Izvor: Politika, 16.Maj.2011, 18:18 (ažurirano 02.Apr.2020.)
Gramatika jezika prirode
Bez simetrije vremenske translacije ne bismo imali zakon održanja energije. Znači, moglo bi se desiti da lonac hladne vode spontano prokipi na ugašenom štednjaku! Takav svet bi bio vrlo čudan, nepredvidljiv. Jedna od posledica bila bi da isti uzroci imaju različite posledice
Zašto „fizičari gone simetriju kao što lutalice u pustinji gone priviđenje koje izmiče”? Kakvu to nedokučivu tajnu ona skriva? Tragajući za odgonetkom na navedena i još nekolika pitanja, obratili >> Pročitaj celu vest na sajtu Politika << smo se prof. dr Nemanji Kaloperu sa Kalifornijskog univerziteta u Dejvisu (SAD), jednom od najvećih svetskih kosmologa. Naš sagovornik je 1987. diplomirao u Novom Sadu i odmah se otisnuo u svet. Pet godina docnije doktorirao je u SAD, predavao na nekoliko američkih i kanadskih univerziteta, izvesno vreme proveo u CERN-u (Evropski centar za nuklearna istraživanja), a od 2002. se skrasio na uglednom Kalifornijskom univerzitetu u Dejvisu. Objavio je više od 90 naučnih radova (preko 4.700 puta citirani), jedan je od začetnika fizike i kosmologije svetova-membrana (postoje u beskonačno velikim dodatnim dimenzijama prostora) i tvorac teorije veoma lakih čestica aksiona (kandidati za objašnjenje porekla tamne energije i tamne materije).
Kad se ne bavi fizikom, kako kaže, vreme provodi zabavljajući porodicu – suprugu Miroslavu, jedanaestogodišnjeg sina Stefana Nemanju i devetogodišnju kćerku Sofiju Isidoru. A prvi odgovor glasi:
„Simetrije u fizici obeležavaju pojave da fizički sistemi ne zavise od uslova posmatranja i stanja posmatrača. Znači, ako različiti posmatrači proučavaju neki fizički sistem pod vrlo različitim uslovima, oni će utvrditi potpuno iste osobine sistema, bez obzira na promene u detaljima posmatranja i merenja. Posledice simetrija su pravilnosti u ponašanju fizičkog sistema, kao recimo zakoni održanja određenih veličina ili ponavljanje kopija elementarnih čestica u prirodi. Simetrije zbog toga igraju ulogu ’organizacionog principa’ istraživanja, koji omogućuje istraživaču da postavi jednostavne i jasne pravce ispitivanja. Stoga, ukoliko simetrije vladaju fizičkim procesom, fizičar može da ignoriše ogroman broj nebitnih detalja i brže i efikasnije prepozna osnovne aspekte fizičkih zakona.
Ukratko, simetrije čine fizički zakon prepoznatljivim i lakšim za otkrivanje i formulisanje.
Simetrije dozvoljavaju da se osnovni zakoni fizike mogu sročiti kratko i jasno. Možda je njihova osnovna i nama još nedokučiva tajna da su nešto nalik ’gramatičkim pravilima’ jezika prirode.”
Ako je u prvim trenucima postanja („Veliki prasak”) vladala supersimetrija, kada je i kuda ona iščezla?
Supersimetrija je ideja da se fundamentalne čestice u prirodi pojavljuju „sparene” po spinu. Spin je osobina osnovnih elemenata kvantno-mehaničke materije i uopštava pojam ugaone količine kretanja klasične mehanike (čije je očuvanje, recimo, fundamentalni zakon klasične fizike, i poznat je bilo kom gledaocu klizačkih takmičenja kao pojava da ako klizačica privlači ruke ka telu počinje da se vrti sve brže). Sićušne čestice, podvrgnute Lorencovoj (nobelovac Hendrik Lorenc) simetriji, imaju fundamentalni „momenat obrtanja” koji, opet zbog Lorencove simetrije, može samo da bude polovina nekog celog broja.
Tako, recimo, za kvante svetlosti, fotone, spin je jedinica, dok je za kvante materije, elektrone i kvarkove, spin jedna polovina. Čestice različitog spina imaju veoma različite fundamentalne osobine, a supersimetrija je zasnovana na pretpostavci da je ta „spinska diskriminacija” neprirodna i da sve čestice imaju svoje spinske partnere – recimo, uz foton dolazi fotino, sa spinom od jedne polovine, a elektroni su spareni sa selektronima, čiji je spin nula.
Razlog za uvođenje supersimetrije je dramatično pojednostavljenje opisa međudelovanja između fundamentalnih čestica u prirodi i, možda, mogućnosti lakšeg ujedinjenja svih osnovnih prirodnih sila, uključujući gravitaciju. Konkretno, supersimetrija je način da se razume izmerena dihotomija između fundamentalnih konstanti sprege koje mere snagu različitih sila i, takođe, zašto je gravitacija slabija od elektromagnetne sile za celih 36 redova veličine.
Međutim do sada nemamo direktan dokaz da je supersimetrija jedan od temelja sveta. Znači, ako ona zaista postoji, vrlo je dobro skrivena od svih dosadašnjih pokušaja merenja direktnih posledica. Drugim rečima, supersimetrija mora biti narušena na neki način, tako da su svi spinski partneri normalne materije previše teški i, stoga, energetski nedostupni dosadašnjim direktnim potragama. Oni su, možda, deo tamne materije u svemiru… No, to još ne znamo. Šanse da naučimo više pomoću Velikog hadronskog sudarača (LHC) u Ženevi, izvanredne su. Potrebno je još malo vremena i strpljenja.
Da li je načelo (princip) simetrije svevažeće u svekolikom kosmosu?
To je vrlo duboko pitanje na koje nije lako dati kratak i jednostavan odgovor. Mi ne znamo koliko je pojava simetrija univerzalna. Ono što znamo, međutim, jeste da su dosadanje paradigmatske promene u fizici uvek bile zacrtane formulacijom novog vida simetrije koji bi nadrastao pređašnju verziju, upotpunjujući je i definišući nove pojave i nove pravce istraživanja.
Znači, princip simetrije se do sada pokazao kao neizmerno dragocen pojam u istraživanju prirode, jer smo bez simetrija gotovo bespomoćni da prepoznamo zakone prirode. Slično nekome ko je zatvoren u popuno mračnoj i utišanoj prostoriji, bez mogućnosti da predvidi da li mu je izlaz ispred nosa ili kilometrima daleko… Da li je ideja simetrije svevažeća ili nije, ne možemo da prosudimo. No, u našem je interesu da nađemo što je više moguće različitih simetrija i njihovih posledica.
Šta to onemogućuje da simetrija i asimetrija postoje jedna nezavisno od druge?
Simetrija je precizno definisan pojam koji obeležava pravilnosti u ponašanju fizičkog sistema. Asimetrija je, sama po sebi, manje precizno definisan termin, i postaje koristan pojam tek kada se pod njime podrazumeva „nedostatak simetrije”. U tom smislu, simetrija i asimetrija su logičke suprotnosti, i zato nerazdvojive.
U kakvoj su tajnoj sprezi simetrija i asimetrija?
Sama po sebi ideja „asimetrije” nije naročito korisna. U sklopu sa simetrijom, ona može da postane korisna ako se njome označava nedostatak očekivane simetrije. Recimo, u slučaju da se primeti da energija nekog sistema nije očuvana, a taj zakon očuvanja očekujemo zbog simetrije vremenske nezavisnosti (nezavisnost stanja sistema od trenutka posmatranja), mogli bismo da zaključimo da je ta simetrija narušena na naki način. Konkretno, pretpostavka bi bila da smo u pregledu sistema prevideli neko njegovo međudejstvo sa okolinom, zbog koga bi sistem mogao da menja energiju. Ili, recimo, u ustrojstvu Standardnog modela fizike elementarnih čestica, imamo primer narušene simetrije takozvanog slabog sektora.
Naime, uspešni modeli međudelovanja elementarnih sastojaka materije zasnovani su na izmenama fundamentalnih bozona, sličnih kvantima svetlosti, fotonima, koji su opisani takozvanim lokalnim kalibracionim teorijama. U ovim teorijama međudejstva se kontrolišu lokalnim simetrijama faznih pomaka, koji uopštavaju standardnu faznu simetriju u kvantnoj mehanici. Ako su takve lokalne simetrije egzaktne, bozoni čijom se razmenom obavlja međudejstvo, moraju da budu relativistički, bez mase mirovanja, i stoga bi međudejstva koja oni izazivaju bila neograničenog dometa.
Međutim, mi znamo da su „slabe” sile vrlo kratkog dometa, i ne prostiru se dalje od nuklearnog jezgra. Stoga, bozoni koji ih prenose moraju biti teški i „lenji”. Zato su slabe fazne simetrije spontano narušene, uz pomoć hipotetičke Higs čestice, koja se kondenzuje u vakuumu slično kao vodena para na hladnoj čaši u letnjoj bašti. Higsov kondenzat narušava simetrije i čini bozone međudelovanja teškim.
Važi li to, možda, u svetu kvarkova – sastojaka protona i neutrona – u koje naučnici ni najmoćnijim uvećanjem nisu prodrli?
Naravno. Mada Higsovu česticu nismo još otkrili direktno, očekujemo da ćemo u LHC-u naći nju ili neki komplikovaniji sektor koji igra sličnu ulogu.
Iz kojih razloga sve osnovne čestice nemaju svoje parnjake – antičestice? Kako se to objašnjava?
Sve čestice imaju svoje antičestice. To je direktna potvrda specijalne teorije relativnosti i relativističke Lorencove simetrije, spregnute s kvantnom mehanikom. Jedino se neke antičestice ne razlikuju od čestica! Recimo, kvanti svetlosti fotoni su sami sebi antičestice, jer nemaju nikakvih intrinsički očuvanih veličina koje ih opisuju, kao recimo masa mirovanja, naelektrisanje i tako dalje. Zato dva jednaka fotona mogu, na veoma visokim energijama, da međudeluju i nestanu, proizvodeći druge čestice iste ukupne energije (što diktira relativistička Lorencova simetrija). Za razliku od njih, elektroni imaju svoju antičesticu koja je različita, pošto imaju naelektrisanje. Da bi elektron, s negativnim naelektrisanjem, mogao da nestane prilikom međudelovanja, on mora da se sudari sa česticom potpuno iste mase ali pozitivnog naelektrisanja i suprotnog spina. Taj „suprotni” elektron je pozitron, i anihilirajući sa njime elektron može da proizvede radijaciju.
Koliko vidova simetrije se sreće u prirodi?
Koliko god nam padne na pamet. Šalu na stranu, korisna klasifikacija simetrija u fundamentalnoj fizici je na prostorno-vremenske (kao relativistička simetrija ili supersimetrija) – koje kažu da evolucija sistema ne zavisi od stanja posmatrača i kao posledicu daju zakone održanja ekstenzivnih karakteristika sistema (energije, momenta količine kretanja i tako dalje) i unutrašnje (recimo, fazne simetrije kvantne mehanike) – koje govore o konkretnim strukturnim osobinama sistema.
Potonje mogu biti globalne, gde su fazni pomeraji svuda isti, i pomoću kojih se objašnjavaju replikacije nekih čestica, kao recimo izospinska (približna) simetrija, ili lokalne, gde su fazni pomaci različiti na različitim mestima i u različitim trenucima, kojima se opisuju međudelovanja između čestica, kao recimo elektromagnetizam ili gravitacija. Uopšteno govoreći, sve konkretne simetrije koje koristimo u fizici nalaze svoje mesto u ovoj klasifikaciji.
Kakve bi posledice proistekle bez simetrije u vremenu? Da li bi isti uzroci imali danas jedne, a sutra druge?
Bez simetrije vremenske translacije ne bismo imali zakon održanja energije. Znači, moglo bi se desiti da lonac hladne vode spontano prokipi na ugašenom štednjaku! Takav svet bi bio vrlo čudan, nepredvidljiv. Jedna od posledica bi bila da isti uzroci imaju različite posledice…
Sreća je što naš svet nije takav, jer bez vremenske simetrije teško da bismo uočili moć naučnog metoda!
Zbog čega je simetrija toliko ugodna oku da joj stvaraoci neodustajno streme (Gete)?
Zato što pojednostavljuje! Simetrične strukture su jednostavne i lako razumljive, i predstavljaju sigurnu, ponovljivu, referentnu tačku, kao putokaz razuma u tami neznanja.
(Iz dodatka NIT - broj 1)
Stanko Stojiljković
objavljeno: 16.05.2011.
