Μια ανασκόπηση των ιδεών της συμμετρίας

Άρθρο, 2001

Η συμμετρία αποτελεί θεμελιώδη ιδέα της Φυσικής. Γενικά, οι νόμοι της Φυσικής, εμπεριέχουν εντυπωσιακές συμμετρίες. Για παράδειγμα, οι βασικές εξισώσεις της κινηματικής είναι συμμετρικές ως προς τον χρόνο. Έτσι βλέπουμε οι εξισώσεις της κινηματικής να είναι το ίδιο αποτελεσματικές είτε έχουμε θετικούς χρόνους είτε αρνητικούς χρόνους (χρονική συμμετρία). Σύμφωνα με το θεώρημα του Noether, κάθε συμμετρία συνεπάγεται την ύπαρξη κάποιου μετρήσιμου μεγέθους που παραμένει σταθερό (νόμος διατήρησης του αντίστοιχου μεγέθους).

Στον μικρόκοσμο, παρατηρούνται αρκετές συμμετρίες: Έτσι, οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων είναι συμμετρικές ως προς τη μετατόπιση τους ως προς τον χρόνο και χώρο. Σαν συνέπεια αυτών των δύο συμμετριών έχουμε τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής, αντίστοιχα.

Η τρίτη συμμετρία έχει να κάνει με τον προσανατολισμό στο χώρο. Οι αλληλεπιδράσεις δεν εξαρτώνται από την διεύθυνση των σωματιδίων. Από αυτή τη συμμετρία προέρχεται η διατήρηση της στροφορμής του συστήματος ως προς τον χρόνο. Και τέλος υπάρχει μιά συμμετρία από την οποία προέρχεται η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου.

Στο επίπεδο του  νόμου της βαρύτητας του Νεύτωνα, αλλά και στο επίπεδο των ατόμων είναι γνωστή η συμμετρία ως προς τις στροφές. Η συμμετρία αυτή υποδηλώνει ότι η εξέλιξη με το χρόνο ενός απομονωμένου συστήματος δεν εξαρτάται από τον αρχικό του προσανατολισμό στο χώρο, με αποτέλεσμα να μην υπάρχουν απόλυτες κατευθύνσεις αλλά σχετικές.

Άλλες συμμετρίες γίνονται αντιληπτές με γεωμετρικούς όρους. Ένα σωματίδιο που περιστρέφεται μπροστά σ' ένα καθρέπτη αριστερόστροφα, το είδωλο του περιστρέφεται δεξιόστροφα (χωρική συμμετρία).

Και το σωματίδιο  και το είδωλο του, συμπεριφέρονται με τρόπους επιτρεπτούς με τους νόμους της Φυσικής, που είναι συμμετρικοί μ' αυτή την έννοια. Δηλαδή το είδωλο στον καθρέπτη περιστρέφεται όπως το σωματίδιο αν είχε αντιστραφεί ο χρόνος. Αν όμως αντιστραφεί ο χρόνος και πάρουμε το είδωλο στον καθρέπτη τότε το είδωλο περιστρέφεται όπως το αρχικό. Επανερχώμαστε λοιπόν εκεί που ξεκινήσαμε, με τις δύο αντιστροφές.

Άλλο παράδειγμα έχουμε στον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, αν κάνουμε κατοπτρική ανάκλαση, η δύναμη και η επιτάχυνση αλλάζουν κατεύθυνση κατά τον ίδιο τρόπο. Έτσι ο νόμος του Νεύτωνα παραμένει αναλλοίωτος σ' αυτή την αλλαγή.

Υπάρχει και η συμμετρία του σωματιδίου και αντι-σωματιδίου. Επί παραδείγματι η συμμετρία ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου, όπου το ένα  μπορεί να θεωρηθεί το συζυγές του άλλου, στον αντεστραμμένο χρόνο.

Στην κλασική Φυσική λοιπόν, αλλά και στην Κβαντική Μηχανική αργότερα το αναλλοίωτο του χώρου και του χρόνου ήταν βασικές αρχές.

Οι συμμετρίες της ομοτιμίας (P), συζυγίας φορτίου (C) και αντιστροφής του χρόνου (Τ)

Στο χώρο των σωματιδίων, υπάρχουν τρείς κύριες συμμετρίες. Ο κατοπτρισμός ως προς τον χρόνο T (Τime Reversal), ο κατοπτρισμός ως προς το χώρο (Space Inversion), που λέγεται ομοτιμία P (Parity) και τέλος ο κατοπτρισμός ως προς το φορτίο C (Charge Conjugation). Και οι τρείς λέγονται με μία λέξη CPT.

Το νόμο της διατήρησης της ομοτιμίας (parity) είχε ανακαλύψει ο Eugene Wigner  την δεκαετία του 1930 κι έγινε αναπόσπαστο μέρος της Κβαντικής Φυσικής. Η ομοτιμία P που δεν συναντάται στην κλασσική Φυσική, περιγράφει δύο τιμές που μπορεί να πάρει ένα σωμάτιο. Την άρτια και την περιττή. Και η διατήρηση της κράτησε μέχρι το 1956.

Το αναλλοίωτο των φυσικών νόμων ως προς την συζυγία του ηλεκτρικού φορτίου, είναι κάτι το αποδεδειγμένο στην Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Καμιά αλλαγή δεν παρατηρείται στην κίνηση ενός φορτίου αν αλλάξει το πρόσημο του και ταυτόχρονα η διεύθυνση του ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο κινείται. Οι φυσικοί νόμοι παρουσιάζονται να είναι  αναλλοίωτοι στην αλλαγή των προσήμων όλων των φορτίων. Κι αυτό αναφέρεται σαν συζυγία φορτίου. Η συζυγία αυτή έχει ισχύ γιά όλες τις αλληλεπιδράσεις εκτός των ασθενών αλληλεπιδράσεων όπως έγινε και στην περίπτωση της ομοτιμίας. Γιατί η μη ισχύς της συμμετρίας της ομοτιμίας συνεπάγεται ταυτόχρονα  στις ίδιες ασθενείς αλληλεπιδράσεις και τη μη ισχύ της συμμετρίας του φορτίου. 

Η συμμετρία του χρόνου προέκυψε από την ιδέα του μη επηρεασμού της κατεύθυνσης του χρόνου, για τα σωματίδια.

Ο Φυσικός E.Wigner κέρδισε το βραβείο Nobel για την Φυσική το 1963. Κέρδισε το βραβείο για πολλές εργασίες του μεταξύ των οποίων και για την διατήρηση της ομοτιμίας.

Ένα σπουδαίο θεώρημα της Φυσικής, το CPT, λέει ότι οι νόμοι της Φυσικής πρέπει να παραμένουν ανεπηρέαστοι (αναλλοίωτοι) από την αλλαγή και των τριών συμμετριών με των αντιστοίχων σωματιδίων. Επί παραδείγματι, στο θεώρημα αυτό στηρίζεται η ιδέα ότι η εκπομπή ενός σωματιδίου είναι απολύτως ισοδύναμη με την απορρόφηση, του συζυγές του αντι-σωματιδίου.
Το 1956 όμως δύο Αμερικανοί Φυσικοί, ο Lee και ο Yang, υπέθεσαν ότι η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση δεν υπακούει στη συμμετρία Ρ, γιατί το σωματίδιο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης μποζόνιο W, έχει μάζα και φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι η ασθενής αλληλεπίδραση ανάγκασε το Σύμπαν να εξελιχθεί διαφορετικά απ'ό,τι θα εξελίσσονταν το κατοπτρικό του Σύμπαν. Την θεωρία αυτή, την επιβεβαίωσε πειραματικά και η συνεργάτιδα τους κυρία Wu το 1957, στην διάσπαση βήτα.
Ανακαλύφθηκε επίσης ότι η ασθενής αλληλεπίδραση δεν υπακούει και στην συμμετρία C. Αυτό σημαίνει ότι ένα Σύμπαν με αντισωματίδια εξελίσσεται διαφορετικά από το δικό μας.
Οι Φυσικοί όμως πίστευαν ότι θα μπορούσε η ασθενής αλληλεπίδραση, να υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, παρόλο που και οι δύο συμμετρίες δεν ισχύουν. Τα πειράματα όμως έδειξαν ότι δεν ισχύει αυτή η συνδυασμένη συμμετρία.

Συμμετρία ως προς τον χρόνο

Μέχρι το 1964, οι Φυσικοί πίστευαν ότι σε όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα οι δύο κατευθύνσεις του χρόνου είναι απολύτως ισοδύναμες. Έτσι, έπεσε κεραυνός εν αιθρία όταν δύο άλλοι Αμερικανοί Φυσικοί, ο J.Cronin και ο Val Fitch ανακάλυψαν ότι, κατά τη διάσπαση κάποιων σωματιδίων που ονομάζονται Κ-μεσόνια, ακόμη και αυτή η συνδυασμένη συμμετρία CP έπαυε να ισχύει. Και μάλιστα αυτό συνεπάγεται συγχρόνως την παραβίαση, σε όρισμένες σπάνιες περιπτώσεις, και της αντιστροφής του χρόνου.
Σύμφωνα με κάποιο μαθηματικό θεώρημα κάθε θεωρία που υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας πρέπει επίσης να υπακούει στην συνδυασμένη συμμετρία CPT.  Δηλαδή, το Σύμπαν πρέπει να εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο αν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδια τους, πάρουμε το κατοπτρικό του Σύμπαν και αντιστρέψουμε τον χρόνο.
Ο Cronin και Fitch έδειξαν ότι αν κάνουμε τις δύο πρώτες αντιστροφές C και P κι όχι την αντιστροφή του χρόνου, το Σύμπαν δεν εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο. Η αντιστροφή του χρόνου πρέπει να αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης!. Το Σύμπαν που υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία  CPT, αφού δεν υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, δεν πρέπει να υπακούει και στη συμμετρία Τ.

Και οι δύο προαναφερθέντες ομάδες Φυσικών πήραν το βραβείο Nobel για αυτές τις ανακαλύψεις τους. Το 1957 για την παραβίαση της P συμμετρίας οι Lee και Yang και το 1980 οι Cronin και Fitch για την παραβίαση της συμμετρίας CP στα Κ-μεσόνια.

Το συμπέρασμα για το διαστελλόμενο Σύμπαν είναι ότι αν αντιστρέψουμε την κατεύθυνση του χρόνου, τότε το Σύμπαν δεν διαστέλλεται πιά αλλά συστέλλεται. Και αφού η αντιστροφή του χρόνου αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης, συμπεραίνουμε ότι αυτοί οι νόμοι μπορεί να είναι η αιτία που μετατρέπονται τα περισσότερα αντι-ηλεκτρόνια σε quarks απ΄όσα ηλεκτρόνια σε αντι-quarks.