Ruperea de simetrie

Provine din topicul: Care sunt cărămizile materiei?


In 2008 s-a luat premiul Nobel pentru fizica de catre Yoichiro Nambu, unul din fondatorii teoriei corzilor (stringurilor), si de catre Makoto Kobayasi şi Toshihide Maskawa, doi cercetatori care au avut contributii importante la teoria particulelor elementare cunoscuta sub numele de Modelul Standard.
Insa atunci a fost premiata descoperirea,,ruperii de simetrie '' un fenomen care sta la baza Modelului Standart si a mecanismului campului Higgs !
Redau aici linkul de mai jos in care este comentat acest mecanism -prea putin inteles- precum si cateva spicuiri
importante din descrierea lui:


http://science.hotnews.ro/stiri-idei-4777496-nobel-pentru-particule-elementare-fascinatia-simetriei.htm



Ruperea simetriei

Simetriile şi antisimetriile fac parte din experienta noastra cotidiana. Un fulg de zapada nu se modifica daca-l privim in oglinda, o manuşa oglindita este foarte diferita de manuşa originala (o manuşa pentru mâna dreapta devine, in oglinda, o manuşa pentru mâna stânga).
Spunem despre litera A ca este invarianta la oglindire, adica are o simetrie la oglindire, pe când litera Z nu este invarianta la acest tip de simetrie. Pe de alta parte, litera Z arata la fel daca o intoarcem cu susul in jos, pe când litera A se modifica.

Impactul ruperii de simetrie in Univers

Suntem produse directe ale “ruperii de simetrie” care a avut loc cu miliarde de ani in urma, imediat dupa Big-Bang. Aparitia materiei a fost un eveniment asimetric: dintr-un motiv pe care nu-l ştim inca, in univers a aparut mai multa materie decât anti-materie. Aceasta asimetrie initiala a fost la originea universului, aşa cum il ştim astazi.

Teoria particulelor elementare descrie trei tipuri de simetrie : simetrie la oglindire, simetrie de sarcina şi simetrie in raport cu timpul. In limbajul fizicii, prima este o simetrie de tip P (parity), a doua este o simetrie de tip C (charge) iar a treia o simetrie de tip T (time). Simetria P ne spune ca obiectele şi reflexiile lor in oglinda se comporta exact la fel ; simetria de tip C presupune ca particulele şi anti-particulele lor sa se comporte exact la fel in interiorul ecuatiilor, pe când simetria T inseamna ca evenimentele din lumea particulelor elementare sunt invariante la faptul ca se petrec in trecut sau in viitor.

De ce are loc ruperea de simetrie ?

Problema « ruperii de simetrie » a inceput in domeniul fizicii solidului, cu o serie de fizicieni care cautau solutia fenomenului numit super-conductivitate. Ruperea spontana de simetrie este considerata, in fizica particulelor, un fenomen generator de ordine. Imaginati-va o tranzitie de faza: de pilda trecerea apei din stare lichida in stare solida.

O picatura de apa este invarianta la rotatie. Un fulg de zapada, nu mai este. De cele mai multe ori, o tranzitie de faza corespunde cu o rupere a simetriei. In general, la energii mici, un sistem ajunge sa aiba o « stare preferata », in care simetria nu mai exista.

Ce a facut Nambu a fost sa mute aceasta problema din domeniul fizicii solidului in domeniul fizicii particulelor. A inceput cu o presupozitie revolutionara : dar daca ruperea spontana de simetrie exista şi in teoria cuantica a campului, cea care descrie comportamentul particulelor elementare ? Am putea descrie o stare similara cu starea de energie minima atunci când vorbim de particule elementare ? O «stare de vid » (vacuum state) ? Pornind de la aceasta presupozitie, Nambu a construit, prin analogie cu fizica solidului, un model al ruperii spontane de simetrie in fizica particulelor.


Pornind de la aceasta notiune ,,ruperea simetriei ''care este mecanismul de materializare al particulelor , asa numitul mecanism Higgs in cadrul Modelului Standart ?

Ruperea spontana de simetrie este considerata, in fizica particulelor, un fenomen generator de ordine.
Imaginati-va o tranzitie de faza: de pilda trecerea apei din stare lichida in stare solida.

O picatura de apa este invarianta la rotatie. Un fulg de zapada, nu mai este. De cele mai multe ori, o tranzitie de faza corespunde cu o rupere a simetriei. In general, la energii mici, un sistem ajunge sa aiba o « stare preferata », in care simetria nu mai exista.


Pornind de la afirmatia de mai sus :
De ce o picatura de apa este invarianta la rotatie ? Un fulg de zapada nu mai este (invariant) ?

De ce o picatura de apa este invarianta la rotatie ? Un fulg de zapada nu mai este (invariant) ?

Pentru ca picatura de apa este amorfa, iar fulgul de zapada este cristalizat.

Răspunsul este puțin mai complex. Dacă picătura este perfect sferică oricum o rotești arată la fel. Dacă este deformată însă (cum este o picătură în cădere într-un câmp gravitațional uniform) atunci ai o singură axă de simetrie. E o situație cam ca la un pepene unde de regulă ai o simetrie axială. Și un fulg de zăpadă poate fi invariant la rotații dacă arată ca o steluță * și e rotit în jurul unei axe perpendiculare pe planul fulgului, dar nu orice unghi de rotație reproduce fulgul inițial.

Dar oare articolul se refera la rotatia in jurul axei sau la rotatia fazelor?

CAdi a scris:Dar oare articolul se refera la rotatia in jurul axei sau la rotatia fazelor?

La modul foarte general o rotație este o transformare liniară care conservă norma obiectului rotit. Astfel, poți ”roti” extrem de multe lucruri în spații foarte diverse (cred că cel mai simplu exemplu exemplu de rotație ce nu are legătură cu spațiul real tridimensional este o rotația unui spinor în spațiul spinului 1/2). La tranziții de fază sincer nu prea mă pricep :d, dar cred că am dat un răspuns corect la întrebarea pe care ai pus-o tu. Nu știu dacă fazele unui sistem termodinamic pot forma un spațiu vectorial pe care să efectuezi rotații.

1)

Eu ma refer la :
rotatia de faza de genul:
(Analizand pas cu pas ce spune articolul de mai sus)


Ruperea spontana de simetrie este considerata, in fizica particulelor, un fenomen generator de ordine:

Imaginati-va o tranzitie de faza: de pilda trecerea apei din stare lichida in stare solida. (apa –fulg)

O picatura de apa este invarianta (INVARIÁNT, invarianți, s. m. Mărime, relație, proprietate etc. care rămâne neschimbată în urma aplicării sau intervenției unei transformări) la rotatie.=lichid -solid-lichid
Un fulg de zapada, nu mai este ( invariant).=solid-lichid-solid ?
Avem:
Apa-(racire) – fulg – (incalzire)- apa
Fulgul – ( incalzire) – apa- (racire )- fulg dar nu acelasi fulg! (sau chiar ghiata daca se aplica o alta stare)

De cele mai multe ori, o tranzitie de faza corespunde cu o rupere a simetriei. (adica la o transformare de faza zapada se transforma in apa-ordine ? ) Dar zapada este dezordine ?)
In general, la energii mici, un sistem ajunge sa aiba o « stare preferata », in care simetria nu mai exista.

Sau pur si simplu ideea este de rotatie luata mot-a - mot adica rotire in jurul axei :

picatura de apa = sferica =invarianta
fulgul de zapada- asimetric - variabil ca forma la rotatie?


2)

Din alt punct de vedere bosonul Higgs are o masa de 125 Gev in timp ce masa protonului este de ~ 1 Gev.Deci o diferenta foarte mare >
Teoria spune ca :
In general, la energii mici, un sistem ajunge sa aiba o « stare preferata », in care simetria nu mai exista.
Deci la energii mici ,,la franari '' apare materia .... sa fie acesta mecanismul Higgs si precipitarea sau ruperea de energie? (-asa cum se arata si in filmul cu explicatia mecanismului Higgs)

Razvan a scris ,

Energia acelui sistem, iniţial poate da naştere oricăror perechi de particulă - antiparticulă; adică există o simetrie a posibilităţilor oricăror particule de a lua naştere din acea cantitate de energie. Atunci când ia naştere, de exemplu, o pereche electron - pozitron, înseamnă că putem stabili cu certitudine existenţa acelor particule, deci simetria sistemului faţă de şansa de a genera oricare alte particule dispare, deoarece ştim cu siguranţă ca s-a creat perechea electron - pozitron. Deci sistemul trece din starea instabilă cuantic, dar simetrică pentru şansa de a se crea orice tip de particulă, într-o stare stabilă (deoarece s-a creat perechea electron - pozitron) şi asimetrică, deoarece din simetria şanselor oricăror particule de a lua naştere, una din şanse (aceea de a se crea perecehea electron - pozitron) a devenit predominantă.

As dori sa comentez putin acest articol :

,,Deci sistemul trece din starea instabila cuantic''
De ce instabila ?
Acea stare este chiar stabila la nivel de camp- toate energiile sunt echilibrate -,insa este o stare dezorganizata .
,,...dar simetrica''
Aici sunt de acord !
,,intr-o stare stabila ''
Nu asa ! Consider ca tocmai, starea este instabila , avem dualitatea unda- corpuscul si mai avem pricipiul de incertitudine al lui Pauli .
,,(deoarece s-a creat perechea electron - pozitron) şi asimetrică ''
aici sunt iarasi de acord ,nu sunt de acord cu motivatia :
,,deoarece din simetria şanselor oricăror particule de a lua naştere, una din şanse (aceea de a se crea perecehea electron - pozitron) a devenit predominantă.''
Nu asa ,ci deoarece s-a creiat prin ruperea simetriei campurilor o stare asimetrica perechea electron (semn -) si pozitron (semn +) dar organizata .

Daca arunci un zar, atat timp cat zarul se invarteste, sansele de aparitie a unui numar de la 1 la 6 sunt egale, deci exista o simetrie de sanse. Cand zarul s-a oprit, vorbim de o stare stabila, se vede doar un numar, deci celelalte sanse au disparut, odata cu intreruperea starii cuantice. Nu mai putem vorbi de asimetrie de sanse din moment ce starea cuantica nu mai exista.
Daca zarul ar fi masluit (mai greu pe o fata ), atunci cand aruncam zarul, exista probabilitatea sporita ca sa se opreasca zarul pe fata mai grea, asa ca in acest caz putem vorbi de o rupere a simetriei de sanse.
In exemplul cu particule (electron/pozitron), nu poate fi vorba de o simetrie de sanse, atat timp cat fotonii incidenti au energia critica necesara aparitiei perechii el-poz, aici vorbim de o interventie selectiva asupra sistemului, nemaiexistand egalitate de sanse pentru celelalte particule.

In cazul experimentului celor doua fante, pe timpul deplasarii particulei, are loc doar deplasarea starii cuantice a acesteia, si atat timp cat nu intervine observatorul, starea cuantica trece prin ambele fante in procent egal, apoi interfereaza pe ecran. Daca observatorul intervine cu aparatul de masura care pune in evidenta locul pe unde trece particula, in acel moment functia de unda colapseaza in starea de particula, fapt observat pe ecran ca o banda alba fara interferente.
Concluzia este ca electronul se deplaseaza in stare cuantica ca o unda, si numai la locul impactului, sau a interactiunii cu materia se transforma in particula.
Sa asociem un exemplu intuitiv; spre exemplu, la vaporizarea unei picaturi de apa, aburul ar reprezenta o stare cuantica a apei, atat timp cat conditiile de temperatura nu se schimba, apa se afla in aceasta stare, daca insa in deplasarea ei intalneste un val de aer polar, aburul se condenseaza si se transforma intr-o boaba de grindina. In starea de vapori, apa ar fi trecut prin ambele fante, pe cand in starea inghetata, nu poate trece decat printr-o fanta. Aceasta este explicatia populara a experimentului celor doua fante.

Marea ciudatenie ca asta se intimpla si cu molecule mari complexe nu doar cu particule.
http://www.scientia.ro/stiri-stiinta/80-fizica/3520-interferentele-cuantice-captate-pe-film.html

Marea ciudatenie ca asta se intimpla si cu molecule mari complexe nu doar cu particule.

Am amintit si eu acest lucru in alt topic.
Concluzia ar fi ca orice deplasare in spatiu a unei particule, atom sau molecule, in stare libera se face in ""stare cuantica"", ca un pachet de unde, si nu ca un corp solid. Starea de corp solid apare in momentul cand starea de agregare creaza structuri mai complexe in interiorul carora atomii pot vibra in spatiul limitat de legaturile cu ceilalti atomi.

Problema cu dualismul unda corpuscul la o particula este ceva clasic Virgil! Nu este o noutate.De la experienta cu fante a lui Thomas Young din 1880 si pana acum, s-a ajuns la concluzia ca si electronul se comporta la fel, si de asemenea si celelalte particule...
Insa tu ai lansat nu mai stiu in ce topic, o idee interesanta care merita a fi studiata :
Daca particula se misca intr-un camp de unde exact ca vaporul pe mare si naste valuri , sau daca particula este chiar ea o unda care perturba celelalte unde . Studiul genereaza mai multe probleme :
Daca fotonul este o unda in miscare ,inseamna ca el genereaza impreuna cu ceilalti fotoni in miscare un camp de unde, si la impact se materializeaza iar in particula ? Insa cand apari acele franjuri , stim ca fotonul pierde o parte din energia sa,cum se pierde? din acele franjuri ? Se pune problema care este amprenta de impact:
franjurile sau amprenta energetica asemanatoare cu un bulgare ?
Fotonul stim ca este inconjurat de un camp energetic si practic nu avem un contact direct....
De asemenea aceeasi problema se pune si la particulele cu masa ...
Pe de alta parte avem si efectul Compton si legea de coservare a impulsului si atunci cand loveste o
alta particula (exemplul clasic dintre fotonul ,,gamma'' si electronul de recul ) el nu se mai manifesta prin acele franjuri ! ci ca o particula!
Merita de studiat aceasta problema si de stabilit cum anume se face transportul particulei prin background.... sau poate spatiul Higgs ? ca o unda in miscare ,sau spatiul vibreaza pe directia undei si se manifesta la impact !
Sau ....si - si ? Ce spuneti?

Problema cu dualismul unda corpuscul la o particula este ceva clasic Virgil! Nu este o noutate.De la experienta cu fante a lui Thomas Young din 1880 si pana acum, s-a ajuns la concluzia ca si electronul se comporta la fel, si de asemenea si celelalte particule...

Te felicit ca pentru tine totul este clar, adica clasic, insa pentru mine nu este clar, de exemplu electronul ajunge pana la urma pe ecran, ce trebuie sa inteleg ca daca electronul a fost observat, a trecut ca particula printr-o fanta si ajunge la ecran ca o particula. Daca insa electronul nu este citit de observator, atunci el trece ca o unda prin ambele fante si interfereaza pe ecran. In acest caz pe ecran nu ajunge un electron ci ajunge o unda, adica sursa emite un electron, de la sine se transforma intr-o unda, care este interferata pe ecran? sau sursa emite direct o unda care se transforma in particula numai daca este citita? Dar daca dau fantele la o parte, ce ajunge la ecran? o unda, sau un electron? Dar daca avem un electron de mare energie cand loveste un ecran de metal produce raze X, de fapt inseamna ca nu particula electron produce efectele secundare, ci functia de unda a electronului produce aceste efecte. Atunci se pune intrebarea, in ce situatii avem de a face cu o particula si in ce situatii avem o unda? In interiorul atomului ce avem pe orbitali, doar functia de unda? sau electronul ca si particula?
Care sunt procedeele fizice care fac ca functia de unda sa colapseze in particula, si pana la ce distanta pot acestea sa influienteze functia de unda. Din raspunsurile la aceste intrebari se nasc altele la fel de interesante.

Cred ca interpretarea rezultatelor din experinta lui Thomas Young nu este clara si trebui sa fie putin diferita de versiunea oficiala ... Din aceasta cauza am pus si intrebarile anterioare (care in paranteza fie spus, vad ca nu sunt la fel de apreciate ca ale tale )

Cum s-a facut citirea electronului? banuiesc ca la trecerea prin fante, s-a aplicat cate o bobina, iar electronul cand trecea prin apropierea bobinei, inducea un impuls electric, care era amplificat si citit. Deci simpla trecere pe langa bobina producea o franare a electronului si de aici colapsarea functiei de unda. Inseamna ca, procesul de colapsare a functiei de unda are loc la orice modificare a starii energetice a electronului.

Virgil, bobina care face eventual parte din instrumentul de masura folosit , (camera de luat vederi ) nu influenteaza functia de unda a electronului !
Eventual ar fi deviat cumva traiectoria electronului ,datorita incarcaturii magnetice a campului bobinei , dar nu i-ar fi colapsat functia de unda .
Electronul si-a continuat linistit drumul , insa de data aceasta s-a comportat ca o particula, la fel ca simularea de la inceputul experientei...Alta este explicatia !

De fapt problema trebuie impartita astfel;
1. emisiunea electronului
2. citirea electronului imediat dupa emisie, ca sa stii ca ai doar un electron pe traseu.
3. citirea electronului in dreptul fantelor (citire in coincidenta cu emisiunea electronului, ca sa stii prin ce fanta trece electronul).
4. trecerea prin fante.
5. imprimarea imaginii pe ecran.
Astfel ca functia de unda colapseaza odata cand este emis electronul si este numarat, si a doua oara cand ajunge in dreptul fantelor.
Deci electronul emis este observat de primul senzor si isi schimba starea in unda, apoi trecand in dreptul fantelor, isi mai schimba odata starea cand este citit, transformandu-se din unda din nou in particula. Dar, in cazul cand nu se face citirea in dreptul fantelor, electronul ajunge la ecran ca o unda.
La fiecare observare a electronului, apare o interactiune cu senzorul de citire, si deci o colapsare a functiei de unda.

Electronul simbolizeaza o ordine , pentru ca apare ca o rupere de simetrie dintr-un camp...(fie el si campul Higgs).
Lasa ordinea tehnologica a fazelor transportului si imprimarii pe ecran .
Ne intereseaza fenomenul care explica comportarea electronului.
De fapt experienta care este redata in filmul postat putem sa o realizam si noi (cu mijloacele noastre) la fel cum a executat-o Young la anii 1800.
Pentru aceasta nu avem decat sa luam o cutie veche (de pantofi ) sa practicam la mijlocul ei o deschizatura prin care sa introducem planul cu fante si la final sa executam o decupatura si sa urmarim
franjurii sau fanta luminoasa de pe alt perete de carton.
Lumina va fi asigurata de o lumanare aprinsa care va fi postata la o distanta potrivita fata de planul separator prevazut cu fante pentru ca experienta o vom face cu fotoni.
Alta este explicatia comportarii electronului si a aparitiei franjurilor...

Alta este explicatia comportarii electronului si a aparitiei franjurilor...

Pe mine nu ma intereseaza interferenta undelor in sine, ci ma intereseaza acea transformare pe care o sufera electronul in momentul colapsarii functiei de unda. Colapsarea functiei de unda are loc in ambele sensuri pe traseul electronului? la fiecare citire are loc o alta transformare?

Asta nu intelegi tu :
Nu se colapseaza functia de unda.
Functia de unda este ori trenul, ori mediul prin care se misca electronul .

Functia de unda nu reprezinta o probabilitate .Sau mai bine spus nu reprezinta numai acea probabilitate
Citeste experimentul cu doua fante sau vizioneaza filmul postat.
Functia de unda dispare dupa instalarea instrumentului de masura (probabil o camera de luat vederi) in sensul ca nu mai apar franjuri de interferenta ci apar benzi !(doua benzi ) exact ca si cum am avea electronul numai corpuscul si nu s-ar mai propaga si ca unda.Deci experimentul se modifica total atunci cand plasezi un instrument de masura , electronii se comporta ca si cum ar fi doar corpusculi , deci altfel decat atunci cand am lansat electronii liberi si au aparut franjurii de interferenta la fel ca la unde.Putem spune ca electronii au devenit mici bile de materie (nu mai au si functia de unda ) si se comporta la fel ca la inceputul experientei cand s-au lansat bilele de ping-pong.
Intrebarea este :
De ce se comporta asa electronul atunci cand se instaleaza un instrument de masura ?

Este clar ca avem de a face cu unde care interfereaza, fara sa cunoastem natura acestor unde. Apoi in cazul citirii electronului, dispar undele si apar particulele.
Cine stie sa raspunda la intrebarea; Sursa sub ce forma emite electronii, ca unde sau ca particule?
Dupa colapsarea functiei de unda in traseul electronului daca indepartam destul de mult ecranul, electronii se mai transforma in unde? Nu cumva la anumite viteze electronii se comporta ca unde, apoi sub un prag de viteza se comp[orta ca particula?

virgil a scris:
Este clar ca avem de a face cu unde care interfereaza, fara sa cunoastem natura acestor unde. Apoi in cazul citirii electronului, dispar undele si apar particulele.
Cine stie sa raspunda la intrebarea; Sursa sub ce forma emite electronii, ca unde sau ca particule?

Cred ca fenomenul este ceva mai complicat de atat !
In ceea ce priveste prima parte a intrebarii e clar ca avem unde care interfereaza.
Este vorba de undele care le emite aparatul de masura care interfereaza cu undele de propagare a electronului.
S-ar putea ca pe langa unda purtatoare a electronului sa avem si undele campului prin care el se propaga .
Exact ca la inceputul experientei cand probabil ca s-a propagat un curent de apa care apoi a dat nastere la valurile care au trecut prin fante.

Experienta cu fante nu are nimic de aface cu ceea ce spui tu .
Nu este vorba de masuratori . Este vorba de altceva .

Da, dar nu este vorba numai de masuratoare aici :
- Este vorba ca electronii s-au comportat cand ca unde , cand ca si corpusculi , cand ambele .
Asa apare pe ecrane : franjuri si ....benzi .