Science Made Simple: Vad är symmetri inom fysiken?

Symmetri i fysik utforskar partikelbeteende under rumsliga, tidsmässiga och kvantumtalsvändningar, som involverar både diskreta och kontinuerliga förändringar. Det underbygger konsistensen av naturlagar och experimentreproducerbarhet, som kraftigt påverkar moderna fysikteorier som supersymmetri och potentiellt avslöjar nya partiklar och krafter. Kredit: SciTechDaily.com

Inom fysiken hänvisar symmetri till hur partiklar beter sig när rum, tid eller kvanttal vänds om. Vi är vana vid att se enkla typer av symmetri i vardagen. Till exempel är ett mänskligt ansikte mycket nästan symmetriskt när det reflekteras från vänster till höger. Men ett ansikte är helt asymmetriskt när det reflekteras uppifrån och ned - den övre halvan av ett ansikte ser inte likadan ut som den nedre. Små förändringar kan bryta symmetri. Till exempel skulle ett ansikte med en mullvad på ena kinden bryta vänster höger symmetri.

Symmetri i fysik handlar om mer än bara utseende och form. Detta till skillnad från symmetri inom biologi, som ofta syftar på symmetri när man diskuterar hur organismer ser ut och hur deras kroppar är ordnade.

Symmetri i fysik kan hänvisa till att naturlagarna är immuna mot förändringar i identiteten eller egenskaperna hos vissa elementarpartiklar. Symmetri kan också innebära förändringar i vad som kan tyckas vara abstrakta matematiska naturbeskrivningar.

En urtavla är ett exempel på paritetstransformation. Urtavlans utseende och beteende om koordinatsystemet är omvänt är ett test av symmetri. Den här bilden visar hur klockan ser ut och fungerar om den reflekteras i en spegel. Kredit: Nathan Clarke, Department of Energy Office of Science

Symmetri hänvisar ofta istället till hur naturen beter sig när partiklar byts ut mot sina antipartiklar (kallad "laddningskonjugation"), när koordinaterna vänds om som i en spegel (kallas "paritetsinversion") eller när tiden vänds om (med " film” bakåt). Fysiker kallar dessa tre symmetrier C (för laddning), P (för paritet) och T (för tid). Så kallad CPT-symmetri är diskret – det sker i steg.

Fysiker kontrasterar diskret symmetri med kontinuerlig symmetri, där det inte finns några steg mellan förändringar i symmetri. Ett exempel är rotationssymmetri som att vrida en cirkel. Till skillnad från fallet med att rotera en kvadrat, finns det inga punkter där en rotation av en cirkel bryter symmetrin.

För forskare är translationell symmetri i tid och rum särskilt viktig. Translationssymmetri betyder att naturlagarna som mäts av en person vid ett tillfälle och på en plats inte kommer att förändras om de mäts av en annan person vid en annan tidpunkt och en annan plats. Utan denna symmetri skulle de fysiska vetenskaperna och de universella naturlagarna inte fungera. Med andra ord är symmetri i tid och rum det som gör experiment reproducerbara och vetenskap möjliga.

Att förstå symmetrier och brutna symmetrier är viktigt för att förstå materiens och vårt universums fysiska egenskaper.

Många av fysikens framsteg under de senaste hundra åren har baserats på ett ökande insikt om vikten av symmetri för att skapa teorier om naturen. Om forskare korrekt kan härleda vilka symmetrier som är giltiga, kan de lära sig mer om vilka typer av saker som är möjliga i naturen, särskilt med subatomära partiklar. Många teorier som försöker förbättra standardmodellen för partikelfysik förlitar sig på symmetri som en vägledande princip. Till exempel föreslår supersymmetriteorin att alla partiklar i standardmodellen har en symmetrisk partner. Alternativt, om forskare observerar en symmetri som bryts när de inte förväntade sig, kan det fyndet peka på möjliga nya sätt för naturen att bete sig. Det kan inkludera nya partiklar och nya krafter.

Sökandet efter naturens grundläggande symmetrier är en så djup och bred fråga att den engagerar fysiker med olika expertis från fyra av programmen vid Institutionen för energikontor för vetenskap.

Dessa program inkluderar Basic Energy Sciences (BES), High Energy Physics (HEP), Nuclear Physics (NP) och Advanced Scientific Computing Research (ASCR).

BES stöder tekniker för att syntetisera och karakterisera nya material på atomär nivå. Dessa material uppvisar ofta trasiga symmetrier som leder till djupare vetenskaplig förståelse och ny funktionalitet med potentiell påverkan för DOE:s energiuppdrag.

NP stödjer fysiker som använder avancerade tekniker för att söka efter trasiga symmetrier för neutroner, protoner och olika nukleära isotoper. NP stöder också ansträngningar för att söka efter ett ännu inte observerat kärnsönderfall känt som neutrinofritt dubbelbeta-sönderfall. Observation av detta förfall skulle visa att materia skapades i laboratoriet utan någon motviktande antimateria, en trasig symmetri som är avgörande för att förstå varför universum har tillräckligt med materia i sig för att vi ska kunna existera.