מדע בפשטות: מהי סימטריה בפיזיקה?

מהי סימטריה בפיזיקה?

בפיזיקה, סִימֶטרִיָה מתייחס לאופן שבו חלקיקים מתנהגים כאשר מרחב, זמן או מספרים קוונטיים הופכים. אנחנו רגילים לראות סוגים פשוטים של סימטריה בחיי היומיום. לדוגמה, פנים אנושיות הן כמעט סימטריות כשהן משתקפות משמאל לימין. אבל פנים אסימטריות לחלוטין כשהן משתקפות מלמעלה למטה – החצי העליון של הפנים לא נראה זהה לחלק התחתון. שינויים קטנים יכולים לשבור את הסימטריה. לדוגמה, פנים עם שומה על לחי אחת ישברו את הסימטריה השמאלית הימנית.

סימטריה בפיזיקה היא יותר מסתם מראה וצורה. זאת בניגוד לסימטריה בביולוגיה, שמתייחסת לעתים קרובות לסימטריה כאשר דנים כיצד אורגניזמים נראים וכיצד גופם מסודר.

סימטריה בפיזיקה יכולה להתייחס לחוקי הטבע שהם חסינים בפני שינויים בזהותם או בתכונותיהם של חלקיקים יסודיים מסוימים. סימטריה יכולה להיות גם שינויים במה שנראה כתיאורים מתמטיים מופשטים של הטבע.

סימטריה מתייחסת לעתים קרובות לאופן שבו הטבע מתנהג כאשר חלקיקים מוחלפים עם האנטי-חלקיקים שלהם (המכונה "צימוד מטען"), כאשר הקואורדינטות הפוכות כמו במראה (המכונה "היפוך זוגיות"), או כאשר הזמן מתהפך (הריץ את " סרט" לאחור). פיזיקאים קוראים לשלוש הסימטריות הללו C (עבור מטען), P (עבור זוגיות) ו-T (עבור זמן). מה שנקרא סימטרית CPT היא בדידה – היא מתרחשת בשלבים.

פיזיקאים מנוגדים בין סימטריה בדיד לסימטריה רציפה, שבה אין שלבים בין שינויים בסימטריה. דוגמה אחת היא סימטריה סיבובית כגון הפיכת מעגל. בניגוד למקרה של סיבוב ריבוע, אין נקודות שבהן סיבוב מעגל שובר את הסימטריה.

עבור מדענים, סימטריה תרגום בזמן ובמרחב חשובה במיוחד. סימטריה תרגום פירושה חוקי הטבע הנמדדים על ידי אדם אחד בזמן אחד ובמקום אחד לא ישתנו אם נמדדו על ידי אדם אחר בזמן אחר ובמקום אחר. ללא סימטריה זו, מדעי הפיזיקה וחוקי הטבע האוניברסליים לא היו עובדים. במילים אחרות, סימטריה בזמן ובמרחב היא מה שמאפשר לשחזר את הניסויים ולמדעים.

הבנת סימטריות וסימטריות שבורות חשובה להבנת התכונות הפיזיקליות של החומר והיקום שלנו.

רבות מההתקדמות בפיזיקה במהלך מאות השנים האחרונות התבססו על הכרה גוברת בחשיבות הסימטריה ביצירת תיאוריות של הטבע. אם מדענים יכולים להסיק בצורה נכונה אילו סימטריות תקפות, הם יכולים ללמוד יותר על אילו סוגי דברים אפשריים בטבע, במיוחד עם חלקיקים תת-אטומיים. תיאוריות רבות המבקשות לשפר את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מסתמכות על סימטריה כעיקרון מנחה. לדוגמה, תורת העל-סימטריה מציעה שלכל החלקיקים במודל הסטנדרטי יש שותף סימטרי. לחילופין, אם מדענים יבחינו בסימטריה נשברת כאשר הם לא ציפו, הממצא הזה עשוי להצביע על דרכים חדשות אפשריות לטבע להתנהג. זה יכול לכלול חלקיקים חדשים וכוחות חדשים.

עובדות מהירות

• הגילוי של הפרת זוגיות בדעיכת בטא היה תגלית עמוקה, שהובילה להבנה בסיסית של היקום ותכונות הנייטרינים.
• שיקולי סימטריה מילאו תפקיד מכריע בגזירת תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים. אלברט איינשטיין היה מהראשונים שהציבו במפורש סימטריה כשיקול ראשוני בפיתוח תיאוריות, אם כי נעשה בהם שימוש מרומז בפיתוח תורת הכבידה של אייזק ניוטון ותאוריית החשמל והמגנטיות של ג'יימס קלרק מקסוול.
• אמי נותר גילתה קשר עמוק בין קיומן של סימטריות רציפות וחוקי שימור בשנת 1918. שימור אנרגיה, למשל, קשור באופן מהותי לסימטריית תרגום זמן ושימור המומנטום מקושר לסימטריה מרחבית-תרגום.

משרד המדע של DOE: תרומות לחקר הסימטריות

החיפוש אחר הסימטריות הבסיסיות של הטבע הוא שאלה כה עמוקה ורחבה עד שהיא מעסיקה פיזיקאים בעלי מומחיות שונה מארבע מהתוכניות במשרד המדע של מחלקת האנרגיה.

תוכניות אלה כוללות מדעי אנרגיה בסיסיים (BES), פיזיקה של אנרגיה גבוהה (HEP), פיזיקה גרעינית (NP) ומחקר מחשוב מדעי מתקדם (ASCR).

BES תומך בטכניקות לסינתזה ואפיון חומרים חדשים ברמה האטומית. חומרים אלה מראים לעתים קרובות סימטריות שבורות המובילות להבנה מדעית עמוקה יותר ופונקציונליות חדשה עם השפעה אפשרית על משימת האנרגיה של DOE.

NP תומך בפיזיקאים המשתמשים בטכניקות מתקדמות כדי לחפש סימטריות שבורות של נויטרונים, פרוטונים ואיזוטופים גרעיניים שונים. NP תומך גם במאמצים לחפש התפרקות גרעינית שטרם נצפתה המכונה התפרקות כפולה ללא ניטרינו. התבוננות בדעיכה זו תראה שחומר נוצר במעבדה ללא כל אנטי-חומר מתאזן, סימטריה שבורה החיונית להבנה מדוע יש ביקום מספיק חומר כדי שנוכל להתקיים.

HEP תומך בפיזיקאים המחפשים דרכים שבהן ניתן להפר את הסימטריה על ידי שימוש בניסוי הנוטרינו העמוק מתחת לאדמה, מאיץ ההדרונים הגדול וניסויים אחרים. בינתיים, ASCR תומך במדעי המחשב, חומרה ותוכנה הדרושים כדי לבצע ולפרש ניסויים עשירים בנתונים כאלה.

משאבים ואתרים קשורים

• קרא את הסקירה הכללית של חתן פרס נובל דיוויד גרוס על סימטריה: תפקידה של סימטריה בפיזיקה יסודית
• התוכנית לפיזיקה גרעינית של משרד DOE למדע
• תוכנית ה-DOE Office of Science של פיזיקת אנרגיה גבוהה וניסויי הגבול שלו בעוצמת הפיזיקה הגבוהה
• התוכנית למדעי האנרגיה הבסיסיים של משרד DOE למדע
• התוכנית למחקר מחשוב מדעי מתקדם של משרד DOE למדע
• למד על ניסוי ה-Deep Underground Neutrino הנתמך בתוכנית HEP של DOE Office of Science.
• למד על תוכנית DOE Office of Science NP נתמכת בקנה מידה טונות של ניוטרינו ללא ניסויים כפולים בטא: LEGEND, nEXO ו-CUPID.
• למד על בדיקות של סימטריות בסיסיות באמצעות איזוטופים נדירים במתקן המשתמש של מתקן המשרד למדע עבור קרני איזוטופים נדירים.
• למד על חיפוש ה-Neutron Electric Dipole Moment ב-Spallation Neutron Source, מתקן משתמש של Office of Science.