Oleme olemas tänu sümmeetria rikkumisele
Kui heidate pilgu peeglisse, siis ei vaata teile vastu mitte teie tegelik nägu, vaid selle ümberpööratud variant. Oma tegelikku nägu, mida näevad kõik teised, saate näha vaid siis, kui kasutate veel teist peeglit. Sest teie nägu ei ole rangelt sümmeetriline.
See tõsiasi on olnud inimesele teada juba iidsest ajast. Kuid millegipärast arvasid füüsikud pikka aega, et see, mis toimub mikromaailmas ja algosakeste vahel, peab olema igal juhul sümmeetriline ning et sümmeetria kehtib ka tavamaailmas. Kuigi tavamaailmas puruneb tass siiski kildudeks, mitte killud ei kogune terveks tassiks, on võrrandid, mis kirjeldavad liikumist või sündmuste kulgu ajas, aja suhtes sümmeetrilised. See tähendab, et nende jaoks oleks aeg justkui pööratav.
Rikkumise tagamaad
Algosakeste maailma kirjeldav teooria tunneb kolme laadi sümmeetriat: peegel-, laengu- ja ajasümmeetriat. Peegelsümmeetria kohaselt peavad kõik sündmused juhtuma täpselt samal moel, vaatame me neid siis otse või peeglist. Ei saa olla erinevust vasaku ja parema vahel ning keegi ei suuda öelda, kas näeme neid sündmusi otse või peeglist. Laengu sümmeetria kinnitab, et osakesed peavad käituma täpselt ühtmoodi, olgu siis tegemist osakese enda või tema teise minaga, antiosakesega, millel on küll vastaslaeng, kuid täpselt samad omadused. Ja aja sümmeetria postuleerib, et sündmuste kulg mikromaailmas ei sõltu sellest, kas aeg voolab edasi või tagasi.
Need sümmeetriaseadused tagavad ka energia ja laengu jäävuse algosakeste omavahelistes põrgetes. Kuid ometi elame maailmas, kus on maad võtnud osakesed ning peaaegu puuduvad antiosakesed. Ainult seetõttu saamegi olemas olla, sest kui osake kohtub oma teise minaga, siis armuvad nad teineteisesse nii sügavalt, et ühinevad jäädavalt ning lähetavad sellest ilmaruumi footoni kiirguse vahendusel teate. Maailm lakkaks olemast.
Vaid see, et 14 miljardi aasta eest juhtus kümne miljardi antiosakese kohta olema üks tavaosake rohkem, tagas galaktikatega, tähtedega ja planeetidega täidetud Universumi. Ja muidugi siis ka meie olemasolu. Oleme sümmeetria rikkumise tulemus.
Algosakeste maailm avardus inimese jaoks hoogsalt, kui Teise maailmasõja järel hakati ehitama osakeste kiirendeid. Uusi algosakesi ilmus kusagilt tühjusest kui näitlejaid kulisside tagant. Nende maailma kirjeldamiseks loodi ühendteooria ehk “Suur ühendus”. Kuid 1956. aastal varises kena sümmeetriline teooria kokku, kui avastati, et koobalt 60 lagunemisel eelistavad elektronid ühte suunda. Peegelsümmeetria sai rikutud. Ja kümmekond aastat hiljem selgus, et on osakesi, mis rikuvad laengu- ja peegelsümmeetriat. Andrei Sahharov oli see mees, kes näitas, et sümmeetria rikkumistel oli määrav osa kosmose tekkes.
Kuid miks ikkagi sümmeetriat rikutakse? Seda näitasid 1972. aastal kaks noort Kyoto ülikooli teadlast Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa, tungides omaloodud matemaatilise 3 x 3 maatriksiga kvarkide maailma. Kvarkidest on ehitatud prootonid ja neutronid, aga ka paljud teised hadronite nimelisse perekonda kuuluvad osakesed. Nad ennustasid sümmeetria rikkumist mitmetes osakestes, ja nende oletus osutus 30 aastat hiljem tehtud eksperimentide najal ka tõeks. Sellega said füüsikud valmis oma standardmudeli, mis kirjeldab osakeste maailma. Ja Kobayashi ning Maskawa teenisid tänavuse Nobeli füüsikapreemia.
Kuid sümmeetriat peab rikutama ikka ja jälle, et maailma koos hoida. Maailmas esineb palju algosakesi, mille mass on väga erinev. Raskeim kvark näiteks on elektronist kolmsada tuhat korda raskem. Ning ka jõud, mis osakesi koos hoiavad, on väga erineva suurusega. On elektromagnetiline vastastikmõju, siis nõrk vastastikmõju ja tugev vastastikmõju. Nüüd arvatakse, et algse jõudude vahelise sümmeetria lõi paigast spontaanne rikutud sümmeetria, mida kutsutakse ka Higgsi mehhanismiks ja mille jahtimiseks on CERN-i ehitatud suur hadronite põrgataja.
Rikutakse pidevalt
Sellele avastusele pani aluse kolmas tänavuse Nobeli füüsikapreemia laureaat, Chicago ülikooli teadlane Yoichiro Nambu, kes tõi 1960. aastal algosakeste füüsikasse sümmeetria spontaanse rikkumise mõiste. Nambu uuris algul ülijuhtivust – olekut, kus elektrivoolud jäävad äkitselt igasuguse takistuseta. Seejuures tuligi ta mõttele, et sümmeetriat rikutakse spontaanselt, ning laiendas oma ideid edaspidi kogu algosakeste maailmale.
Sümmeetria spontaanset rikkumist võime ka oma makromaailmas kogeda iga päev, iga hetk. Paneme näiteks pliiatsi teravikule püsti. Kuni seda teisest otsast sõrmega toetame, on pliiatsi maailm sümmeetriline. Kõik ruumi suunad on samaväärsed. Võtame aga sõrme ära, siis ei püsi pliiats teravikul kaua püsti. Tal tuleb valida üks ja ainult üks suund, kuhu kukkuda. Sümmeetria rikutakse, ja pliiats on saavutanud rahu seisundi – kõige madalama energia võimalikest.
Istume ümmarguse kaetud laua taga. Kumb joogiklaas on meile – kas vasak- või parempoolne? See on ju ükskõik, olukord on sümmeetriline. Kui aga üks võtab parempoolse klaasi, peavad nii tegema kõik. Sümmeetriat rikutakse.
Nambu mõistis, et sümmeetria spontaanse rikkumise uurimiseks tuleb uurida vaakumit. Kui kunagi arvati, et vaakum on tühi, siis pikapeale selgus, et nii see pole. Vaakumist lipsab pidevalt välja osakesi ja kaob siis silmapilk jälle tagasi. Nii et vaakum ei ole kaugeltki sümmeetriline.
Sümmeetria spontaanne rikkumine seletab ka siiani veel hüpoteetilist Higgsi välja ja selle kaudu sündmusi, mille käigus algselt nullmassiga algosakesed said endale massi. Kui Universum pärast Suurt Pauku jahtus, siis kadus selle sümmeetria, nii nagu pliiats valib langedes ühe suuna. Higgsi väli oli elementaarosakeste siirup, kus iga osake haaras endale erineva portsu energiat. Footon jäi päris ilma, teistele aga jagus midagi. Kuidas aga osakesed said endale massi, selles loodetakse selgust saada suure hadronite põrgatajaga. Igal juhul on sümmeetria oluline, kuid ilma sümmeetria rikkumiseta ei oleks võimalik Universum, nagu me seda tunneme. Ning selle tõe selgitamisel on oluline osa tänavustel Nobeli füüsikapreemia võitjatel.
Selgus aga libiseb üha kaugemale. “Mida arusaadavam Universum näib, seda mõttetum ta tundub,” ütles üks standardteooria loojaid, nobelist Steven Weinberg.
