορτίο κατά μήκος της παραμένει το ίδιο.

Δηλαδή, εάν μετρήσετε τη φόρτιση σε κάθε σημείο σε ένα κομμάτι χαρτί, μετά παραμορφώσετε το χαρτί και μετρήσετε ξανά, θα λάβετε τον ίδιο αριθμό. Μπορείτε να πείτε ότι το φορτίο διατηρείται κατά μήκος της επιφάνειας και, καθώς η επιφάνεια έχει ευρετηριαστεί στη συμβολοσειρά, μπορείτε να πείτε ότι διατηρείται και κατά μήκος της συμβολοσειράς — ανεξάρτητα από το είδος της συμβολοσειράς που ξεκινήσατε.

«Η μηχανική μιας χορδής υπεραγώγιμης και μιας χορδής ισχυρής δύναμης είναι τελείως διαφορετική, ωστόσο τα μαθηματικά αυτών των χορδών και οι [νόμοι] διατήρησης είναι ακριβώς τα ίδια», είπε ο Seiberg. "Αυτή είναι η ομορφιά όλης αυτής της ιδέας."

Ισοδύναμες επιφάνειες

Η πρόταση ότι μια επιφάνεια παραμένει ίδια - έχει το ίδιο φορτίο - ακόμη και μετά την παραμόρφωσή της απηχεί έννοιες από το μαθηματικό πεδίο της τοπολογίας. Στην τοπολογία, οι μαθηματικοί ταξινομούν τις επιφάνειες ανάλογα με το αν η μία μπορεί να παραμορφωθεί στην άλλη χωρίς κανένα σκίσιμο. Σύμφωνα με αυτή την άποψη, μια τέλεια σφαίρα και μια λοξή μπάλα είναι ισοδύναμες, αφού μπορείτε να φουσκώσετε τη μπάλα για να πάρετε τη σφαίρα. Αλλά μια σφαίρα και ένας εσωτερικός σωλήνας δεν είναι, καθώς θα έπρεπε να σκάσετε τη σφαίρα για να αποκτήσετε τον εσωτερικό σωλήνα.

Παρόμοια σκέψη για την ισοδυναμία ισχύει για επιφάνειες γύρω από χορδές - και κατ' επέκταση, τις κβαντικές θεωρίες πεδίου μέσα στις οποίες σχεδιάζονται αυτές οι επιφάνειες, έγραψαν ο Seiberg και οι συν-συγγραφείς του. Αναφέρθηκαν στη μέθοδο μέτρησης του φορτίου σε επιφάνειες ως τοπολογικό τελεστή. Η λέξη "τοπολογικό" μεταδίδει αυτή την αίσθηση της παραβλέποντας ασήμαντες παραλλαγές μεταξύ μιας επίπεδης και μιας στρεβλής επιφάνειας. Εάν μετρήσετε τη φόρτιση σε κάθε ένα και βγει το ίδιο, γνωρίζετε ότι τα δύο συστήματα μπορούν να παραμορφωθούν ομαλά το ένα στο άλλο.

Η τοπολογία επιτρέπει στους μαθηματικούς να κοιτάζουν πέρα από μικρές παραλλαγές για να επικεντρωθούν σε θεμελιώδεις τρόπους με τους οποίους τα διαφορετικά σχήματα είναι ίδια. Ομοίως, οι υψηλότερες συμμετρίες παρέχουν στους φυσικούς έναν νέο τρόπο ευρετηρίασης των κβαντικών συστημάτων, κατέληξαν οι συγγραφείς. Αυτά τα συστήματα μπορεί να φαίνονται εντελώς διαφορετικά μεταξύ τους, αλλά σε βάθος μπορεί να υπακούουν πραγματικά στους ίδιους κανόνες. Οι υψηλότερες συμμετρίες μπορούν να το ανιχνεύσουν — και ανιχνεύοντάς το, επιτρέπουν στους φυσικούς να λάβουν γνώσεις σχετικά με καλύτερα κατανοητά κβαντικά συστήματα και να τις εφαρμόσουν σε άλλους.

«Η ανάπτυξη όλων αυτών των συμμετριών είναι σαν την ανάπτυξη μιας σειράς αριθμών ταυτότητας για ένα κβαντικό σύστημα», δήλωσε ο Shu-Heng Shao, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook. "Μερικές φορές δύο φαινομενικά άσχετα κβαντικά συστήματα αποδεικνύεται ότι έχουν το ίδιο σύνολο συμμετριών, γεγονός που υποδηλώνει ότι μπορεί να είναι το ίδιο κβαντικό σύστημα."

Παρά αυτές τις κομψές γνώσεις σχετικά με τις χορδές και τις συμμετρίες στις κβαντικές θεωρίες πεδίου, η εργασία του 2014 δεν εξήγησε κανέναν δραματικό τρόπο εφαρμογής τους. Εξοπλισμένοι με νέες συμμετρίες, οι φυσικοί μπορεί να ελπίζουν ότι θα είναι σε θέση να απαντήσουν σε νέες ερωτήσεις - αλλά εκείνη την εποχή, οι υψηλότερες συμμετρίες ήταν χρήσιμες μόνο αμέσως για τον επαναχαρακτηρισμό πραγμάτων που οι φυσικοί γνώριζαν ήδη. Ο Seiberg θυμάται ότι ήταν απογοητευμένος που δεν μπορούσαν να κάνουν περισσότερα από αυτό.

«Θυμάμαι ότι γυρνούσα και σκεφτόμουν, «Χρειαζόμαστε μια εφαρμογή δολοφόνου», είπε.

Από τις νέες συμμετρίες στα νέα μαθηματικά

Για να γράψετε μια εφαρμογή killer, χρειάζεστε μια καλή γλώσσα προγραμματισμού. Στη φυσική, τα μαθηματικά είναι αυτή η γλώσσα, που εξηγεί με επίσημο, αυστηρό τρόπο πώς συνεργάζονται οι συμμετρίες. Ακολουθώντας το έγγραφο ορόσημο, μαθηματικοί και φυσικοί ξεκίνησαν να διερευνούν πώς οι υψηλότερες συμμετρίες θα μπορούσαν να εκφραστούν με όρους αντικειμένων που ονομάζονται ομάδες, τα οποία είναι η κύρια μαθηματική δομή που χρησιμοποιείται για την περιγραφή των συμμετριών.

Μια ομάδα κωδικοποιεί όλους τους τρόπους με τους οποίους μπορούν να συνδυαστούν οι συμμετρίες ενός σχήματος ή ενός συστήματος. Καθορίζει τους κανόνες για τον τρόπο λειτουργίας των συμμετριών και σας λέει ποιες θέσεις μπορεί να καταλήξει το σύστημα στους ακόλουθους μετασχηματισμούς συμμετρίας (και ποιες θέσεις ή καταστάσεις δεν μπορούν ποτέ να εμφανιστούν).

Η εργασία κωδικοποίησης ομάδας εκφράζεται στη γλώσσα της άλγεβρας. Με τον ίδιο τρόπο που η τάξη έχει σημασία όταν λύνετε μια αλγεβρική εξίσωση (η διαίρεση 4 με 2 δεν είναι ίδια με τη διαίρεση 2 με 4), η αλγεβρική δομή μιας ομάδας αποκαλύπτει πόσο σημαντική είναι η τάξη όταν εφαρμόζετε μετασχηματισμούς συμμετρίας, συμπεριλαμβανομένων των περιστροφών.

«Η κατανόηση των αλγεβρικών σχέσεων μεταξύ μετασχηματισμών είναι πρόδρομος για οποιαδήποτε εφαρμογή», δήλωσε ο Clay Córdova από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Δεν μπορείτε να καταλάβετε πώς ο κόσμος περιορίζεται από περιστροφές μέχρι να καταλάβετε "Τι είναι οι περιστροφές;""

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Με τη διερεύνηση αυτών των σχέσεων, δύο ξεχωριστές ομάδες - μια με την Córdova και τον Shao και μια που περιλαμβάνει ερευνητές στο Stony Brook και το Πανεπιστήμιο του Τόκιο - ανακάλυψαν ότι ακόμη και σε ρεαλιστικά κβαντικά συστήματα, υπάρχουν μη αναστρέψιμες συμμετρίες που δεν συμμορφώνονται με τη δομή της ομάδας, ένα χαρακτηριστικό που ταιριάζει με κάθε άλλο σημαντικό τύπο συμμετρίας στη φυσική. Αντίθετα, αυτές οι συμμετρίες περιγράφονται από σχετικά αντικείμενα που ονομάζονται κατηγορίες και έχουν πιο χαλαρούς κανόνες για το πώς μπορούν να συνδυαστούν οι συμμετρίες.

Για παράδειγμα, σε μια ομάδα, κάθε συμμετρία απαιτείται να έχει αντίστροφη συμμετρία — μια πράξη που την αναιρεί και στέλνει το αντικείμενο στο οποίο ενεργεί πίσω στο σημείο όπου ξεκίνησε. Ωστόσο, σε ξεχωριστές εργασίες που δημοσιεύθηκαν πέρυσι, οι δύο ομάδες έδειξαν ότι ορισμένες υψηλότερες συμμετρίες δεν είναι αντιστρέψιμες, πράγμα που σημαίνει ότι μόλις τις εφαρμόσετε σε ένα σύστημα, δεν μπορείτε να επιστρέψετε στο σημείο που ξεκινήσατε.

Αυτή η μη αντιστρεψιμότητα αντανακλά τον τρόπο με τον οποίο μια υψηλότερη συμμετρία μπορεί να μετατρέψει ένα κβαντικό σύστημα σε μια υπέρθεση καταστάσεων, στην οποία είναι πιθανώς δύο πράγματα ταυτόχρονα. Από εκεί, δεν υπάρχει δρόμος επιστροφής στο αρχικό σύστημα. Για να καταγράψουν αυτόν τον πιο περίπλοκο τρόπο αλληλεπίδρασης υψηλότερων συμμετριών και μη αντιστρέψιμων συμμετριών, ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Johnson-Freyd, ανέπτυξαν ένα νέο μαθηματικό αντικείμενο που ονομάζεται κατηγορία υψηλότερης σύντηξης.

«Είναι το μαθηματικό οικοδόμημα που περιγράφει τις συγχωνεύσεις και τις αλληλεπιδράσεις όλων αυτών των συμμετριών», είπε η Κόρδοβα. "Σας λέει όλες τις αλγεβρικές δυνατότητες για το πώς μπορούν να αλληλεπιδράσουν."

Οι υψηλότερες κατηγορίες σύντηξης βοηθούν στον καθορισμό των μη αντιστρέψιμων συμμετριών που είναι μαθηματικά δυνατές, αλλά δεν σας λένε ποιες συμμετρίες είναι χρήσιμες σε συγκεκριμένες φυσικές καταστάσεις. Καθορίζουν τις παραμέτρους ενός κυνηγιού στο οποίο στη συνέχεια ξεκινούν οι φυσικοί.

"Ως φυσικός το συναρπαστικό είναι η φυσική που βγάζουμε από αυτήν. Δεν πρέπει να είναι μαθηματικά μόνο για χάρη των μαθηματικών", είπε ο Schafer-Nameki.

Πρώιμες εφαρμογές

Εξοπλισμένοι με υψηλότερες συμμετρίες, οι φυσικοί επαναξιολογούν επίσης παλιές περιπτώσεις υπό το φως νέων στοιχείων.

Για παράδειγμα, στη δεκαετία του 1960 οι φυσικοί παρατήρησαν μια απόκλιση στον ρυθμό διάσπασης ενός σωματιδίου που ονομάζεται πιόνιο. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί είπαν ότι θα έπρεπε να είναι ένα πράγμα, οι πειραματικές παρατηρήσεις είπαν ένα άλλο. Το 1969, δύο έγγραφα φάνηκαν να επιλύουν την ένταση δείχνοντας ότι η θεωρία του κβαντικού πεδίου που διέπει τη διάσπαση των πιονίων δεν έχει στην πραγματικότητα μια συμμετρία που πίστευαν οι φυσικοί. Χωρίς αυτή τη συμμετρία, η απόκλιση εξαφανίστηκε.

Αλλά τον περασμένο Μάιο, τρεις φυσικοί απέδειξαν ότι η ετυμηγορία του 1969 ήταν μόνο η μισή ιστορία. Δεν ήταν απλώς ότι δεν υπήρχε η προβλεπόμενη συμμετρία - ήταν ότι υπήρχαν υψηλότερες συμμετρίες. Και όταν αυτές οι συμμετρίες ενσωματώθηκαν στη θεωρητική εικόνα, τα προβλεπόμενα και παρατηρούμενα ποσοστά αποσύνθεσης ταίριαζαν ακριβώς.

"Μπορούμε να ερμηνεύσουμε εκ νέου αυτό το μυστήριο της διάσπασης των πιονίων όχι με όρους απουσίας συμμετρίας αλλά με όρους παρουσίας ενός νέου είδους συμμετρίας", δήλωσε ο Shao, ένας συν-συγγραφέας της εργασίας.

Παρόμοια επανεξέταση έχει γίνει στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Οι μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν όταν ένα φυσικό σύστημα μεταβαίνει από τη μια κατάσταση της ύλης στην άλλη. Σε επίσημο επίπεδο, οι φυσικοί περιγράφουν αυτές τις αλλαγές ως προς τη διακοπή συμμετριών:Οι συμμετρίες που αφορούσαν σε μια φάση δεν ισχύουν πλέον στην επόμενη.

Αλλά δεν έχουν περιγραφεί όλες οι φάσεις σωστά με το σπάσιμο της συμμετρίας. Το ένα, που ονομάζεται κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall, περιλαμβάνει την αυθόρμητη αναδιοργάνωση των ηλεκτρονίων, αλλά χωρίς να σπάσει καμία εμφανής συμμετρία. Αυτό το έκανε ένα άβολο ακραίο στοιχείο στη θεωρία των μεταπτώσεων φάσης. Δηλαδή, μέχρι που μια εργασία το 2018 από τον Xiao-Gang Wen του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης βοήθησε να διαπιστωθεί ότι το κβαντικό φαινόμενο Hall στην πραγματικότητα σπάει μια συμμετρία — απλώς όχι μια παραδοσιακή.

«Μπορείτε να το σκεφτείτε σαν σπάζοντας τη συμμετρία αν γενικεύσετε την αντίληψή σας για τη συμμετρία», είπε ο Ashvin Vishwinath του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ.

Αυτές οι πρώιμες εφαρμογές υψηλότερων και μη αντιστρέψιμων συμμετριών — στον ρυθμό διάσπασης των πιονίων και στην κατανόηση του κλασματικού κβαντικού φαινομένου Hall — είναι μέτριες σε σύγκριση με αυτό που αναμένουν οι φυσικοί.

Στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι υψηλότερες και μη αναστρέψιμες συμμετρίες θα τους βοηθήσουν στο θεμελιώδες έργο του εντοπισμού και της ταξινόμησης όλων των πιθανών φάσεων της ύλης. Και στη σωματιδιακή φυσική, οι ερευνητές αναζητούν υψηλότερες συμμετρίες για να βοηθήσουν σε ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ερωτήματα όλων:ποιες αρχές οργανώνουν τη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο μοντέλο.

«Θέλω να βγάλω το Καθιερωμένο Μοντέλο από μια συνεπή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας και αυτές οι συμμετρίες παίζουν κρίσιμο ρόλο», δήλωσε η Mirjam Cvetic από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια.

Θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να επαναπροσανατολιστεί πλήρως η φυσική γύρω από μια διευρυμένη κατανόηση της συμμετρίας και μια ευρύτερη έννοια του τι κάνει τα συστήματα ίδια. Το γεγονός ότι τόσοι πολλοί φυσικοί και μαθηματικοί συμμετέχουν στην προσπάθεια υποδηλώνει ότι πιστεύουν ότι θα αξίζει τον κόπο.

"Δεν έχω δει ακόμη συγκλονιστικά αποτελέσματα που δεν γνωρίζαμε πριν, αλλά δεν έχω καμία αμφιβολία ότι είναι πολύ πιθανό αυτό να συμβεί, επειδή αυτός είναι σαφώς ένας πολύ καλύτερος τρόπος σκέψης για το πρόβλημα", είπε ο Seiberg.

Διόρθωση: 18 Απριλίου 2023
Οι περιστροφικές συμμετρίες συνεπάγονται τη διατήρηση της γωνιακής ορμής και όχι μόνο της ορμής, όπως αρχικά έλεγε το άρθρο.