Граматика језика природе

Зашто „физичари гоне симетрију као што луталице у пустињи гоне привиђење које измиче”? Какву то недокучиву тајну она скрива? Трагајући за одгонетком на наведена и још неколика питања, обратили смо се проф. др Немањи Калоперу са Калифорнијског универзитета у Дејвису (САД), једном од највећих светских космолога. Наш саговорник је 1987. дипломирао у Новом Саду и одмах се отиснуо у свет. Пет година доцније докторирао је у САД, предавао на неколико америчких и канадских универзитета, извесно време провео у ЦЕРН-у (Европски центар за нуклеарна истраживања), а од 2002. се скрасио на угледном Калифорнијском универзитету у Дејвису. Објавио је више од 90 научних радова (преко 4.700 пута цитирани), један је од зачетника физике и космологије светова-мембрана (постоје у бесконачно великим додатним димензијама простора) и творац теорије веома лаких честица аксиона (кандидати за објашњење порекла тамне енергије и тамне материје).

Кад се не бави физиком, како каже, време проводи забављајући породицу – супругу Мирославу, једанаестогодишњег сина Стефана Немању и деветогодишњу кћерку Софију Исидору. А први одговор гласи:

„Симетрије у физици обележавају појаве да физички системи не зависе од услова посматрања и стања посматрача. Значи, ако различити посматрачи проучавају неки физички систем под врло различитим условима, они ће утврдити потпуно исте особине система, без обзира на промене у детаљима посматрања и мерења. Последице симетрија су правилности у понашању физичког система, као рецимо закони одржања одређених величина или понављање копија елементарних честица у природи. Симетрије због тога играју улогу ’организационог принципа’ истраживања, који омогућује истраживачу да постави једноставне и јасне правце испитивања. Стога, уколико симетрије владају физичким процесом, физичар може да игнорише огроман број небитних детаља и брже и ефикасније препозна основне аспекте физичких закона.

Укратко, симетрије чине физички закон препознатљивим и лакшим за откривање и формулисање.
Симетрије дозвољавају да се основни закони физике могу срочити кратко и јасно. Можда је њихова основна и нама још недокучива тајна да су нешто налик ’граматичким правилима’ језика природе.”

Ако је у првим тренуцима постања („Велики прасак”) владала суперсиметрија, када је и куда она ишчезла?

Суперсиметрија је идеја да се фундаменталне честице у природи појављују „спарене” по спину. Спин је особина основних елемената квантно-механичке материје и уопштава појам угаоне количине кретања класичне механике (чије је очување, рецимо, фундаментални закон класичне физике, и познат је било ком гледаоцу клизачких такмичења као појава да ако клизачица привлачи руке ка телу почиње да се врти све брже). Сићушне честице, подвргнуте Лоренцовој (нобеловац Хендрик Лоренц) симетрији, имају фундаментални „моменат обртања” који, опет због Лоренцове симетрије, може само да буде половина неког целог броја.

Тако, рецимо, за кванте светлости, фотоне, спин је јединица, док је за кванте материје, електроне и кваркове, спин једна половина. Честице различитог спина имају веома различите фундаменталне особине, а суперсиметрија је заснована на претпоставци да је та „спинска дискриминација” неприродна и да све честице имају своје спинске партнере – рецимо, уз фотон долази фотино, са спином од једне половине, а електрони су спарени са селектронима, чији је спин нула.

Разлог за увођење суперсиметрије је драматично поједностављење описа међуделовања између фундаменталних честица у природи и, можда, могућности лакшег уједињења свих основних природних сила, укључујући гравитацију. Конкретно, суперсиметрија је начин да се разуме измерена дихотомија између фундаменталних константи спреге које мере снагу различитих сила и, такође, зашто је гравитација слабија од електромагнетне силе за целих 36 редова величине.

Међутим до сада немамо директан доказ да је суперсиметрија један од темеља света. Значи, ако она заиста постоји, врло је добро скривена од свих досадашњих покушаја мерења директних последица. Другим речима, суперсиметрија мора бити нарушена на неки начин, тако да су сви спински партнери нормалне материје превише тешки и, стога, енергетски недоступни досадашњим директним потрагама. Они су, можда, део тамне материје у свемиру… Но, то још не знамо. Шансе да научимо више помоћу Великог хадронског сударача (ЛХЦ) у Женеви, изванредне су. Потребно је још мало времена и стрпљења.

Да ли је начело (принцип) симетрије свеважеће у свеколиком космосу?

То је врло дубоко питање на које није лако дати кратак и једноставан одговор. Ми не знамо колико је појава симетрија универзална. Оно што знамо, међутим, јесте да су досадање парадигматске промене у физици увек биле зацртане формулацијом новог вида симетрије који би надрастао пређашњу верзију, употпуњујући је и дефинишући нове појаве и нове правце истраживања.
Значи, принцип симетрије се до сада показао као неизмерно драгоцен појам у истраживању природе, јер смо без симетрија готово беспомоћни да препознамо законе природе. Слично некоме ко је затворен у попуно мрачној и утишаној просторији, без могућности да предвиди да ли му је излаз испред носа или километрима далеко… Да ли је идеја симетрије свеважећа или није, не можемо да просудимо. Но, у нашем је интересу да нађемо што је више могуће различитих симетрија и њихових последица.

Шта то онемогућује да симетрија и асиметрија постоје једна независно од друге?

Симетрија је прецизно дефинисан појам који обележава правилности у понашању физичког система. Асиметрија је, сама по себи, мање прецизно дефинисан термин, и постаје користан појам тек када се под њиме подразумева „недостатак симетрије”. У том смислу, симетрија и асиметрија су логичке супротности, и зато нераздвојиве.

У каквој су тајној спрези симетрија и асиметрија?

Сама по себи идеја „асиметрије” није нарочито корисна. У склопу са симетријом, она може да постане корисна ако се њоме означава недостатак очекиване симетрије. Рецимо, у случају да се примети да енергија неког система није очувана, а тај закон очувања очекујемо због симетрије временске независности (независност стања система од тренутка посматрања), могли бисмо да закључимо да је та симетрија нарушена на наки начин. Конкретно, претпоставка би била да смо у прегледу система превидели неко његово међудејство са околином, због кога би систем могао да мења енергију. Или, рецимо, у устројству Стандардног модела физике елементарних честица, имамо пример нарушене симетрије такозваног слабог сектора.

Наиме, успешни модели међуделовања елементарних састојака материје засновани су на изменама фундаменталних бозона, сличних квантима светлости, фотонима, који су описани такозваним локалним калибрационим теоријама. У овим теоријама међудејства се контролишу локалним симетријама фазних помака, који уопштавају стандардну фазну симетрију у квантној механици. Ако су такве локалне симетрије егзактне, бозони чијом се разменом обавља међудејство, морају да буду релативистички, без масе мировања, и стога би међудејства која они изазивају била неограниченог домета.

Међутим, ми знамо да су „слабе” силе врло кратког домета, и не простиру се даље од нуклеарног језгра. Стога, бозони који их преносе морају бити тешки и „лењи”. Зато су слабе фазне симетрије спонтано нарушене, уз помоћ хипотетичке Хигс честице, која се кондензује у вакууму слично као водена пара на хладној чаши у летњој башти. Хигсов кондензат нарушава симетрије и чини бозоне међуделовања тешким.

Важи ли то, можда, у свету кваркова – састојака протона и неутрона – у које научници ни најмоћнијим увећањем нису продрли?

Наравно. Мада Хигсову честицу нисмо још открили директно, очекујемо да ћемо у ЛХЦ-у наћи њу или неки компликованији сектор који игра сличну улогу.

Из којих разлога све основне честице немају своје парњаке – античестице? Како се то објашњава?

Све честице имају своје античестице. То је директна потврда специјалне теорије релативности и релативистичке Лоренцове симетрије, спрегнуте с квантном механиком. Једино се неке античестице не разликују од честица! Рецимо, кванти светлости фотони су сами себи античестице, јер немају никаквих интринсички очуваних величина које их описују, као рецимо маса мировања, наелектрисање и тако даље. Зато два једнака фотона могу, на веома високим енергијама, да међуделују и нестану, производећи друге честице исте укупне енергије (што диктира релативистичка Лоренцова симетрија). За разлику од њих, електрони имају своју античестицу која је различита, пошто имају наелектрисање. Да би електрон, с негативним наелектрисањем, могао да нестане приликом међуделовања, он мора да се судари са честицом потпуно исте масе али позитивног наелектрисања и супротног спина. Тај „супротни” електрон је позитрон, и анихилирајући са њиме електрон може да произведе радијацију.

Колико видова симетрије се среће у природи?

Колико год нам падне на памет. Шалу на страну, корисна класификација симетрија у фундаменталној физици је на просторно-временске (као релативистичка симетрија или суперсиметрија) – које кажу да еволуција система не зависи од стања посматрача и као последицу дају законе одржања екстензивних карактеристика система (енергије, момента количине кретања и тако даље) и унутрашње (рецимо, фазне симетрије квантне механике) – које говоре о конкретним структурним особинама система.

Потоње могу бити глобалне, где су фазни помераји свуда исти, и помоћу којих се објашњавају репликације неких честица, као рецимо изоспинска (приближна) симетрија, или локалне, где су фазни помаци различити на различитим местима и у различитим тренуцима, којима се описују међуделовања између честица, као рецимо електромагнетизам или гравитација. Уопштено говорећи, све конкретне симетрије које користимо у физици налазе своје место у овој класификацији.

Какве би последице проистекле без симетрије у времену? Да ли би исти узроци имали данас једне, а сутра друге?

Без симетрије временске транслације не бисмо имали закон одржања енергије. Значи, могло би се десити да лонац хладне воде спонтано прокипи на угашеном штедњаку! Такав свет би био врло чудан, непредвидљив. Једна од последица би била да исти узроци имају различите последице…
Срећа је што наш свет није такав, јер без временске симетрије тешко да бисмо уочили моћ научног метода!

Због чега је симетрија толико угодна оку да јој ствараоци неодустајно стреме (Гете)?

Зато што поједностављује! Симетричне структуре су једноставне и лако разумљиве, и представљају сигурну, поновљиву, референтну тачку, као путоказ разума у тами незнања.

(Из додатка НИТ - број 1)