Simetrinin kendiliğinden bozulmasından kalitenin kökenine (bir bakmaya değer)
Kendiliğinden simetri kırılmasından kalitenin kökenine
Simetri, doğada yaygın olarak var olan bir olgudur. Örneğin, birçok hayvanın görünümü sol-sağ simetriye sahipken, kar taneleri altıgen simetriye sahiptir. Simetri yalnızca sezgisel olarak güzel değil, aynı zamanda büyük bir pratikliğe de sahiptir, çünkü herhangi bir simetriye sahipse, bunun sadece bir bölümünü bilmemiz gerektiği ve geri kalanını simetri yoluyla çıkarabileceğimiz anlamına gelir. Örneğin, kar taneleri için, sadece altıda birini bilmemiz gerekiyor ve hepsini simetri yoluyla çıkarabiliriz. Simetri, karmaşıklığı basitleştirme özelliğine sahiptir ve onu fizikçilerin güvendiği bir kavram haline getirir.
Elbette, makroskopik dünyanın simetrisi yaklaşıktır, ancak fizikçiler bir zamanlar mikroskobik dünyanın simetrisinin çok daha katı olduğuna inanıyorlardı. Bununla birlikte, mikroskobik dünyaya, özellikle de atom altı dünyaya girdiklerinde, bir zamanlar katı olduğu düşünülen simetrilerin çoğunun aslında bozulmuş olduğunu keşfettiler. Doğa, simetrik desenlere kasıtlı olarak asimetrik unsurlar ekleyen sanatçılara benziyor, tam simetriyi her zaman sevmiyorlar.
Simetri bozulacağına göre, doğal bir soru şudur: Nasıl kırılır? Bu soru 1960 civarında Nanbu Yoichiro'nun araştırma alanına girdi. Bir süperiletkenlik teorisinin araştırılmasıyla spontan simetri kavramını ortaya attı ve kırk sekiz yıllık bir aradan sonra spontan simetri kırılması kavramını önerdi. Bir çalışma Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Öyleyse, kendiliğinden simetri bozuluyor tam olarak nedir? Bunu açıklamak için basit bir örnek kullanabiliriz: Yatay bir bahçe masasının ortasına bir çubuk dikilirse, yemek çubuklarının ve yuvarlak masanın dönme ekseni olarak çubuklarla dönme simetrisine sahip olduğunu biliyoruz. Ancak, yuvarlak masanın üzerinde duran yemek çubukları dengesizdir ve herhangi bir küçük rahatsızlık, masanın düşmesine neden olur. Çubuklar düştüğünde, hangi yöne düşerlerse düşsünler, bu yön özel bir yön haline gelir ve böylece dönme simetrisini bozar. Bu örnekte, düşen çubuklar, fizikte temel durum olarak adlandırılan en düşük potansiyel enerji durumundadır. Sözde kendiliğinden simetri kırılması, bu simetrinin temel durum tarafından kırıldığı olgusuna işaret eder.
Kendiliğinden simetri kırılması neden önemlidir?
Her şeyden önce, çünkü bu durumda, temel durum artık simetriye sahip olmasa da, teorinin kendisi hala simetriye sahiptir, bu nedenle basitleştirmenin simetri özelliği hala mevcuttur. Ancak daha da önemlisi, simetrinin kendiliğinden kırılmasının neden olduğu bir dizi takip çalışması, kalitenin kökeninin gizemini insan keşfinde önemli bir rol oynadı. Nanbu Yoichiro'nun çalışmasından sadece dört yıl sonra, İngiliz fizikçi P. Higgs ve diğerleri, kendiliğinden simetri kırılması kavramının gerçek dünyayı tanımlayabilecek belirli bir teori türüne uygulanması durumunda keşfettiler. , Bazı temel parçacıkların kütle kazanmasını sağlayabilir. Onların keşfi, insanlığın şimdiye kadar önerdiği kalitenin kökenini açıklamak için en önemli mekanizmalardan biridir.
Sanatçıların simetrik desenlere bazı asimetrik unsurlar ekleyerek daha sofistike sanat eserleri yarattığını söylersek, o zaman bir anlamda daha akıllı bir sanatçı olan doğa simetri yoluyla kendiliğinden olur. Kırın, temel parçacıkların kütlesini "yaratın".
Kuark karışımından maddenin kökenine
Nanbu Yoichiro'nun çalışmalarına benzer şekilde, Makoto Kobayashi ve Toshihide Masagawa'nın çalışmaları da maddenin kökeni olan önemli bir menşe meselesiyle ilgilidir. Bu hikaye 1956'da anlatılmalıdır.
Bu hikayenin en eski konusu hepimize aşinadır: 1956'da, Çinli Amerikalı fizikçiler Li Zhengdao (TD Lee) ve Yang Zhenning (CN Yang), paritenin simetrisini mikroskobik dünyada keşfettiler: sol ve sağ (veya ayna) ) Simetri - sözde zayıf etkileşimde bozulur. Onların keşfi insanları diğer simetriden şüphe ediyor. En önemli simetrilerden biri CP simetrisidir. Dünyada parçacık ve antiparçacık değiştirip bir aynadan geçersek iddia edilir. Ona baktığımızda, gördüğümüz yeni dünya, orijinal dünya ile aynı fiziksel yasalara uyuyor.
1964'te, CP simetrisi deneysel karara öncülük etti ve zayıf etkileşimde de kırıldığı için ölüm cezasına mahkum edildi. Ancak parite simetrisinin kırılmasının aksine, CP simetrisinin kırılması çok küçüktür ve onu tanımlayacak bir teori bulmak zordur. 1964'ten sonraki bir süre için, CP simetrisinin kırılmasının nasıl açıklanacağı can sıkıcı çözülmemiş bir vaka haline geldi.
Bu çözülmemiş dava 1972'ye kadar Makoto Kobayashi ve Toshihide Masagawa tarafından çözülmedi. Bu çözülmemiş durumu çözmenin anahtarının kuark adı verilen bazı temel parçacıklarda yattığını buldular. O zamanlar zayıf etkileşimlere kuarkların karışık bir şekilde katılacağı biliniyordu. İlk bakışta, bunun CP simetrisi ile ilgisi yok gibi görünüyor, ancak Makoto Kobayashi ve Masagawa Toshihide, en az üç nesil varsa (yani, altı tür-fizikçi kuarkları çiftler halinde gruplandırır ve her gruba bir nesil denir) kuarkları keşfetti, Daha sonra bunların karıştırılması CP simetrisinin bozulmasına yol açabilir. Bu keşfi yaptıklarında, insanlar yalnızca iki nesil kuark bekliyorlardı ve deneylerle yalnızca bir buçuk nesil (yani, üç) keşfedildi. Bu nedenle, çalışmaları sadece CP simetrisinin kırılması için olası bir açıklama sağlamakla kalmaz, aynı zamanda en az bir nesil (yani iki) yeni kuarkı da öngörür. Bu iki yeni kuark, sırasıyla 1977 ve 1995 yıllarındaki deneylerle keşfedildi ve kuark karışımını tanımlamak için önerdikleri belirli yollar da son otuz yılda deneysel olarak iyi bir şekilde doğrulanmıştır.
Öyleyse, CP simetrisinin kırılmasının derin önemi nedir? Tüm temel parçacıkların kendi antiparçacıklarına sahip olduğunu biliyoruz (fotonlar gibi birkaç parçacık kendi karşıt parçacıklarına sahiptir). Fizikçilerin çoğu, Big Bang'in başlangıcının pozitif ve negatif madde arasında bir simetri durumunda olduğuna inanıyor. Ancak astronomik gözlemler, bugün evrene maddenin hakim olduğunu gösteriyor. Bu bir soruyu gündeme getiriyor: Evrendeki antimadde nerede? Bu soru için henüz tam bir cevap yok, ancak fizikçiler genellikle CP simetrisinin kırılmasının problemi çözmede anahtar bağlantılardan biri olduğuna inanıyorlar. CP simetrisinin kırılması, madde ve antimaddenin etkileşimlerinde ince farklılıklara sahip olduğunu gösterdiğinden, sonuçta ikisi arasındaki niceliksel farka yol açan, diğer koşullarla birleştiğinde bu farktır. Bu anlamda, insan dahil renkli maddi dünyamız, CP simetrisindeki hafif kırılmanın bıraktığı kalıntıdır.
Yorum Yap
Nanbu Yoichiro tarafından incelenen süperiletkenlik teorisi, J. Bardeen, L. Cooper ve R. Schrieffer (1956) tarafından önerilen BCS teorisidir. Yoğun madde fiziğinde kendiliğinden simetri kırılmasının ortaya çıkışı, W. Heisenberg'in ferromanyetik modeline (1928) kadar izlenebilir ve Nanbu Yoichiro onu kuantum alan teorisine sokan ilk fizikçiydi. Ondan biraz sonra, J. Goldstone da benzer bir fikir öne sürdü.
Burada bahsedilen "gerçek dünyayı tanımlayabilen teori", normatif teoriye atıfta bulunmaktadır. Higgs ve diğerleri tarafından önerilen mekanizmaya, parçacık fiziğinin standart modelinin önemli bir parçası olan Higgs mekanizması (Higgs mekanizması) denir. Tabii ki, kalitenin kökeni konusu hala çözülmemiş bir konudur.Bu konuya daha ayrıntılı bir giriş için lütfen işimin kalitesinin kökenine bakın. Burada okuyuculara, bu makalede sunulan sonuçların standart modelin bir parçası olduğunu hatırlatıyorum, bu nedenle bu makaledeki tartışmaların çoğu yalnızca standart modelin çerçevesi için geçerlidir ve aşağıdaki metinde uygulamasının kapsamını belirtmeyeceğim.
Açıkça söylemek gerekirse, parçacık fiziğindeki parite dönüşümü, sol ve sağ (veya aynasal) yansımaların üst üste binmesi ve bir dönme dönüşümüdür. Dönme simetrisi parçacık fiziğinde kesin olarak kurulduğundan, insanlar genellikle parite simetrisini sol-sağ (veya ayna) simetrisiyle eşitler.
CP simetrisi, şarj paritesinin ortak simetrisidir, burada "CP", yük eşleniği ve parite için kısaltmaların bir kombinasyonudur. Yük konjugasyon simetrisi genellikle pozitif ve negatif parçacık simetrisi olarak da adlandırılır.
Kuarkların birbirleriyle karışarak zayıf etkileşimlere katıldığı fikri, İtalyan fizikçi N.Cabibbo'nun 1963'teki çalışmalarına kadar uzanabilir. Ancak, kuark modeli o sırada henüz mevcut değildi ve Cabibbo'nun önerdiği şey aslında bir akım karışımıydı. Kuark modeli 1964'te ortaya çıktıktan sonra, M. Gell-Mann ve M. Lévy Cabibbo'nun çalışmasını hemen kuark diline çevirdi (Gell-Mann ve Lévy, Cabibbo'nun çalışmalarına oldukça aşinaydı çünkü ikincisi birkaç yıl önce onlardan etkilenmişti. İşin bir kısmının etkisi). Cabibbo'nun fikri bazı deneyleri iyi açıklayabilir, ancak diğer deneylerle çelişir (örneğin, tahmin ettiği K0 + - bozulma olasılığı deneysel değerden çok daha büyüktür).
Bu sorunlar 1970 yılına kadar S. Glashow, J. Iliopoulos ve L. Maiani tarafından dördüncü tip kuark (yani c kuark) getirilerek çözülmemiş ve çözümlerine GIM mekanizması adı verilmiştir. Cabibbo'nun teorisi kusurlu olsa da, bu alanda bir öncü, bu yılki Nobel Fizik Ödülü'nü kaçırdı, Goldstone gibi, biraz üzücü.
Okuyuculara, ödüllü üç fizikçinin çalışmaları simetri kırılmasıyla ilgili olsa da, simetri kırılmasını içeren yolların tamamen farklı olduğu hatırlatılmalıdır. Makoto Kobayashi ve Toshihide Masagawa'nın çalışmaları simetride açık bir kırılma oluştururken, Nanbu Yoichiro simetride kendiliğinden bir kırılma önerdi.
Burada bahsedilen nötr parçacık, uzun ömürlü nötr K mezon K0L'dir ve ilgili bozunma modları K0L e + - ve K0L e- + 'dur. Ayrıca burada tartışılan durum tamamen varsayımsal bir durumdur, aslında her iki taraf da diğerinin bileşimini gerçekten anlamak istiyorsa, birbirlerinin yok olup olmayacağını görmek için kendi dünyalarında bir elektron sağlamaları yeterlidir.
