ปริศนาแห่งสมมาตรยิ่งยวดและพลังที่ซ่อนเร้นของสมมาตร

ฟิสิกส์สมัยใหม่มีลักษณะบางอย่าง การตรึงด้วยความสมมาตร ซึ่งเป็นสิ่งที่น่าทึ่งสำหรับทุกคนที่ได้สัมผัสกับหัวข้อนี้แม้เพียงเล็กน้อย ไม่ว่าคุณจะพูดถึงอนุภาคย่อยอะตอม กาแล็กซี หรือแม้แต่ไวน์สักแก้ว นักฟิสิกส์ก็หวนกลับมาพิจารณาความสมมาตรครั้งแล้วครั้งเล่า ราวกับว่ามันเป็นเข็มทิศในการทำความเข้าใจจักรวาล และพูดตามตรง มันก็เป็นเช่นนั้น มักมีการกล่าวกันเล่นๆ ว่า ถ้าเราเข้าใจจักรวาลอย่างแท้จริง ความสมมาตรมาจากไหน? เราอาจสามารถถอดรหัสความลับที่ลึกที่สุดของความเป็นจริงได้ เบื้องหลังวลีนั้นมีความหมายที่สำคัญมาก: กฎส่วนใหญ่ที่ควบคุมจักรวาล ตั้งแต่การอนุรักษ์พลังงานไปจนถึงสมมติฐานเกี่ยวกับสสารมืด ล้วนเขียนขึ้นในภาษาของสมมาตร และก้าวไปอีกขั้นคือภาษาของซูเปอร์สมมาตร

ในทางฟิสิกส์ เราหมายถึงอะไรเมื่อพูดถึงสมมาตร?

ในภาษาพูดทั่วไป เมื่อเราพูดถึงความสมมาตร เรามักนึกถึงบางสิ่งบางอย่าง สวยงามและสมดุล เหมือนกับร่างกายมนุษย์หากเราไม่คำนึงถึงไฝ รอยแผลเป็น และความไม่สมบูรณ์เล็กน้อย ด้านซ้ายและด้านขวาของเราดูคล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่ง หากคุณวางกล้องไว้หน้ากระจกและจัดเฟรมภาพให้ถูกต้อง ภาพสะท้อนของคุณและภาพถ่ายโดยตรงของคุณจะแทบแยกไม่ออก กระจกกำลังทำหน้าที่เฉพาะอย่างหนึ่ง คือ มันสลับด้านซ้ายและด้านขวา แต่ผลลัพธ์กลับดูเหมือนกัน อีกตัวอย่างหนึ่งในชีวิตประจำวันคือแก้วไวน์ที่ทำอย่างดี หากคุณวางมันบนโต๊ะและหมุนมันรอบแกนตั้ง รูปลักษณ์ภายนอกยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าจะหมุนไปในมุมใดก็ตาม หากมีคนเข้ามาในห้อง พลิกแก้ว แล้วคุณกลับมาในภายหลัง คุณจะไม่สามารถบอกได้ว่าแก้วถูกหมุนหรือไม่เพียงแค่ดูด้วยตาเปล่า ระบบนั้นสำหรับผู้สังเกตการณ์ยังคงเหมือนเดิมทั้งก่อนและหลังการหมุน ในทางฟิสิกส์ ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการกำหนดเป็นทางการโดยการกล่าวว่า สมมาตรคือการดำเนินการที่เมื่อนำไปใช้กับระบบแล้ว มันไม่ได้เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติพื้นฐานของมันในกรณีแรก เราพูดถึงสมมาตรแบบพาริตี (การสลับซ้ายขวา) ในกรณีที่สองคือสมมาตรแบบทรงกระบอกหรือแบบหมุน เคล็ดลับอยู่ที่การระบุว่าการแปลงแบบใด “ไม่เป็นอันตราย” กล่าวคือ การแปลงแบบใดที่ทำให้สมการที่อธิบายระบบยังคงเหมือนเดิม แนวคิดนี้ไปไกลกว่าแค่การมองเห็น สมมาตรในนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ยังถูกกล่าวถึงเมื่อหลังจากทำการแปลงบางอย่าง (ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนตัวแปรเป็นค่าลบหรือการหมุนระบบพิกัด) สูตรที่ได้ตรงกับสูตรเดิมในคณิตศาสตร์สมัยใหม่ สมมาตรถูกอธิบายด้วยโครงสร้างที่ซับซ้อนมาก (กลุ่ม การแทน การพีชคณิตลี ฯลฯ) ซึ่งกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับนักฟิสิกส์ การตรวจจับสมมาตรไม่ใช่เรื่องของความสวยงาม แต่เป็นวิธีการที่จะรู้ว่าเราสามารถดำเนินการใดกับระบบได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ที่สังเกตได้ ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้ช่วยลดความซับซ้อนของปัญหาลงอย่างมาก เพราะ นั่นทำให้ตัดความเป็นไปได้หลายอย่างออกไปได้ทันที ซึ่งจะไม่สอดคล้องกับความสมมาตรนั้น

เหตุใดความสมมาตรจึงมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์สมัยใหม่

ลองจินตนาการว่าคุณต้องการสร้างทฤษฎีทางฟิสิกส์สำหรับโลกที่เป็นทรงกลมสมบูรณ์แบบ โดยสัญชาตญาณแล้ว คุณรู้ว่าการหมุนทรงกลมนั้นในรูปแบบใดก็ตามจะไม่ทำให้ทุกสิ่งทุกอย่างเปลี่ยนแปลงไป ไม่มีจุดพิเศษใด ๆถ้าหากกฎทางฟิสิกส์ขึ้นอยู่กับตำแหน่งเฉพาะบนทรงกลม คุณจะสามารถแยกแยะจุดหนึ่งจากอีกจุดหนึ่งได้ด้วยการทดลอง และสมมาตรก็จะพังทลายลง ดังนั้น สมการที่คุณเขียนจึงไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างจุดได้ สมการเหล่านั้นต้องเคารพสมมาตรนี้ การให้เหตุผลแบบนี้แทรกซึมอยู่ในฟิสิกส์สมัยใหม่ทั้งหมด แบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งอธิบายอนุภาคพื้นฐานและการปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน (ยกเว้นแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิก) ถูกสร้างขึ้นบนหลักการนี้อย่างแท้จริง บนเซตของสมมาตรนามธรรม สมมาตรเหล่านี้เชื่อมโยงอนุภาคเข้าด้วยกันและจำกัดวิธีการที่พวกมันสามารถมีปฏิสัมพันธ์กันได้ สมมาตรเหล่านี้ไม่ได้ถูกเพิ่มเข้ามาในภายหลังเพื่อตกแต่งทฤษฎี แต่เป็นโครงสร้างหลักของแบบจำลองต่างหาก สิ่งที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ใช้สมมาตรที่แตกต่างกัน ทฤษฎีของไอน์สไตน์ตั้งอยู่บนแนวคิดที่ว่ากฎทางฟิสิกส์จะต้องใช้ได้ในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ได้อย่างสมเหตุสมผล ซึ่งแปลได้ว่า ความไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงกาลอวกาศบางอย่างอีกครั้งหนึ่ง ความสมมาตรไม่ใช่แค่สิ่งน่าสนใจ แต่เป็นข้อกำหนดสำหรับความสอดคล้อง ในการทำงานประจำวันของนักฟิสิกส์ สิ่งนี้แปลออกมาเป็นคติประจำใจอย่างหนึ่งว่า “ไม่ใช่ทุกอย่างจะใช้ได้” ความสมมาตรทำหน้าที่เป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการทิ้งทฤษฎีที่เป็นไปได้และในการออกแบบทฤษฎีใหม่ ข้อเสนอมากมายในฟิสิกส์นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ตั้งแต่ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ไปจนถึงแบบจำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัม เกิดขึ้นจากการเรียกร้องความสมมาตรมากขึ้น หรือจากการทำลายความสมมาตรเหล่านั้นในวิธีที่ควบคุมได้เป็นอย่างดี

ทฤษฎีบทของโนเธอร์: สะพานเชื่อมระหว่างสมมาตรและการอนุรักษ์

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน เอ็มมี เนอเธอร์ ได้คิดค้นผลลัพธ์ที่หลายคนพิจารณาว่ามีความสำคัญอย่างยิ่ง หนึ่งในผลงานชิ้นเอกที่ลึกซึ้งที่สุดของฟิสิกส์เชิงทฤษฎีทฤษฎีบทของเขาสร้างความเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างสมมาตรและปริมาณอนุรักษ์ กล่าวโดยง่ายคือ เมื่อใดก็ตามที่ทฤษฎีมีสมมาตรต่อเนื่อง ปริมาณที่คงที่ตลอดเวลาจะปรากฏขึ้นควบคู่ไปด้วย ตัวอย่างเช่น การอนุรักษ์พลังงานมีความเกี่ยวข้องกับ… ความสมมาตรเมื่อเทียบกับการกระจัดในเวลาหากกฎทางฟิสิกส์ไม่เปลี่ยนแปลงจากวันหนึ่งไปอีกวันหนึ่ง (กล่าวคือ เหมือนกันในวันนี้กับพรุ่งนี้) พลังงานรวมของระบบที่แยกตัวอยู่ก็จะได้รับการอนุรักษ์ การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นเกี่ยวข้องกับสมมาตรการเลื่อนในอวกาศ: หากการเคลื่อนย้ายการทดลองทั้งหมดเพียงไม่กี่เมตรไม่ทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนแปลง โมเมนตัมก็จะคงที่ สิ่งที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นกับโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งเชื่อมโยงกับ… สมมาตรแบบหมุนถ้าการหมุนระบบทั้งหมดไม่ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพเปลี่ยนแปลงไป โมเมนตัมเชิงมุมรวมก็จะคงที่ และเป็นเช่นเดียวกันกับปริมาณอนุรักษ์อื่นๆ เช่น ประจุไฟฟ้า ซึ่งสอดคล้องกับสมมาตรภายในที่ซับซ้อนกว่า สิ่งที่น่าทึ่งเกี่ยวกับทฤษฎีบทของโนเธอร์ก็คือ มันช่วยให้เราสามารถดึงข้อมูลที่มีประสิทธิภาพจากทฤษฎีได้โดยไม่ต้องแก้สมการทั้งหมด เพียงแค่ระบุสมมาตรก็เพียงพอที่จะรู้ว่าปริมาณใดบ้างที่ไม่เปลี่ยนแปลง เทคนิคนี้ใช้ได้ตั้งแต่กลศาสตร์คลาสสิกไปจนถึงฟิสิกส์สนามควอนตัม และนักเรียนทุกคนที่ได้พบเจอกับเทคนิคนี้จะรู้สึกประหลาดใจเล็กน้อย ดูเหมือนว่าความจริงอันลึกซึ้งจะปรากฏขึ้นอย่างฉับพลัน เกี่ยวกับวิธีการจัดระเบียบของจักรวาล

โบซอนและเฟอร์มิออน: สองตระกูลที่แตกต่างกันอย่างมาก

เมื่อเราศึกษาต่อไปในกลศาสตร์ควอนตัมของระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก เราจะพบกับระบบหลักสองประเภท: เฟอร์มิออนและโบซอนการจัดประเภทนี้ไม่ใช่การกำหนดขึ้นโดยพลการ แต่เชื่อมโยงกับคุณสมบัติพื้นฐานของอนุภาคที่เรียกว่าสปิน ซึ่งเกี่ยวข้องกับโมเมนตัมเชิงมุมควอนตัม เฟอร์มิออน (เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน หรือนิวตรอน) มีสปินครึ่งจำนวนเต็ม (1/2, 3/2 เป็นต้น) และเป็นไปตามหลักการกีดกันของเปาลี ซึ่งหมายความว่า พวกมันไม่สามารถมีสถานะควอนตัมที่เหมือนกันได้อย่างแน่นอนในทางปฏิบัติ หมายความว่าพวกมัน “ไม่ชอบรวมกลุ่มกัน” เนื่องจากมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ กฎง่ายๆ นี้อธิบายได้ทุกอย่าง ตั้งแต่โครงสร้างของอะตอมไปจนถึงความเสถียรของสสารที่เราสัมผัสทุกวัน ในทางกลับกัน โบซอนมีสปินเป็นจำนวนเต็ม (0, 1, 2…) และเข้าสังคมได้ดีกว่ามาก พวกมันสามารถอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้โดยไม่มีปัญหา ในความเป็นจริงแล้ว ในบางระบบ อนุภาคโบซอนิกทั้งหมดจะลงเอยในสถานะเดียวกันเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในเลเซอร์หรือสารควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์ โฟตอน ฮิกส์โบซอน และไพอนเป็นตัวอย่างของโบซอนที่เราคุ้นเคยกันดีในห้องทดลอง ความแตกต่างในพฤติกรรมโดยรวมนี้ทำให้เฟอร์มิออนและโบซอนดูเหมือนเป็นสองโลกที่แยกจากกัน โลกหนึ่งสร้าง “สสาร” (อิเล็กตรอน ควาร์ก เลปตอนโดยทั่วไป) ในขณะที่อีกโลกหนึ่งมักเป็นผู้รับผิดชอบ ไกล่เกลี่ยปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน (โฟตอนสำหรับแม่เหล็กไฟฟ้า กลูออนสำหรับอันตรกิริยาแรง ฯลฯ) ดูเหมือนว่าพวกมันจะไม่มีอะไรเหมือนกันมากนัก… เว้นแต่จะมีสมมาตรที่ลึกซึ้งกว่านั้นเชื่อมโยงพวกมันเข้าด้วยกัน และนั่นคือจุดที่แนวคิดเรื่องซูเปอร์สมมาตรเข้ามาเกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นแนวคิดที่ชี้ให้เห็นว่า บางที… เฟอร์มิออนและโบซอนเป็นเหมือนเหรียญสองด้านโดยเชื่อมโยงกันด้วยการเปลี่ยนแปลงที่ละเอียดอ่อนยิ่งกว่านั้น

จากสมมาตรธรรมดาไปสู่ซูเปอร์สมมาตร

ตั้งแต่ทศวรรษ 60 และ 70 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเริ่มสงสัยว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่จะจินตนาการถึงสิ่งต่างๆ ความสมมาตรใหม่ที่ก้าวข้ามขีดจำกัดเดิม ในบรรดาสมมาตรที่รู้จักกันอยู่แล้วในแบบจำลองมาตรฐาน หากสมมาตรทั่วไปพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์มากในการสร้างทฤษฎี ทำไมเราไม่ลองสำรวจดูว่าจะมีแนวคิดที่ขยายออกไปซึ่งเชื่อมโยงเฟอร์มิออนและโบซอนโดยตรงได้หรือไม่ ในทางประวัติศาสตร์ มีขั้นตอนก่อนหน้านี้ที่น่าสนใจมาก นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น ฮิโรนาริ มิยาซาวะ เสนอแนวคิดชนิดหนึ่งในปี 1966 ซูเปอร์สมมาตรแบบแฮดรอนิก ระหว่างแบริออน (เฟอร์มิออนเชิงประกอบ เช่น โปรตอนและนิวตรอน) และเมซอน (แฮดรอนโบซอนิก) เพื่ออธิบายความสัมพันธ์เหล่านี้ เขาได้แนะนำโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่ในปัจจุบันเราจะระบุว่าเป็นซูเปอร์อัลจีบราประเภท SU(3|3) แม้ว่าจะยังไม่ได้ใช้ศัพท์สมัยใหม่นั้นก็ตาม ไม่นานหลังจากนั้น ในช่วงต้นทศวรรษ 70 กลุ่มต่างๆ ได้ทำงานเกี่ยวกับแบบจำลองคู่และทฤษฎีสตริงยุคแรก Gervais และ Sakita ได้แนะนำสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า การแปลง “ซูเปอร์เกจ”สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานโดยตรงของการแปลงซูเปอร์สมมาตรในปัจจุบัน ในขณะเดียวกัน Golfand และ Likhtman ได้ขยายพีชคณิต Poincaré (ซึ่งอธิบายสมมาตรพื้นฐานของปริภูมิเวลาเชิงสัมพัทธภาพ) ไปสู่เวอร์ชัน “แบบไล่ระดับ” โดยรวมเอาตัวสร้างที่ผสมผสานระดับความเป็นอิสระของโบซอนิกและเฟอร์มิออนเข้าไว้ด้วยกัน นอกจากนี้ยังมีแบบจำลองเฉพาะเกิดขึ้น เช่น แบบจำลองของ Volkov และ Akulov ซึ่งทำนายเฟอร์มิออนสปิน 3/2 ที่เกี่ยวข้องกับซูเปอร์สมมาตรแบบไม่เชิงเส้น แต่แบบจำลองที่ Wess และ Zumino สร้างขึ้นในปี 1973 ต่างหากที่ทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างแท้จริง อันที่เสร็จสิ้นการรวมซูเปอร์สมมาตร ในฐานะที่เป็นส่วนขยายที่จริงจังและเป็นระบบของกรอบทฤษฎีสนามควอนตัม ตั้งแต่ปี 1974 เป็นต้นมา แนวคิดนี้เริ่มแพร่หลายและถูกนำไปบูรณาการเข้ากับการพยายามขยายแบบจำลองมาตรฐานที่เพิ่งได้รับการยอมรับอย่างเป็นธรรมชาติ ยังมี “ประวัติความเป็นมา” ที่ไกลกว่านั้นอีก: ในปี 1937 วิกเนอร์ได้จำแนกการแสดงแทนที่ลดทอนไม่ได้ของกลุ่มปวงกาเร และพบโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่มีหอคอยอนันต์ของเฮลิซิตี้จำนวนเต็มและครึ่งจำนวนเต็ม การแสดงแทนเหล่านี้ ซึ่งในขณะนั้นดูเหมือนวัตถุแปลกประหลาดที่ไม่มีการประยุกต์ใช้ทางกายภาพ กลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์ โดยธรรมชาติแล้วเกี่ยวข้องกับแนวคิดซูเปอร์สมมาตรถึงแม้ว่าไม่มีใครเห็นมันจนกระทั่งหลายสิบปีต่อมา

ทฤษฎีซูเปอร์สมมาตรเสนออะไรกันแน่?

ในรูปแบบพื้นฐานที่สุด ทฤษฎีซูเปอร์สมมาตร (SUSY) กล่าวไว้ดังนี้: สำหรับทุกอนุภาคที่เรารู้จัก จะต้องมีอนุภาคที่สอดคล้องกัน คู่หูที่มีสมมาตรยิ่งยวด โดยมีคุณสมบัติภายในชุดเดียวกัน (ประจุ สปินที่ปรับเปลี่ยน ฯลฯ) แต่มีการสลับธรรมชาติของโบซอนหรือเฟอร์มิออน ดังนั้น เฟอร์มิออนแต่ละตัวในแบบจำลองมาตรฐานจึงสัมพันธ์กับโบซอนแบบซูเปอร์สมมาตร และในทางกลับกัน ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนจะมีคู่ที่เรียกว่าเซเลคตรอน ซึ่งจะมีพฤติกรรมเหมือนโบซอนที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันมาก ยกเว้นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในประเภทของสปิน ในทำนองเดียวกัน ควาร์กก็จะจับคู่กับสควาร์ก และ อนุภาคโบซอนอย่างกลูออนจะมีอนุภาคเฟอร์มิออนที่เรียกว่ากลูอิโนอยู่ร่วมด้วยโฟตอนจะจับคู่กับโฟติโน กราวิตอนจะจับคู่กับกราวิติโน และอื่นๆ ไปเรื่อยๆ สำหรับอนุภาคทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง หากสมมาตรสมบูรณ์แบบ แต่ละคู่จะมีมวลเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าในการทดลอง เราจะเห็นอนุภาคและคู่ของมันที่มีสมมาตรยิ่งยวดเกิดขึ้นได้โดยไม่ยาก แต่ในความเป็นจริงแล้วไม่ใช่เช่นนั้น จนถึงทุกวันนี้ ยังไม่พบอนุภาคซูเปอร์อนุภาคเหล่านี้เลย อย่างเด็ดขาด เพื่อกอบกู้ทฤษฎีนี้ นักฟิสิกส์จึงนำเสนอแนวคิดเรื่องการแตกหักของสมมาตรยิ่งยวด: สมมาตรมีอยู่ในสมการพื้นฐาน แต่ในจักรวาลของเรามัน “แตกหัก” ไปแล้ว ทำให้มวลของอนุภาคยิ่งยวดมีค่ามากกว่าอนุภาคธรรมดามาก ซึ่งหมายความว่าการตรวจจับอนุภาคเหล่านี้ต้องใช้พลังงานสูงมาก เช่นเดียวกับพลังงานที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ตามแบบจำลองหลายแบบ มวลของอนุภาคยิ่งยวดเหล่านี้ควรอยู่ในช่วงระหว่างประมาณ 100 GeV ถึง 1 TeV ซึ่งเป็นช่วงพลังงานที่ มีการศึกษาเรื่องนี้ในโครงการทดลองต่างๆ เช่น ATLAS และ CMSจนถึงขณะนี้ ยังไม่มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือปรากฏออกมา ซึ่งทำให้เราต้องปรับปรุงแบบจำลอง ขยายขอบเขตการค้นหา หรือตั้งคำถามเกี่ยวกับสมมติฐานบางประการ

เหตุใดทฤษฎีซูเปอร์สมมาตรจึงดึงดูดความสนใจของนักฟิสิกส์จำนวนมาก?

ซูเปอร์สมมาตรไม่ใช่แค่โครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่สวยงามเท่านั้น แม้ว่ามันจะเป็นเช่นนั้นก็ตาม เสน่ห์หลักของมันอยู่ที่คำตอบที่น่าสนใจที่มันเสนอให้ ปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขหลายประการในฟิสิกส์ปัจจุบันหนึ่งในประเด็นที่ถูกพูดถึงมากที่สุดคือปัญหาที่เรียกว่าปัญหาลำดับชั้น: ทำไมอันตรกิริยาแบบอ่อนจึงแข็งแกร่งมากเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง หรืออีกนัยหนึ่ง ทำไมมวลของฮิกส์โบซอนจึง “เล็ก” เมื่อเทียบกับระดับพลังค์ หากไม่มีซูเปอร์สมมาตร การคำนวณมวลของฮิกส์ด้วยวิธีควอนตัมมักจะให้ผลลัพธ์ที่ใหญ่เกินจริง ทำให้ต้องมีการปรับแต่งอย่างละเอียดมากเพื่อให้สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ แต่ด้วย SUSY การมีส่วนร่วมของเฟอร์มิออนและโบซอนในการแก้ไขเหล่านี้จะถูกหักล้างไปบางส่วน ซึ่ง มันช่วยบรรเทาปัญหาได้โดยธรรมชาติ และช่วยให้เราสามารถรักษาค่ามวลของฮิกส์ให้อยู่ในขอบเขตที่เหมาะสมได้โดยไม่ต้องใช้การคำนวณเชิงตัวเลข อีกจุดแข็งหนึ่งคือสสารมืด การสังเกตการณ์ทางจักรวาลวิทยาบ่งชี้ว่าประมาณ 85% ของสสารในจักรวาลเป็นสสารประเภทที่… มันไม่เปล่งแสงและไม่ดูดซับแสงแต่สสารมืดนี้ส่งอิทธิพลทางแรงโน้มถ่วงต่อกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซี แบบจำลองมาตรฐานไม่มีตัวเลือกที่ดีในการอธิบายสสารมืดนี้ นอกเหนือจากนิวตริโนที่มีมวล ซึ่งดูเหมือนจะไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม ในแบบจำลองซูเปอร์สมมาตรหลายแบบ อนุภาคซูเปอร์สมมาตรที่เบาที่สุด (LSP) มีเสถียรภาพและเป็นกลาง และเข้ากันได้ดีกับคุณสมบัติที่คาดหวังของอนุภาคสสารมืด ยิ่งไปกว่านั้น ซูเปอร์สมมาตรยังช่วยให้การรวมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเป็นไปได้ง่ายขึ้น หากเราคาดการณ์ว่าค่าคงที่การเชื่อมต่อ (ค่าที่วัดความแข็งแรงของแรง) จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเทียบกับพลังงาน ในแบบจำลองที่ไม่มี SUSY เส้นเหล่านั้นจะไม่ตัดกันอย่างเรียบร้อย ณ จุดเดียว เมื่อเพิ่มสมมาตรยิ่งยวดเข้าไป เส้นโค้งเหล่านี้มักจะมาบรรจบกันได้ดีขึ้นที่พลังงานสูงมาก ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้เกิดความหวังในทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่ ที่ซึ่งแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน และปฏิสัมพันธ์แบบแรง ล้วนเป็นการแสดงออกของแรงเดียวที่พลังงานสุดขั้ว สุดท้ายแล้ว สมมาตรยิ่งยวดมีบทบาทสำคัญในทฤษฎีสตริงและซูเปอร์สตริง ซึ่งพยายามอธิบายแรงโน้มถ่วงโดยใช้กฎควอนตัม และใน… ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมหากปราศจากสมมาตรยิ่งยวด ทฤษฎีสตริงจะประสบปัญหาความสอดคล้องอย่างร้ายแรง (การเกิดขึ้นของทาคิออน ความแตกต่าง ฯลฯ) แต่หากมีสมมาตรยิ่งยวดแล้ว… โมเดลเหล่านี้มีพฤติกรรมที่ดีขึ้นมาก และปรากฏโครงสร้างที่ซับซ้อนของความคู่ตรงข้ามและความสอดคล้องกันทางคณิตศาสตร์ ซึ่งได้ปฏิวัติวงการฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและสาขาคณิตศาสตร์ทั้งหมด

คำวิจารณ์ ข้อสงสัย และบทบาทของการทดลอง

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าทุกคนจะเต็มไปด้วยความกระตือรือร้นอย่างไม่มีขีดจำกัด ภายในแวดวงฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเองก็มีเสียงวิพากษ์วิจารณ์ที่ชี้ให้เห็นว่า แม้จะมีการทำงานมาหลายทศวรรษแล้วก็ตาม เรายังไม่พบอนุภาคซูเปอร์พาร์ติเคิลใดๆ เลย ในการทดลองที่ทรงพลังที่สุดที่สร้างขึ้นมาจนถึงปัจจุบัน ทุกครั้งที่เราขยายช่วงพลังงานที่สำรวจโดยไม่พบสัญญาณใดๆ โมเดล SUSY แบบง่ายๆ บางแบบก็จะดูไม่น่าเชื่อถือมากขึ้น นอกจากนี้ยังมีการถกเถียงกันถึงวิธีการนำเสนอหัวข้อเหล่านี้แก่สาธารณชน ในการบรรยายสาธารณะหรือวิดีโอ บางครั้งใช้เวลามากในการทบทวนฟิสิกส์พื้นฐานมากก่อนที่จะเข้าสู่เรื่องซูเปอร์สมมาตร ซึ่งอาจทำให้ผู้ที่สนใจซึ่งมีพื้นฐานความรู้มาบ้างแล้วรู้สึกผิดหวัง และในทางกลับกัน บางคนคิดว่าผู้ที่นำเสนอเรื่องนี้ในวงกว้างนั้น… พวกเขาเผยแพร่ทฤษฎีซูเปอร์สมมาตรราวกับว่าเป็นความจริงที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในความเป็นจริงแล้ว มันยังคงเป็นเพียงกรอบสมมติฐานที่รอการยืนยันเชิงทดลองที่ชัดเจน ตัวอย่างที่โดดเด่นของความไม่สอดคล้องกันระหว่างทฤษฎีและการทดลองพบได้ในกรณีของนิวตริโน เป็นเวลาหลายทศวรรษที่สันนิษฐานว่านิวตริโนไม่มีมวล ส่วนหนึ่งเพื่อความสะดวกทางทฤษฎีในแบบจำลองต่างๆ (รวมถึงบางแบบจำลองที่ได้รับแรงบันดาลใจจากทฤษฎีสตริง) แต่การทดลองการแกว่งของนิวตริโนแสดงให้เห็นว่า ใช่ พวกมันมีมวลเล็กน้อย แต่ไม่ใช่ศูนย์สิ่งนี้บังคับให้ต้องมีการแก้ไขและขยายแบบจำลอง และเป็นเครื่องเตือนใจว่าธรรมชาติมีอำนาจตัดสินใจขั้นสุดท้ายเสมอ ไม่ว่าโครงสร้างที่สวยงามของเราจะชอบหรือไม่ก็ตาม ในกรณีเฉพาะของทฤษฎีซูเปอร์สมมาตร ข้อมูลจาก LHC ได้กำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ เกี่ยวกับมวลขั้นต่ำที่อนุภาคซูเปอร์สมมาตรจำนวนมากอาจมีได้ ไม่ใช่ว่าทฤษฎีซูเปอร์สมมาตรถูก “หักล้าง” อย่างสิ้นเชิง แต่สถานการณ์ที่ง่ายที่สุดและมองโลกในแง่ดีที่สุดบางส่วนของมัน… พวกเขาจนมุมไปมากแล้วนักฟิสิกส์ยังคงสำรวจรูปแบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น โมเดลที่มีการแตกตัวของ SUSY ที่แตกต่างกัน หรือส่วนขยายที่ซับซ้อนกว่าเดิม แต่สถานการณ์โดยรวมนั้นไม่สะดวกสบายเท่าเมื่อยี่สิบหรือสามสิบปีก่อน

ซูเปอร์สมมาตร สสารมืด และหลุมดำมวลมหาศาล

คำถามเกี่ยวกับสสารมืดมีความเกี่ยวพันกับทฤษฎีซูเปอร์สมมาตรในหลายแง่มุมที่น่าสนใจ สิ่งเดียวที่เราทราบแน่ชัดเกี่ยวกับสสารนี้คือ… ร่องรอยแรงโน้มถ่วงในจักรวาลเส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซี การเลนส์ความโน้มถ่วง โครงสร้างขนาดใหญ่… แต่เรายังไม่สามารถตรวจจับอนุภาคใดๆ ของมันได้โดยตรง ทั้งในเครื่องตรวจจับใต้ดินหรือในเครื่องเร่งอนุภาค แบบจำลองซูเปอร์สมมาตรบางแบบเสนอตัวเลือกที่ดูเป็นธรรมชาติมากสำหรับสสารมืดนี้ เช่น LSP ที่เสถียรและมีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน การทดลองที่ค้นหาสัญญาณจากอนุภาคเหล่านี้ ไม่ว่าจะในอวกาศหรือในห้องปฏิบัติการ ก็ยังไม่ให้ผลลัพธ์ที่สรุปได้ สถานการณ์นี้คล้ายกับสถานการณ์ของ SUSY โดยทั่วไป: โอกาสในการทดลองกำลังค่อยๆ ลดลงแต่ก็ยังมีช่องว่างให้รูปแบบอื่นใช้ได้ผลอยู่ ในทางกลับกัน ดาราศาสตร์ฟิสิกส์กำลังเปิดเผยปรากฏการณ์ที่ยากจะอธิบายได้ด้วยกรอบแนวคิดแบบคลาสสิก ตัวอย่างเช่น กล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ได้ระบุหลุมดำมวลมหาศาลที่มีอายุเก่าแก่มาก เกือบจะเก่าแก่เท่ากับจักรวาลเอง ตามแนวคิดดั้งเดิม หลุมดำขนาดมหึมาเหล่านี้ควรจะก่อตัวขึ้นจากหลุมดำขนาดเล็กที่กลืนกินก๊าซ ดาวฤกษ์ และหลุมดำอื่นๆ ในช่วงเวลาหลายพันล้านปี อย่างไรก็ตาม หลุมดำบางส่วนที่สังเกตพบนั้นดูเหมือนจะไม่เป็นเช่นนั้น ใหญ่เกินไปสำหรับวัยของพวกเขานี่คือจุดที่สมมติฐานที่น่าสนใจเข้ามาเกี่ยวข้อง: สมมติฐานที่ว่าสสารมืดมีอิทธิพลโดยตรงต่อการก่อตัวของหลุมดำดึกดำบรรพ์เหล่านี้ นักวิจัยอย่างอเล็กซานเดอร์ คูเซนโกและทีมของเขาเสนอว่า ในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล การมีอยู่ของสสารมืดจะขัดขวางการเย็นตัวของไฮโดรเจน ป้องกันการก่อตัวของดาวฤกษ์ตามปกติ แทนที่จะเป็นเช่นนั้น เมฆก๊าซร้อนขนาดมหึมาอาจก่อตัวขึ้นได้ ยุบตัวอย่างฉับพลันกลายเป็นหลุมดำมวลมหาศาลโดยข้ามช่วงกลางของการเกิดดาวฤกษ์ไป ปัญหาคือแก๊สมีแนวโน้มที่จะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโมเลกุลไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น ซึ่งทำหน้าที่เป็น “ตัวแผ่รังสี” ที่มีประสิทธิภาพ สสารมืดจะต้องมีอิทธิพลอย่างละเอียดอ่อนมากเพื่อรักษาสภาพที่จำเป็นไว้ แบบจำลองทางทฤษฎีและการจำลองกำลังได้รับการพัฒนาเพื่อศึกษาสถานการณ์เหล่านี้ และกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ พร้อมกับหอดูดาวในอนาคต อาจให้เบาะแสที่สำคัญ หากสมมติฐานใด ๆ เหล่านี้ได้รับการยืนยัน ความเชื่อมโยงระหว่างสสารมืด สมมาตรยิ่งยวด และหลุมดำ ขอบเขตอาจแคบลงไปอีกได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับตอนนี้ สถานการณ์ค่อนข้างตรงไปตรงมา: เรารู้ว่าสสารมืดมีอยู่จริงเนื่องจากผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมัน เรามีแนวคิดที่สมเหตุสมผล (รวมถึงแนวคิดเกี่ยวกับสมมาตรยิ่งยวดหลายอย่าง) เกี่ยวกับสิ่งที่มันอาจจะเป็น และเรากำลังสะสมเบาะแสที่น่าสนใจเกี่ยวกับบทบาทของมันในการก่อตัวของโครงสร้างจักรวาล… แต่ เรายังจับอนุภาคคอนกรีตไว้ที่คอไม่ได้เลยพูดกันตรงๆ ก็คือ โดยรวมแล้ว ประวัติศาสตร์ของสมมาตรและซูเปอร์สมมาตรในฟิสิกส์แสดงให้เห็นถึงขอบเขตที่จักรวาลดูเหมือนจะถูกจัดระเบียบตามนั้น รูปแบบเชิงลึกจากร่างกายมนุษย์หรือแก้วไวน์ ไปจนถึงอนุภาคพื้นฐานและหลุมดำที่อยู่ไกลแสนไกล สมมาตรแบบคลาสสิก ซึ่งได้รับการกำหนดเป็นทางการในผลลัพธ์ต่างๆ เช่น ทฤษฎีบทของโนเธอร์ ได้ช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมปริมาณบางอย่างจึงได้รับการอนุรักษ์ และกฎของฟิสิกส์ต้องเป็นอย่างไรเพื่อเคารพความไม่เปลี่ยนแปลงพื้นฐานของอวกาศและเวลา ส่วนทฤษฎีซูเปอร์สมมาตร ด้วยความสง่างามทางคณิตศาสตร์และศักยภาพในการไขปริศนาต่างๆ เช่น ปัญหาลำดับชั้น หรือธรรมชาติของสสารมืด ยังคงเป็นความพยายามทางทฤษฎีที่สำคัญซึ่งรอคอยคำตัดสินเชิงทดลองที่แน่ชัด ไม่ว่าในที่สุดแล้วมันจะได้รับการยืนยันหรือไม่ หรือจะบังคับให้เราคิดค้นกรอบความคิดที่กล้าหาญยิ่งขึ้น มันก็ได้ทิ้งร่องรอยอันลึกซึ้งไว้ในวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับความเป็นจริงแล้ว [related url=”https://www.cultura10.com/teoria-de-la-gravedad-cuantica-mapas-pruebas-y-encrucijadas/”]