ความสมมาตรรูปแบบใหม่เขย่าวงการฟิสิกส์

ไม่ใช่เรื่องเกินจริงที่จะกล่าวว่าความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางฟิสิกส์ตลอดกว่าศตวรรษได้เกิดขึ้นแล้ว การเปิดเผยเกี่ยวกับความสมมาตร. มันอยู่ที่นั่นในช่วงเริ่มต้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในการกำเนิดของ รุ่นมาตรฐานใน ตามล่าฮิกส์.

ด้วยเหตุผลดังกล่าว การวิจัยเกี่ยวกับฟิสิกส์จึงกำลังสร้างความสำเร็จ มันถูกแตะต้องโดยกระดาษปี 2014 “สมมาตรทั่วโลกทั่วไปซึ่งแสดงให้เห็นว่าสมมาตรที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 สามารถขยายให้กว้างขึ้นเพื่อใช้ในทฤษฎีสนามควอนตัม ซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีพื้นฐานที่นักฟิสิกส์ใช้อยู่ในปัจจุบัน

การปรับโครงสร้างใหม่นี้ซึ่งตกผลึกการทำงานก่อนหน้านี้ในพื้นที่ เผยให้เห็นว่าการสังเกตการณ์ที่แตกต่างกันที่นักฟิสิกส์ทำในช่วง 40 ปีที่ผ่านมาเป็นการแสดงให้เห็นถึงความสมมาตรที่ซุ่มซ่อนแบบเดียวกัน ในการทำเช่นนั้น มันสร้างหลักการจัดระเบียบที่นักฟิสิกส์สามารถใช้เพื่อจัดหมวดหมู่และทำความเข้าใจปรากฏการณ์ “นั่นเป็นจังหวะของอัจฉริยะจริงๆ” กล่าว นาธาเนียล เครกนักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตา บาร์บารา

หลักการที่ระบุในบทความนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ "ความสมมาตรที่สูงขึ้น" ชื่อนี้สะท้อนถึงวิธีที่สมมาตรใช้กับวัตถุที่มีมิติสูงกว่า เช่น เส้น แทนที่จะใช้วัตถุที่มีมิติต่ำกว่า เช่น อนุภาคที่จุดเดียวในอวกาศ ด้วยการตั้งชื่อและภาษาให้กับสมมาตร และโดยการระบุตำแหน่งที่เคยสังเกตมาก่อน กระดาษดังกล่าวกระตุ้นให้นักฟิสิกส์ค้นหาตำแหน่งอื่นที่อาจปรากฏขึ้น

นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์กำลังทำงานร่วมกันเพื่อคำนวณคณิตศาสตร์ของสมมาตรใหม่เหล่านี้ และในบางกรณี พวกเขาค้นพบว่าสมมาตรทำงานเหมือนถนนทางเดียว ซึ่งตรงกันข้ามกับสมมาตรอื่นๆ ทั้งหมดในฟิสิกส์ ในขณะเดียวกัน นักฟิสิกส์กำลังใช้สมมาตรเพื่ออธิบายคำถามที่หลากหลาย ตั้งแต่อัตราการสลายตัวของอนุภาคบางชนิดไปจนถึงการเปลี่ยนเฟสแบบใหม่ เช่น เอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วน

“ด้วยมุมมองที่แตกต่างออกไปเกี่ยวกับปัญหาทางกายภาพที่เป็นที่รู้จัก มันเพิ่งเปิดพื้นที่ใหม่ขนาดใหญ่” กล่าว ซากุระ เชฟเฟอร์-นาเมะกินักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด

เรื่องสมมาตร

เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใดเอกสารที่ชี้ให้เห็นความกว้างของความสมมาตรที่ซ่อนอยู่จึงสร้างผลกระทบอย่างใหญ่หลวงได้ ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจว่าความสมมาตรทำให้ชีวิตง่ายขึ้นสำหรับนักฟิสิกส์อย่างไร ความสมมาตรหมายถึงรายละเอียดที่ต้องติดตามน้อยลง นั่นเป็นความจริงไม่ว่าคุณกำลังทำฟิสิกส์พลังงานสูงหรือปูกระเบื้องห้องน้ำ

ความสมมาตรของกระเบื้องห้องน้ำคือความสมมาตรเชิงพื้นที่ แต่ละแผ่นสามารถหมุน พลิกคว่ำ หรือย้ายไปยังตำแหน่งใหม่ได้ สมมาตรเชิงพื้นที่มีบทบาทสำคัญในการทำให้ฟิสิกส์ง่ายขึ้นเช่นกัน พวกมันโดดเด่นในทฤษฎีอวกาศ-เวลาของไอน์สไตน์ และความจริงที่ว่าพวกมันเกี่ยวข้องกับจักรวาลของเรา หมายความว่านักฟิสิกส์มีสิ่งหนึ่งที่ต้องกังวลน้อยลง

“ถ้าคุณทำการทดลองในห้องแล็บและคุณหมุนเวียนมัน นั่นก็ไม่ควรเปลี่ยนคำตอบของคุณ” กล่าว นาธาน ซีเบิร์กนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งสถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์

สมมาตรที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ปัจจุบันนั้นบอบบางกว่าสมมาตรเชิงพื้นที่ แต่ก็มีความหมายเดียวกัน นั่นคือข้อจำกัดในวิธีที่คุณจะแปลงร่างบางสิ่งเพื่อให้แน่ใจว่ามันยังคงเหมือนเดิม

ในข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับยุคสมัยในปี 1915 นักคณิตศาสตร์ Emmy Noether ได้กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างสมมาตรและกฎการอนุรักษ์อย่างเป็นทางการ ตัวอย่างเช่น สมมาตรของเวลา — ไม่สำคัญว่าคุณจะทำการทดสอบในวันนี้หรือพรุ่งนี้ — ในทางคณิตศาสตร์หมายถึงกฎการอนุรักษ์พลังงาน สมมาตรแบบหมุนนำไปสู่กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

Seiberg กล่าวว่า "กฎการอนุรักษ์ทุกข้อเกี่ยวข้องกับสมมาตร และทุกสมมาตรเกี่ยวข้องกับกฎการอนุรักษ์" “เข้าใจดีและลึกซึ้งมาก”

นี่เป็นเพียงหนึ่งในวิธีที่สมมาตรช่วยให้นักฟิสิกส์เข้าใจจักรวาล

นักฟิสิกส์ต้องการสร้างอนุกรมวิธานของระบบทางกายภาพ โดยจำแนกสิ่งที่เหมือนกันกับสิ่งที่ชอบ เพื่อให้รู้ว่าเมื่อใดที่ข้อมูลเชิงลึกจากระบบหนึ่งสามารถนำไปใช้กับอีกระบบหนึ่งได้ ความสมมาตรเป็นหลักการจัดระเบียบที่ดี ระบบทั้งหมดที่มีความสมมาตรเหมือนกันจะไปอยู่ในบัคเก็ตเดียวกัน

นอกจากนี้ หากนักฟิสิกส์รู้ว่าระบบมีสมมาตรที่กำหนด พวกเขาสามารถหลีกเลี่ยงงานทางคณิตศาสตร์จำนวนมากในการอธิบายว่ามันทำงานอย่างไร สมมาตรจำกัดสถานะที่เป็นไปได้ของระบบ ซึ่งหมายความว่าจะจำกัดคำตอบที่เป็นไปได้ของสมการที่ซับซ้อนซึ่งเป็นลักษณะของระบบ

“โดยปกติแล้ว สมการสุ่มทางฟิสิกส์บางสมการจะแก้ไม่ได้ แต่ถ้าคุณมีสมมาตรมากพอ สมมาตรก็จะจำกัดคำตอบที่เป็นไปได้ คุณสามารถพูดได้ว่าคำตอบต้องเป็นสิ่งนี้เพราะมันเป็นสิ่งที่สมมาตรเท่านั้น” กล่าว ธีโอ จอห์นสัน-เฟรย์ด ของ Perimeter Institute for Theoretical Physics ในเมือง Waterloo ประเทศแคนาดา

ความสมมาตรบ่งบอกถึงความสง่างาม และการปรากฏตัวของพวกมันสามารถเห็นได้ชัดเจนเมื่อมองย้อนกลับไป แต่จนกว่านักฟิสิกส์จะระบุถึงอิทธิพลของพวกมัน ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องก็ยังคงแตกต่างกันได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับนักฟิสิกส์การสังเกตการณ์จำนวนหนึ่งที่เริ่มต้นขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1970

เขตข้อมูลและสตริง

กฎการอนุรักษ์และสมมาตรของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 ใช้อนุภาคคล้ายจุดเป็นวัตถุหลัก แต่ในทฤษฎีสนามควอนตัมสมัยใหม่ สนามควอนตัมเป็นวัตถุพื้นฐานที่สุด และ อนุภาคเป็นเพียงความผันผวนในสนามเหล่านี้. และภายในทฤษฎีเหล่านี้ บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องไปไกลกว่าจุดและอนุภาคเพื่อคิดถึงเส้นหนึ่งมิติหรือสตริง (ซึ่งมีแนวคิดแตกต่างจากสตริงในทฤษฎีสตริง)

ในปี 1973 นักฟิสิกส์ อธิบาย การทดลองที่เกี่ยวข้องกับการวางวัสดุตัวนำยิ่งยวดระหว่างขั้วของแม่เหล็ก พวกเขาสังเกตว่าเมื่อเพิ่มความแรงของสนามแม่เหล็ก อนุภาคจะเรียงตัวกันตามเกลียวของตัวนำยิ่งยวดหนึ่งมิติที่วิ่งระหว่างขั้วแม่เหล็ก

ในปีหน้า Kenneth Wilson ระบุสตริง — เส้นวิลสัน — ในการตั้งค่าของแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิก สตริงยังปรากฏในลักษณะที่แรงกระทำระหว่างควาร์ก ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่ประกอบกันเป็นโปรตอน แยกควาร์กออกจากแอนติควาร์ก และสายอักขระระหว่างพวกมันจะดึงพวกมันกลับมารวมกัน

ประเด็นก็คือว่าสตริงมีบทบาทสำคัญในหลาย ๆ ด้านของฟิสิกส์ ในเวลาเดียวกัน กฎการอนุรักษ์แบบดั้งเดิมและสมมาตรไม่ตรงกัน ซึ่งแสดงในรูปของอนุภาค

“สิ่งที่ทันสมัยคือการบอกว่าเราไม่ได้สนใจเฉพาะคุณสมบัติของคะแนนเท่านั้น เราสนใจในคุณสมบัติของเส้นหรือสตริง และอาจมีกฎหมายอนุรักษ์สำหรับพวกมันด้วย” Seiberg ผู้ร่วมเขียนรายงานปี 2014 กล่าวพร้อมกับ ดาวิเด้ ไกอ็อตโต ของสถาบันปริมณฑล แอนตัน คาปูสติน แห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย และไบรอัน วิลเล็ตต์ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ในขณะนั้น ซึ่งปัจจุบันเป็นนักวิจัยที่ NobleAI

เอกสารนี้นำเสนอวิธีการวัดประจุตามสายอักขระและกำหนดว่าประจุนั้นยังคงรักษาไว้เมื่อระบบวิวัฒนาการ เช่นเดียวกับที่ประจุทั้งหมดจะถูกสงวนไว้สำหรับอนุภาคเสมอ และทีมทำได้โดยหันความสนใจจากสตริงเอง

Seiberg และเพื่อนร่วมงานของเขาจินตนาการว่าสตริงหนึ่งมิติถูกล้อมรอบด้วยพื้นผิว ซึ่งเป็นระนาบสองมิติ เพื่อให้ดูเหมือนเส้นที่วาดบนแผ่นกระดาษ แทนที่จะวัดประจุตามเชือก พวกเขาอธิบายวิธีการวัดประจุทั้งหมดบนพื้นผิวรอบๆ เชือก

Schafer-Nameki กล่าวว่า "สิ่งใหม่จริงๆ คือคุณเน้นวัตถุที่มีประจุ และคุณนึกถึง [พื้นผิว] ที่ล้อมรอบวัตถุนั้น

ผู้เขียนทั้งสี่ได้พิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นกับพื้นผิวโดยรอบในขณะที่ระบบวิวัฒนาการ อาจบิดงอหรือบิดงอหรือเปลี่ยนจากพื้นผิวเรียบที่พวกเขาวัดในตอนแรก จากนั้นพวกเขาก็แสดงให้เห็นว่าแม้ในขณะที่พื้นผิวเปลี่ยนรูป ประจุไฟฟ้าทั้งหมดยังคงเท่าเดิม

นั่นคือ ถ้าคุณวัดประจุที่ทุกจุดบนกระดาษ แล้วบิดกระดาษแล้ววัดอีกครั้ง คุณจะได้ตัวเลขเดียวกัน คุณสามารถพูดได้ว่าประจุถูกสงวนไว้ตามพื้นผิว และเนื่องจากพื้นผิวถูกจัดทำดัชนีเป็นสตริง คุณจึงสามารถพูดได้ว่าประจุถูกสงวนไว้ตามสตริงเช่นกัน โดยไม่คำนึงว่าคุณเริ่มต้นด้วยสตริงประเภทใด

Seiberg กล่าวว่า "กลศาสตร์ของสายตัวนำยิ่งยวดและสายแรงสูงนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง แต่คณิตศาสตร์ของสายเหล่านี้และกฎการอนุรักษ์นั้นเหมือนกันทุกประการ" “นั่นคือความสวยงามของแนวคิดทั้งหมดนี้”

พื้นผิวที่เท่าเทียมกัน

ข้อเสนอแนะที่ว่าพื้นผิวยังคงเหมือนเดิม — มีประจุเท่าเดิม — แม้ว่ามันจะบิดเบี้ยวก็ตาม แนวคิดสะท้อนจากสาขาคณิตศาสตร์ของ โทโพโลยี. ในโทโพโลยี นักคณิตศาสตร์จำแนกพื้นผิวตามว่าพื้นผิวหนึ่งสามารถเปลี่ยนรูปร่างเป็นอีกพื้นผิวหนึ่งได้หรือไม่ จากมุมมองนี้ ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบและลูกบอลที่เอียงนั้นมีค่าเท่ากัน เนื่องจากคุณสามารถพองลูกบอลเพื่อให้ได้ทรงกลม แต่ลูกกลมกับยางในไม่ใช่ เพราะคุณต้องกรีดยางในเพื่อให้ได้ยางใน

Seiberg และผู้เขียนร่วมเขียนแนวคิดที่คล้ายกันเกี่ยวกับความสมมูลกับพื้นผิวรอบๆ สตริง และโดยการขยายทฤษฎีสนามควอนตัมภายในพื้นผิวเหล่านั้น พวกเขาอ้างถึงวิธีการวัดประจุบนพื้นผิวว่าเป็นตัวดำเนินการทอพอโลยี คำว่า "ทอพอโลยี" บ่งบอกถึงความรู้สึกของการมองข้ามการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยระหว่างพื้นผิวที่เรียบและพื้นผิวที่บิดเบี้ยว หากคุณวัดประจุไฟฟ้าแต่ละอันแล้วออกมาเหมือนกัน คุณจะรู้ว่าทั้งสองระบบสามารถเปลี่ยนรูปเข้าหากันได้อย่างราบรื่น

โทโพโลยีช่วยให้นักคณิตศาสตร์มองผ่านการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเพื่อมุ่งเน้นไปที่วิธีพื้นฐานที่รูปร่างต่างๆ เหมือนกัน ในทำนองเดียวกัน ความสมมาตรที่สูงขึ้นทำให้นักฟิสิกส์มีวิธีใหม่ในการจัดทำดัชนีระบบควอนตัม ผู้เขียนสรุป ระบบเหล่านั้นอาจดูแตกต่างอย่างสิ้นเชิง แต่ลึกๆ แล้วพวกเขาอาจปฏิบัติตามกฎเดียวกัน ความสมมาตรที่สูงขึ้นสามารถตรวจจับสิ่งนั้นได้ และด้วยการตรวจจับ มันช่วยให้นักฟิสิกส์รับความรู้เกี่ยวกับระบบควอนตัมที่เข้าใจได้ดีขึ้นและนำไปใช้กับผู้อื่นได้

“การพัฒนาความสมมาตรทั้งหมดนี้เหมือนกับการพัฒนาชุดหมายเลขประจำตัวสำหรับระบบควอนตัม” กล่าว ซูเหิงเชานักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัย Stony Brook “บางครั้งระบบควอนตัมสองระบบที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกันกลับมีชุดของสมมาตรที่เหมือนกัน ซึ่งแสดงว่าอาจเป็นระบบควอนตัมเดียวกัน”

แม้จะมีข้อมูลเชิงลึกที่สง่างามเหล่านี้เกี่ยวกับสตริงและสมมาตรในทฤษฎีสนามควอนตัม แต่บทความปี 2014 ก็ไม่ได้ระบุวิธีการนำไปใช้ที่น่าทึ่ง นักฟิสิกส์อาจหวังว่าจะสามารถตอบคำถามใหม่ๆ ด้วยสมมาตรแบบใหม่ได้ แต่ในขณะนั้น สมมาตรที่สูงขึ้นจะมีประโยชน์ทันทีในการอธิบายลักษณะเฉพาะของสิ่งที่นักฟิสิกส์รู้อยู่แล้ว Seiberg จำได้ว่ารู้สึกผิดหวังที่ไม่สามารถทำอะไรได้มากกว่านั้น

“ผมจำได้ว่าคิดไปต่างๆ นานาว่า 'เราต้องการแอปที่ฆ่าคนได้'" เขากล่าว

จากสมมาตรใหม่สู่คณิตศาสตร์ใหม่

ในการเขียนแอพนักฆ่า คุณต้องมีภาษาโปรแกรมที่ดี ในฟิสิกส์ คณิตศาสตร์คือภาษาที่อธิบายอย่างเป็นทางการและเคร่งครัดว่าสมมาตรทำงานร่วมกันอย่างไร นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบว่าสมมาตรที่สูงขึ้นสามารถแสดงในรูปของวัตถุที่เรียกว่ากลุ่มได้อย่างไร ซึ่งเป็นโครงสร้างทางคณิตศาสตร์หลักที่ใช้อธิบายความสมมาตร

กลุ่มเข้ารหัสวิธีทั้งหมดที่สามารถรวมสมมาตรของรูปร่างหรือระบบได้ กำหนดกฎสำหรับวิธีการทำงานของสมมาตรและบอกคุณว่าตำแหน่งใดที่ระบบสามารถลงเอยด้วยการแปลงสมมาตรต่อไปนี้ (และตำแหน่งหรือสถานะใดที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้)

งานเข้ารหัสกลุ่มจะแสดงในภาษาของพีชคณิต ในลักษณะเดียวกับลำดับความสำคัญเมื่อคุณแก้สมการพีชคณิต (การหาร 4 ด้วย 2 ไม่เหมือนกับการหาร 2 ด้วย 4) โครงสร้างพีชคณิตของกลุ่มแสดงให้เห็นว่าลำดับมีความสำคัญอย่างไรเมื่อคุณใช้การแปลงสมมาตร รวมถึง การหมุน

"การทำความเข้าใจเกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงพีชคณิตระหว่างการแปลงเป็นปูชนียบุคคลของแอปพลิเคชันใด ๆ " กล่าว เคลย์ คอร์โดวา ของมหาวิทยาลัยชิคาโก “คุณไม่สามารถเข้าใจได้ว่าโลกถูกจำกัดโดยการหมุนอย่างไร จนกว่าคุณจะเข้าใจว่า 'การหมุนคืออะไร'”

จากการตรวจสอบความสัมพันธ์เหล่านี้ ทีมที่แยกจากกัน XNUMX ทีม ทีมหนึ่งเกี่ยวข้องกับ Córdova และ Shao และอีกทีมหนึ่งมีนักวิจัยที่ Stony Brook และมหาวิทยาลัยโตเกียว ค้นพบว่าแม้ในระบบควอนตัมที่เหมือนจริง ยังมีความสมมาตรที่ไม่สามารถพลิกกลับได้ซึ่งไม่สอดคล้องกับโครงสร้างกลุ่ม ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ความสมมาตรที่สำคัญประเภทอื่นๆ ในฟิสิกส์เข้ากันได้ สมมาตรเหล่านี้ได้รับการอธิบายโดยวัตถุที่เกี่ยวข้องกันซึ่งเรียกว่าหมวดหมู่ซึ่งมีกฎที่ผ่อนคลายกว่าสำหรับการรวมสมมาตรเข้าด้วยกัน

ตัวอย่างเช่น ในกลุ่ม ทุกๆ สมมาตรจำเป็นต้องมีสมมาตรผกผัน ซึ่งเป็นการดำเนินการที่จะเลิกทำและส่งวัตถุที่ดำเนินการกลับไปยังจุดเริ่มต้น แต่ใน แยก เอกสาร เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว ทั้งสองกลุ่มแสดงให้เห็นว่าสมมาตรที่สูงขึ้นบางส่วนไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้ หมายความว่าเมื่อคุณนำไปใช้กับระบบ คุณจะไม่สามารถกลับไปที่จุดเริ่มต้นได้

ความไม่กลับด้านนี้สะท้อนถึงวิธีการที่สมมาตรที่สูงขึ้นสามารถเปลี่ยนระบบควอนตัมให้กลายเป็นการซ้อนทับของสถานะ ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะเป็นสองสิ่งพร้อมกัน จากจุดนั้นไม่มีทางกลับไปสู่ระบบเดิม เพื่อจับภาพวิธีที่ซับซ้อนกว่านี้ซึ่งสมมาตรที่สูงขึ้นและสมมาตรที่ไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้ นักวิจัยรวมถึงจอห์นสัน-เฟรย์ดได้พัฒนาวัตถุทางคณิตศาสตร์ใหม่ที่เรียกว่าหมวดหมู่ฟิวชันที่สูงขึ้น

"มันเป็นสิ่งประดิษฐ์ทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายถึงการหลอมรวมและการโต้ตอบของสมมาตรเหล่านี้ทั้งหมด" กอร์โดวากล่าว "มันบอกคุณถึงความเป็นไปได้ทางพีชคณิตทั้งหมดว่าพวกมันโต้ตอบกันได้อย่างไร"

หมวดหมู่ฟิวชันที่สูงขึ้นช่วยในการกำหนดสมมาตรที่ไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้ซึ่งเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ แต่จะไม่บอกคุณว่าสมมาตรใดมีประโยชน์ในสถานการณ์ทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจง พวกเขาสร้างพารามิเตอร์ของการตามล่าที่นักฟิสิกส์ลงมือ

“ในฐานะนักฟิสิกส์ สิ่งที่น่าตื่นเต้นคือฟิสิกส์ที่เราได้รับจากมัน มันไม่ควรเป็นเพียงคณิตศาสตร์เพื่อประโยชน์ของคณิตศาสตร์” Schafer-Nameki กล่าว

การสมัครล่วงหน้า

นักฟิสิกส์ยังประเมินกรณีเก่าอีกครั้งโดยพิจารณาจากหลักฐานใหม่

ตัวอย่างเช่น ในปี 1960 นักฟิสิกส์สังเกตเห็นความแตกต่างของอัตราการสลายตัวของอนุภาคที่เรียกว่า pion การคำนวณทางทฤษฎีบอกว่าควรเป็นอย่างหนึ่ง การสังเกตเชิงทดลองพูดอีกอย่าง ในปี พ.ศ. 1969 กระดาษสองแผ่น ดูเหมือนจะแก้ปัญหาความตึงเครียดด้วยการแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสนามควอนตัมซึ่งควบคุมการสลายตัวของ pion นั้นไม่ได้มีความสมมาตรอย่างที่นักฟิสิกส์คิดกัน หากปราศจากความสมมาตร ความคลาดเคลื่อนก็หายไป

แต่เมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา นักฟิสิกส์สามคน พิสูจน์แล้วว่า ว่าคำตัดสินในปี 1969 เป็นเพียงครึ่งเดียวของเรื่องราว ไม่ใช่แค่ความสมมาตรที่คาดคะเนไม่ได้อยู่ที่นั่น แต่เป็นความสมมาตรที่สูงขึ้น และเมื่อสมมาตรเหล่านั้นรวมอยู่ในภาพทางทฤษฎี อัตราการสลายตัวที่คาดการณ์และสังเกตได้ก็ตรงกันทุกประการ

Shao ผู้ร่วมเขียนบทความกล่าวว่า "เราสามารถตีความความลึกลับของการสลายตัวของ pion ใหม่ได้ ไม่ใช่ในแง่ของการไม่มีสมมาตร แต่ในแง่ของการมีอยู่ของสมมาตรชนิดใหม่" Shao ผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าว

การตรวจสอบซ้ำที่คล้ายกันเกิดขึ้นในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น การเปลี่ยนเฟสเกิดขึ้นเมื่อระบบทางกายภาพเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง ในระดับที่เป็นทางการ นักฟิสิกส์อธิบายการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นในแง่ของความสมมาตรที่ถูกทำลาย: ความสมมาตรที่อยู่ในเฟสหนึ่งจะไม่ใช้อีกต่อไปในเฟสถัดไป

แต่ไม่ใช่ทุกช่วงที่ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดโดยการแบ่งสมมาตร หนึ่งเรียกว่าเอฟเฟ็กต์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนเกี่ยวข้องกับการจัดโครงสร้างใหม่ของอิเล็กตรอน แต่ไม่มีความสมมาตรที่ชัดเจน สิ่งนี้ทำให้เป็นค่าผิดปกติที่อึดอัดในทฤษฎีการเปลี่ยนเฟส นั่นคือจนกระทั่งก กระดาษในปี 2018 by เซียวกังเหวิน จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้ช่วยพิสูจน์ว่าเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์นั้นทำลายสมมาตรจริง ๆ แล้ว ไม่ใช่แค่แบบธรรมดาเท่านั้น

"คุณสามารถคิดว่า [มัน] เป็นการทำลายความสมมาตรได้หากคุณสรุปแนวคิดเรื่องความสมมาตร" กล่าว อาชวิน วิชวินาถ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด

การประยุกต์ใช้ความสมมาตรที่สูงขึ้นและไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้ในยุคแรก ๆ เหล่านี้กับอัตราการสลายตัวของ pion และเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนนั้นค่อนข้างเรียบง่ายเมื่อเทียบกับที่นักฟิสิกส์คาดการณ์ไว้

ในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น นักวิจัยหวังว่าความสมมาตรที่สูงขึ้นและไม่สามารถกลับด้านได้จะช่วยให้พวกเขาทำงานพื้นฐานของ การระบุและจำแนกขั้นตอนที่เป็นไปได้ทั้งหมดของสสาร. และในฟิสิกส์ของอนุภาค นักวิจัยกำลังมองหาความสมมาตรที่สูงขึ้นเพื่อช่วยหนึ่งในคำถามเปิดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดข้อหนึ่ง: หลักการใดที่จัดระเบียบฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน

“ฉันต้องการดึงแบบจำลองมาตรฐานจากทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สอดคล้องกัน และสมมาตรเหล่านี้มีบทบาทสำคัญ” กล่าว เมียร์แจม เซเวติก ของมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย

จะใช้เวลาสักครู่ในการปรับทิศทางฟิสิกส์ใหม่ทั้งหมดรอบ ๆ ความเข้าใจที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับสมมาตรและแนวคิดที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้ระบบเหมือนกัน นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์จำนวนมากที่เข้าร่วมในความพยายามนี้แนะนำว่าพวกเขาคิดว่ามันคุ้มค่า

“ผมยังไม่เห็นผลลัพธ์ที่น่าตกใจที่เราไม่รู้มาก่อน แต่ผมไม่สงสัยเลยว่ามันน่าจะเกิดขึ้น เพราะนี่เป็นวิธีที่ดีกว่ามากในการคิดเกี่ยวกับปัญหา” Seiberg กล่าว