Wissenschaft einfach gemacht: Was ist Symmetrie in der Physik?

Die Symmetrie in der Physik erforscht das Verhalten von Partikeln unter räumlichen, zeitlichen und quantenmechanischen Umkehrungen sowie unter diskreten und kontinuierlichen Veränderungen. Sie bildet die Grundlage für die Konsistenz der Naturgesetze und die Reproduzierbarkeit von Experimenten. Damit beeinflusst sie maßgeblich moderne Physiktheorien wie die Supersymmetrie und könnte neue Teilchen und Kräfte enthüllen. Quelle: SciTechDaily.com

In der Physik bezieht sich Symmetrie darauf, wie sich Partikel verhalten, wenn Raum, Zeit oder Quantenzahlen umgekehrt werden. Wir sind es gewohnt, einfache Arten von Symmetrie im täglichen Leben zu sehen. Zum Beispiel ist ein menschliches Gesicht sehr symmetrisch, wenn es von links nach rechts gespiegelt wird. Aber ein Gesicht ist völlig asymmetrisch, wenn es von oben nach unten gespiegelt wird - die obere Hälfte eines Gesichts sieht nicht so aus wie die untere. Kleine Veränderungen können Symmetrie brechen. Zum Beispiel würde ein Gesicht mit einem Maulwurf auf einer Wange die Links-Rechts-Symmetrie brechen.

Die Symmetrie in der Physik dreht sich nicht nur um Aussehen und Form. Im Gegensatz zur Symmetrie in der Biologie, die oft darauf verweist, wie Organismen aussehen und wie ihre Körper angeordnet sind.

In der Physik kann Symmetrie bedeuten, dass die Naturgesetze gegen Veränderungen in der Identität oder den Eigenschaften bestimmter elementarer Teilchen immun sind. Symmetrie kann auch Veränderungen in dem, was abstrakte mathematische Beschreibungen der Natur zu sein scheinen, bedeuten.

Ein Zifferblatt eines Uhrens ist ein Beispiel für eine Paritäts-Transformation. Das Aussehen und Verhalten des Ziffernblatts, wenn das Koordinatensystem umgekehrt wird, ist ein Test auf Symmetrie. Dieses Bild zeigt, wie die Uhr aussieht und funktioniert, wenn sie in einem Spiegel reflektiert wird. Quelle: Nathan Clarke, Department of Energy Office of Science

Symmetrie bezieht sich oft darauf, wie sich die Natur verhält, wenn Teilchen mit ihren Antiteilchen vertauscht werden (genannt "Charge Conjugation"), wenn Koordinaten wie in einem Spiegel umgekehrt werden (genannt "Paritätsinversion") oder wenn die Zeit umgekehrt wird (den "Film" rückwärts ablaufen). Physiker nennen diese drei Symmetrien C (für Ladung), P (für Parität) und T (für Zeit). Die sogenannte CPT-Symmetrie ist diskret - sie erfolgt in Schritten.

Physiker unterscheiden diskrete Symmetrie von kontinuierlicher Symmetrie, bei der es keine Schritte zwischen den Änderungen der Symmetrie gibt. Ein Beispiel ist die Drehungssymmetrie wie die Drehung eines Kreises. Im Gegensatz zum Fall der Drehung eines Quadrats gibt es keine Punkte, an denen die Drehung eines Kreises die Symmetrie bricht.

Für Wissenschaftler ist die translationale Symmetrie in Zeit und Raum besonders wichtig. Translationale Symmetrie bedeutet, dass die Gesetze der Natur, die von einer Person zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort gemessen werden, sich nicht ändern werden, wenn sie von einer anderen Person zu einer anderen Zeit und an einem anderen Ort gemessen werden. Ohne diese Symmetrie würden die physikalischen Wissenschaften und die universellen Naturgesetze nicht funktionieren. Mit anderen Worten, die Symmetrie in Zeit und Raum ist es, was Experimente reproduzierbar macht und Wissenschaft ermöglicht.

Das Verständnis von Symmetrien und gebrochenen Symmetrien ist wichtig, um die physikalischen Eigenschaften von Materie und unserem Universum zu verstehen.

Viele der Fortschritte in der Physik der letzten Jahrhunderte basieren auf einem zunehmenden Verständnis der Bedeutung von Symmetrie bei der Entwicklung von Naturtheorien. Wenn Wissenschaftler richtig ableiten können, welche Symmetrien gültig sind, können sie mehr über die Arten von Dingen in der Natur erfahren, insbesondere bei subatomaren Teilchen. Viele Theorien, die darauf abzielen, das Standardmodell der Teilchenphysik zu verbessern, stützen sich auf Symmetrie als Leitprinzip. Beispielsweise schlägt die Supersymmetrie-Theorie vor, dass alle Teilchen im Standardmodell einen symmetrischen Partner haben. Alternativ, wenn Wissenschaftler eine gebrochene Symmetrie beobachten, mit der sie nicht gerechnet haben, kann diese Erkenntnis auf mögliche neue Verhaltensweisen der Natur hinweisen. Dazu gehören neue Teilchen und neue Kräfte.

Die Suche nach den fundamentalen Symmetrien der Natur ist eine so tiefgreifende und breite Frage, dass Physiker mit unterschiedlichen Expertisen aus vier der Programme im Department of Energy Office of Science einbezogen werden.

Diese Programme umfassen Basic Energy Sciences (BES), High Energy Physics (HEP), Nuclear Physics (NP) und Advanced Scientific Computing Research (ASCR).

BES unterstützt Techniken zur Synthese und Charakterisierung neuer Materialien auf atomarer Ebene. Diese Materialien weisen oft gebrochene Symmetrien auf, die zu einem tieferen wissenschaftlichen Verständnis und neuen Funktionalitäten mit potenziellem Einfluss auf die Energie-Mission des DOE führen.

NP unterstützt Physiker, die fortschrittliche Techniken einsetzen, um nach gebrochenen Symmetrien bei Neutronen, Protonen und verschiedenen nuklearen Isotopen zu suchen. NP unterstützt auch Bemühungen, nach einem noch nicht beobachteten nuklearen Zerfall zu suchen, der als Neutrino-lose doppelte Beta-Zerfall bekannt ist. Die Beobachtung dieses Zerfalls würde zeigen, dass Materie im Labor ohne jegliche gegenwirkende Antimaterie entsteht, eine gebrochene Symmetrie, die wesentlich ist, um zu verstehen, warum das Universum genug Materie für unser Dasein hat.

HEP supports physicists searching for ways that symmetry can be violated by using the Deep Underground Neutrino Experiment, the Large Hadron Collider, and other experiments. Meanwhile, ASCR supports the computer theory, hardware, and software scientists needed to conduct and interpret such data-rich experiments.