دیدارنیوز _ سروش زمانی مقدم: مهندسین سازه و بنا، عموما بر ایجاد تقارن در سازه‌های خود اصرار دارند و حفظ تقارن در بنا‌ها و همچنین اثر‌های هنری هنرمندان، از عناصر زیبایی شناختی ایشان شناخته می‌شود.
پرواضح است که تکنیک‌های هنری برای ایجاد و حفظ تقارن از دیرباز، بر شکوه و زیبایی این آثار افزوده و تحسین بینندگان را نیز برانگیخته است.
در فیزیک اما، نه تنها مفهوم تقارن در نهایی‌ترین شکل خود، متفاوت از تعاریف عمومی شناخته شده ماست، بلکه آنچه که عموما از آن با عنوان "شکست تقارن" یاد می‌شود، عمق و زیبایی بیشتری به درک فیزیکی ما از جهان داده و به شناخت پدیده‌های محیط اطرافمان غنای بیشتری بخشیده است.
اگر در عمومی‌ترین تعریف، فیزیک را علم مطالعه ماده و برهمکنش‌های آن در نظر بگیریم، آنگاه در می‌یابیم که تلاش فیزیکدانان بر آن است که رفتار سیستم‌های فیزیکی را از "بنیادی‌ترین قوانین" ممکنی که می‌توان به دست آورد، درک و تفسیر کنند.
بیشتر بخوانید: حلقه خندان انیشتین در کیهان
در این مسیر، اصول پایه‌ای تقارن که منجر به "مرتبط" و "متحد کردن" مفاهیم مختلف، در قوانین فیزیکی منسجم و کارآمد شده است، از کلیدی‌ترین اصول فیزیک بوده و درک "اصل تقارن" برای مطالعه فیزیک ضروریست.
اما به واقع درک ابتدایی ما از تقارن به چه مفهوم است؟ و معنای تقارن و شکست آن در چارچوب تعاریف فیزیک چیست؟
در ساده‌ترین تعریف، زمانی در یک سیستم تقارن وجود دارد، که وقتی آن را به شکلی تغییر شکل می‌دهید، تغییری در وضعیت آن حاصل نشود و یا به اصطلاح وضعیت سیستم "ناوردا" بماند؛ بنابراین در نگاه متخصصان اگر تبدیلی در یک سیستم منجر به تغییری در وضعیت آن شود، این مفهوم به معنای "شکست تقارن" است.
مثلا کوزه سفالی پر نقش و نگینی که با دورانش، تغییری در شکل و نقوشش ایجاد نمی‌شود، تقارنی چرخشی یا دورانی دارد.
بیشتر بخوانید: بقاء تمدن انسانی هدفمند یا تابع اتفاق؟
مثال‌های متنوع دیگر از این دست در دنیای اطرافمان بی شمارند که دارای انواع دیگری از تقارن‌ها منجمله تقارن خطی یا انعکاسی هستند. اما تقارن در فیزیک معنایی بسیار عمیقتر از انعکاس دادن یا دوران دادن اجسام دارد.
بنیادی‌ترین شکل تقارن در فیزیک، تقارنی است که "تقارن انتقالی" یا "تقارن هندسی" نامیده می‌شود و اگر سیستمی دارای چنین تقارنی باشد، بدین معنا خواهد بود که در اثر تغییر در مکان یا وضعیت فیزیکی سیستم، ویژگی‌های سیستم حفظ شده و تغییری نمی‌کنند. بیان معادل دیگر برای این نوع تقارن آنست که قوانین فیزیک باید در مکان‌های مختلف، یکسان باشند.
"به خاطر باور به چنین تقارنی است که قوانین کشف شده بر روی زمین را برای هر نقطه دیگر کهکشان نیز بکار می‌بریم"
در واقع در حالتی کلی‌تر و با لحاظ کردن تقارن دورانی، به نظر می‌آید که گویی "فضا" در همه جهت‌ها یکسان است و جهت خاصی در فضا ارجحیت ندارد؛ بنابراین حرکت دادن اجسام در فضا، در حالت کلی، ویژگی‌های فیزیکی سیستم و قوانین فیزیکی حاکم بر آن را دستخوش تغییر نمی‌کند.
در نوع دیگری از تقارن، که "تقارن داخلی" نام دارد، کلیت یک سیستم، با تغییر بخشی از درون سیستم، یا یک ویژگی درونی آن، با بخش دیگری از سیستم، بدون تغییر می‌ماند.
نوع خاصی از تقارن داخلی، "تقارن مزدوج بار" نامیده می‌شود. در این نوع تقارن، جابه جایی کلیه بار‌های الکتریکی مثبت سیستم، با بار‌های منفی الکتریکی درون آن، نیرو‌های الکترومغناطیسی داخل سیستم را بدون تغییر نگه می‌دارد.
به نظرتان چه تقارن‌های خاص دیگری در فیزیک پدیدار می‌شوند؟
برای پاسخ به این سوال به این نکته دقت کنید که آیا اگر قوانین فیزیک منحصر به زمان می‌بودند، می‌توانستند برای توصیف جهان به کار رفته و اهمیتی داشته باشند؟
بیشتر بخوانید: پخت‌و‌پز کیهانی پاستای هسته‌ای
می‌دانیم که "حداقل در بازه‌های زمانی کوتاه مدت"، قوانین فیزیک با گذشت زمان دستخوش تغییر نمی‌شوند؛ بنابراین اگر آزمایشی را امروز به طریق صحیحی انجام دهیم، نتایج آن نباید با نتایج کسب شده آزمایش در ماه‌های بعد و یا سال‌های پس از آن تفاوتی داشته باشد.
این موضوع غالبا اینگونه بیان می‌شود که:
"قوانین فیزیک بطور بنیادی نسبت به زمان تقارن داشته و یا به بیان دیگر دارای تقارن زمانی دارند! ".
اما نظریه‌های مدرن فیزیک، همچون "نظریه ریسمان"، از تقارن خاص و متفاوت دیگری صحبت می‌کنند که حتی همچون دیگر تقارن‌های ذکر شده، تا به حال در طبیعت نیز مشاهده نشده است.
مزیت این تقارن بنیادی دیده نشده که اصطلاحا "ابرتقارن" نامیده می‌شود، آنست که با کاهش دادن روابط ریاضی موجود برای توصیف برهمکنش‌های شناخته شده در طبیعت، اتحاد همه نیرو‌ها یا همان برهمکنش‌ها را ممکن می‌سازد.
تا به حال احتمالا به این نتیجه رسیده اید که تنوع پدیده‌های موجود در جهان، به مثابه یک اثر هنری همچون یک کل، ناشی از وجود تقارن هاییست که آن‌ها را برشمردیم، اما به واقع ماجرا در فیزیک متفاوت است!
شکوه عالم در واقع نه از خود تقارن، بلکه "بیشتر" ناشی از حالتی است که از آن با عنوان "شکست تقارن" نام بردیم و در واقع بیان کردیم که هرگاه تبدیلی در سیستم منجر به تغییراتی در سیستم فیزیکی تحت بررسی مان شود، آنگاه به اصطلاح تقارن شکسته شده است.
بیشتر بخوانید: سفیدچاله خیال یا واقعیت؟
حقیقت آنست که بدون شکسته شدن تقارن، جای جای کیهان، یکنواخت و بدون تنوع بود و لذا به قول پروفسور ساسکایند، با شکسته شدن تقارن است که همه چیز جذاب‌تر شده است!
وی اشاره می‌کند که اگر همچنان همه چیز متقارن بود، دنیا جای کسل کننده‌ای بود و در واقع تفاوت‌هایی که در عالم، از برهم خوردن تقارن بوجود آمده است، طبیعت را این چنین جالب و البته شایسته پژوهش کرده است! مثال مهمی از تقارن‌های شکسته شده که در طبیعت تاکنون دیده نشده اند، همان "ابرتقارن" ذکر شده است.
فیزیکدانان بر این باورند که زمانی در ابتدای عالم، و هنگامی که دمای عالم در سطح بسیار بالاتری از حال حاضر بود، هر چهار نیروی شناخته شده طبیعت، یعنی نیرو‌های "الکترومغناطیسی"، "هسته‌ای ضعیف"، "هسته‌ای قوی" و "گرانش" با هم یکی بوده اند و تنها زمانی که جهان به وضعیت‌های کم انرژی‌تر پیش رفت، کم کم تقارن ذاتی بین این نیرو‌ها از دست رفته و باعث به وجود آمدن چهار شکل شناخته شده و البته متفاوت نیرو در طبیعت شد.
در واقع هدف از ایجاد یک نظریه "گرانش کوانتومی" یا "نظریه ریسمان" آنست که بتواند پژوهش در زمان‌های گذشته کیهان را که در آن هر چهار نوع نیروی ذکر شده، قسمی از یک نیروی واحد بوده اند را ممکن سازد. تنها در صورت دستیابی به چنین هدفیست، که درک ما از لحظات نخستین عالم، یعنی در آخرین زمانی که این برهمکنش‌ها شکل متحد به خود دیده اند، عمیقتر خواهد شد.
غالبا برای درک رخدادی که از آن با نام "شکست خود به خودی تقارن" یاد می‌شود، مثال ساده شده زیر راهگشاست.
بیشتر بخوانید: متوشالح ستاره‌ای که از جهان پیرتر است
مدادی را تصور کنید که در حالت تعادلی که کاملا ناپایدار است، بر روی نوک خود کاملا بی حرکت ایستاده است. تا زمانی که اختلالی در وضعیت مداد رخ ندهد، در این حالت ناپایدار خواهد ماند، اما هرگونه آشفتگی و اختلال منجر به افتادن آن می‌شود.
نکته مهم در اینجا آنست که برطبق هیچکدام از قوانین طبیعت نمی‌توان پیش بینی کرد که مداد از کدام سمت خواهد افتاد، چراکه مداد در وضعیت متقارنی قرار دارد که هیچ جهت ارجحی برای افتادن آن وجود ندارد، اما زمانی که که مداد در جهتی شروع به افتادن کرد، قوانین فیزیک، توصیف گر چگونگی افتادن مداد در ادامه مسیر خواهند بود.
در واقع وضعیت متقارن مداد مذکور، بصورت تصادفی و خود به خود، دستخوش فروپاشی و تغییر به شکلی نامتقارن خواهد شد و اصطلاحا شکست خود به خودی تقارن رخ می‌دهد و این زمانیست که دیگر انتخابی برای سیستم وجود نخواهد داشت.
در واقع پیش بینی می‌شود که برخی از ویژگی‌های عالم، در زمانی دور، بسیار متقارن بوده اند که پس از رخداد شکست خود به خودی تقارن، جهان متنوعی را که امروزه نظاره گر زیبایی‌های آن هستیم شکل داده اند.
بدین جهت شکوه شکست تقارن در آنست که با تغییر وضعیت حالت متقارن کیهان اولیه و شکل گیری چهار نوع برهمکنش شناخته شده‌ای که امروزه می‌شناسیم، طیف وسیعی از متنوع‌ترین پدیده‌های فیزیکی را در نظریه‌های مختلف فیزیکی، از فیزیک کلاسیک تا فیزیک مدرن، حادث شده اند، تا همواره لذت مداوم کشف ناشناخته‌های روز افزون این جهان برایمان وجود داشته باشد.
از آن مهمتر وجود و حیات ما در این جهان اثباتی بر ادعای پایدار نماندن جنبه‌هایی از ابر تقارن اولیه در جهان است. جهان مادی‌ای که خود حاصل یک شکست تقارن سوال برانگیز دیگر بین مقدار "ماده" و "پادماده" و فزونی یافتن مقدار ماده بر مقدار پادماده‌ای می‌باشد که امروزه گویا بنظر اثری از آن نیست!
(به دانش آدینه۴ با نام "چرا بودن؟ اینک مساله این است؟ " مراجعه شود).
بیشتر بخوانید: چرا بودن؛ اینک مسئله این است!
بی جهت نیست که در سال ۲۰۰۸ جایزه نوبل فیزیک، به پاس پژوهش‌هایی که در طول چندین دهه توسط سه فیزیکدان با نام‌های "کوبایاشی"، "ماسکاوا" و "نامبو"، بر روی جنبه‌های مختلف شکست تقارن و روشن کردن مفاهیم آن انجام شده بود، به ایشان اعطاء شد.
