Принципи симетрії як засіб відкриття законів природи використовували ще у середньовіччі, на світанку формування фізики як науки. Спрощено кажучи, якщо ми бачимо один бік медалі, то існує рівноцінний йому невидимий бік. Однак систематичному дослідженню симетрій не приділяли особливої уваги.

Становище змінилося наприкінці ХІX — початку ХХ століть, коли спочатку Пуанкаре дослідив властивості симетрії рівнянь електродинаміки, а Ейнштейн у своїй роботі зі спеціальної теорії відносності сформулював універсальний характер симетрій простору— часу. У ХХ столітті принципи симетрії отримали подальший розвиток, виявившись ефективними не тільки при дослідженні явищ, які належать до класичної фізики, але також і в квантовій теорії, що вивчає закономірності мікросвіту.

Поняття симетрії — найважливіша складова частина статистичної фізики і пов’язаної з нею теорії фазових переходів. При зміні зовнішніх умов — температури, тиску, електричного або магнітного поля, можливий перехід речовини до якісно нового стану. Процес, під час якого виникає такий стан, називають фазовим переходом. Фазові переходи постійно відбуваються навколо нас і мають неабияке значення в нашому житті. Найпростішим приклад: перетворення рідини на пару або кристал, і навпаки. Рідина, пара і кристал являють собою стани (фази) тієї само речовини з різними термодинамічними характеристиками, наприклад густиною. Фази можуть розрізнятися також здатністю рідини текти, не зазнаючи тертя (надплинний стан речовини) або здатністю речовини проводити електричний струм без втрат (надпровідний стан).

Величезний внесок у розуміння й теоретичний опис фазових переходів було зроблено видатним фізиком-теоретиком, лауреатом Нобелівської премії академіком Л. Д. Ландау. Його піонерські відкриття були зроблені у середині 30-х років у Харкові, в Українському фізико-технічному інституті. Ландау першим усвідомив ключову роль можливості зміни симетрії при фазовому переході (фазовий перехід другого роду): вище точки переходу система є більш симетричною.

Феномен надплинності

Чи не найцікавішим фазовим переходом, який супроводжується порушенням симетрії, є перехід рідкого гелію-3 та гелію-4 до надплинного стану при низьких температурах. За такого надплинного стану рідина здатна протікати через як завгодно тонкі капіляри, не зазнаючи тертя. Однак, попри те, що електронна структура атомів гелію-3 та гелію-4 є однаковою, їхні властивості при низьких температурах істотно розрізняються. Річ у тім, що атоми гелію-4 є бозонами, а атоми гелію-3 — ферміонами. Принципова різниця між бозонами та ферміонами найяскравіше проявляється в системах багатьох частинок: у той час, як будь-яка кількість бозонів може знаходитись в одному стані, закони квантової механіки забороняють навіть двом ферміонам займати той само квантовий стан. Завдяки цьому мікроскопічна природа й фізичні властивості надплинного гелію-3 та гелію-4 відмінні між собою. Надплинність у гелії-4 виникає при температурі, близько 2 градусів вищій за абсолютний нуль, а от для надплинності гелію-3 необхідна температура майже у тисячу разів нижча. Окрім того, надплинність гелію-3 є більш різноманітною: сам надплинний стан може мати декілька фаз.

Мікроскопічну природу надплинності гелію-4 вдалося пояснити на якісному рівні академіку М. М. Боголюбову. Згідно із запропонованою ним мікроскопічною теорією, виникнення надплинності супроводжується явищем так званої Бозе-Ейнштейнівської конденсації — переходом значного числа атомів до того самого стану. Сьогодні ця теорія розвинулась у цілковито самостійну науку з власними математичними методами й труднощами, а численні її результати були підтверджені у визначних експериментах зі спостереження Бозе-Ейнштейнівської конденсації в розріджених газах атомів лужних металів, таких як рубідій, натрій, літій, калій.

За ці експериментальні праці 2001 року було присуджено Нобелівську премію з фізики, що наочно показує їх важливість. Теорія Боголюбова відіграла важливу роль також у побудові теорії надплинності гелію-3: його атоми можуть створювати так звані куперівські пари, які, будучи як ціле бозонами, зазнають явища Бозе-Ейнштейнівської конденсації, а таким чином формується надплинний стан системи. Інтенсивні дослідження явищ Бозе-Ейнштейнівської конденсації і надплинності тривають у провідних наукових центрах світу.

Особливу роль відіграють принципи симетрії у фізиці елементарних частинок. Починаючи з 1897 року, коли англійський фізик Дж. Дж. Томсон відкрив електрон, було експериментально виявлено більш як 500 нових частинок. Сама можливість вивчати властивості елементарних частинок ґрунтується на взаємодії між ними. На мікроскопічному рівні процеси взаємодії можна уявити як випромінювання й поглинання елементарних частинок — носіїв відповідних взаємодій. Зараз відомо чотири типи фундаментальних взаємодій: сильна, електромагнітна, слабка, гравітаційна, що відрізняються як інтенсивністю та радіусом дії, так і внутрішньою симетрією. Враховуючи величезну різноманітність властивостей елементарних частинок та їх взаємодій, бажання фізиків розробити їх єдину теорію є природним. І тут на перший план виходять методи симетрії. Створення об’єднаної теорії фундаментальних взаємодій — чи не найскладніша проблема сучасної науки. Над її розв’язанням почали працювати ще в першій половині ХХ століття Ейнштейн, Гейзенберг, Клейн. Найбільшим успіхом на цьому шляху стало створення на початку 70-х років Вайнбергом, Глешоу та Саламом так званої Стандартної моделі, яка об’єднала електромагнітну й слабку взаємодії з сильною. Висновки цієї теорії задовільно узгоджуються з багатьма експериментальними даними при доступних для спостереження значеннях енергій елементарних частинок. Однак вона не може пояснити всю різноманітність властивостей частинок, наприклад, значення мас і зарядів складових атомів протонів, нейтронів та електронів. Також Стандартна модель не включає четверту із фундаментальних взаємодій — гравітаційну, яка є найменш інтенсивною, але якої зазнає вся матерія у Всесвіті. Теоретичні розрахунки передбачають, що інтенсивність усіх взаємодій стає приблизно однаковою на відстанях, на 23 порядки менших за радіус атомного ядра. Саме в цій області, недоступній для сучасної експериментальної техніки, може відбуватись об’єднання усіх взаємодій. У природі такі умови могли існувати мільярдні долі секунди після Великого Вибуху.

Вагомі дослідження

За останні 30 років фізики-теоретики досягли істотного прогресу в розумінні того, як побудована матерія на таких малих відстанях, що привело до розробки нових сценаріїв об’єднання взаємодій на основі суперсиметрії. Суперсиметрія дозволяє в єдиний спосіб описувати бозонні та ферміонні частинки і є нетривіальним узагальненням математичних методів, які лежать в основі теорії відносності Ейнштейна. Ряд піонерських результатів у теорії суперсиметрії, що визначили напрями подальших досліджень, було здобуто на початку 70-х років під керівництвом академіка НАНУ Д. В. Волкова в Харківському фізико-технічному інституті.

Значний внесок у дослідження ролі симетрій у фізиці високих енергій і квантовій статистиці належить теоретикам ННЦ ХФТІ академікам О. І. Ахієзеру, Д. В. Волкову та С. В. Пелетмінському. Вони створили широко відомі наукові школи, що займаються дослідженнями в галузі теорії суперсимметрії та квантової теорії необоротних процесів, як у нормальних системах, так і в системах зі спонтанно порушеною симетрією. Зараз кращі наукові традиції, закладені старшими поколіннями, підтримує й розвиває молодь. Група молодих учених Інституту теоретичної фізики ім. О. І. Ахієзера отримала важливі результати у дослідженні впорядкованих станів квантових рідин та особливостей спонтанного порушення суперсиметрії в моделях релятивістських об’єктів у розширених суперпросторах та в зовнішніх полях. Вони, безумовно, відповідають світовому рівню. Цикл робіт «Дослідження станів зі спонтанно порушеними симетріями у квантових рідинах та суперсиметричних релятивістських об’єктах» авторського колективу у складі О. С. Пелетмінського, Д. В. Уварова, С. М. Шульги висунуто Національним науковим центром «Харківський фізико-технічний інститут» на здобуття Премії Президента України для молодих учених 2008 року. Вважаю, що досягнення цього молодого та перспективного творчого колективу заслуговують на велику увагу наукової громадськості країни й закликаю їх підтримати.

Ю. В. СЛЮСАРЕНКО,доктор фізико-математичних наук, професор, начальник відділу статистичної фізики та квантової теорії поля ННЦ ХФТІ.