היופי המפתה של סופרסימטריה

להלן קטע מתוך אבודים במתמטיקה: איך היופי מוביל את הפיזיקה שולל מאת Sabine Hossenfelder.

ציינתי במסע שלנו להבין ממה מורכב העולם, מצאנו עשרים וחמישה חלקיקים יסודיים שונים. סופרסימטריה משלימה את האוסף הזה עם קבוצה של חלקיקי שותפים שטרם התגלו, אחד עבור כל אחד מהחלקיקים הידועים, וכמה נוספים. ההשלמה העל-סימטרית הזו מושכת מכיוון שהחלקיקים המוכרים הם משני סוגים שונים, פרמיונים ובוזונים (על שם אנריקו פרמי וסאטינדרה בוס, בהתאמה), וסופרסימטריה מסבירה כיצד שני הסוגים הללו שייכים זה לזה.

קרא את הספר

אבודים במתמטיקה: איך היופי מוביל את הפיזיקה שולל

פרמיונים הם אנשים קיצוניים. לא משנה כמה תנסה, לא תגרום לשניים מהם לעשות את אותו הדבר באותו מקום - תמיד חייב להיות הבדל ביניהם. לבוזונים, לעומת זאת, אין אילוץ כזה והם שמחים להצטרף זה לזה בריקוד משותף. זו הסיבה שהאלקטרונים, שהם פרמיונים, יושבים על קונכיות נפרדות סביב גרעיני אטום. אם הם היו בוזונים, במקום זאת הם היו יושבים יחד על אותה קליפה, ומשאירים את היקום ללא כימיה - וללא כימאים, שכן הקיום שלנו נשען על סירובם של הפרמיונים הקטנים לחלוק מקום.

סופרסימטריה מניחה שחוקי הטבע נשארים זהים כאשר בוזונים מוחלפים עם פרמיונים. זה אומר שלכל בוזון ידוע חייב להיות שותף פרמיוני, ולכל פרמיון ידוע חייב להיות שותף בוזוני. אבל מלבד הבדלים בשיוך הפרמיוני או הבוסוני שלהם, חלקיקי השותפים חייבים להיות זהים.

מאחר שאף אחד מהחלקיקים הידועים כבר לא תואם כנדרש, הגענו למסקנה שאין ביניהם זוגות סופר סימטריים. במקום זאת, חלקיקים חדשים חייבים לחכות להתגלות. זה כאילו יש לנו אוסף של סירים ומכסים מוזרים ומשוכנעים שבוודאי שהחלקים התואמים חייבים להיות בסביבה איפשהו.

למרבה הצער, משוואות העל-סימטריה אינן אומרות לנו מהן המוני השותפים של הסוסי [סופרסימטריה]. מכיוון שדרושה יותר אנרגיה כדי לייצר חלקיקים כבדים יותר, קשה יותר למצוא חלקיק כאשר המסה שלו גדולה יותר. כל מה שלמדנו עד כה הוא ששותפי העל, אם הם קיימים, כל כך כבדים שהאנרגיה של הניסויים שלנו עדיין לא מספיק גדולה כדי ליצור אותם.

לסופרסימטריה יש הרבה דברים. מלבד גילוי שבוזונים ופרמיונים הם שני צדדים של אותו מטבע, סוזי גם מסייע באיחוד כוחות יסוד ויש לו פוטנציאל להסביר כמה צירופי מקרים מספריים. יתרה מכך, לחלק מהחלקיקים העל-סימטריים יש בדיוק את התכונות הנכונות להרכיב חומר אפל.

סופרסימטריה מתאימה כל כך לתיאוריות הקיימות, עד שפיזיקאים רבים משוכנעים שהיא חייבת להיות נכונה. 'למרות המאמצים של מאות רבות של פיזיקאים שעורכים ניסויים בחיפוש אחר החלקיקים הללו, מעולם לא נצפו או זוהו שותפי-על', כותב הפיזיקאי פרמילב דן הופר. עם זאת, 'זה השפיע מעט על הרתעת הפיזיקאים התיאורטיים שמצפים בלהט שהטבע יתנסח כך - להיות סופר סימטרי.

בעיני רבים מהמדענים הללו, הרעיונות מאחורי סימטריה העל פשוט יפים ואלגנטיים מכדי לא להיות חלק מהיקום שלנו. הם פותרים יותר מדי בעיות ומשתלבים בעולמנו באופן טבעי מדי. עבור המאמינים האמיתיים הללו, חלקיקי העל פשוט חייבים להתקיים.'

[ שאלות הפיזיקה שלך, מוסבר. ]

הופר הוא לא היחיד שהדגיש את עוצמתה של הרשעה זו. 'עבור פיזיקאים תיאורטיים רבים, קשה להאמין שסופרסימטריה לא משחקת תפקיד איפשהו בטבע', מציין הפיזיקאי ג'ף פורשו. וב-2014 סיינטיפיק אמריקן מאמר שכותרתו 'סופרסימטריה והמשבר בפיזיקה', פיסיקאי החלקיקים מריה ספירופולו וג'וזף ליקן תומכים בתקוותם שהראיות יגיעו, בסופו של דבר, בטענה ש'אין זה מוגזם לומר שרוב הפיזיקאים של החלקיקים בעולם מאמינים ש סופר סימטריה צריך להיות אמיתיים' (ההדגשות שלהם).

זה מוסיף לפנייתה של סוזי שסימטריה הקשורה לבוזונים ופרמיונים נחשבה זמן רב כבלתי אפשרית, כי נראה שהוכחה מתמטית אוסרת זאת. אבל שום הוכחה לא טובה מההנחות שלה. התברר שאם הנחות ההוכחה נרגעות, סופרסימטריה במקום זאת היא הסימטריה הגדולה ביותר שניתן להכיל בתיאוריות הקיימות. ואיך יכול להיות שהטבע לא יעשה שימוש ברעיון כל כך יפה?

מותאם מ אבודים במתמטיקה: איך היופי מוביל את הפיזיקה שולל מאת Sabine Hossenfelder, באישור מ-Basic Book, חותם של Perseus Books, LLC, חברת בת של Hachette Book Group, Inc. זכויות יוצרים © Sabine Hossenfelder, 2018.