Fundamental fysik bloghoved

Grundlaget for moderne teoretisk fysik

I dag er det den tyske matematiker Emmy Noethers 133 års fødselsdag. Selv døde hun som 53-årig, men hendes arbejde lever videre som et af de vigtigste grundlag for moderne teoretisk fysik.

Hun er ophav til Noethers sætning, en sætning der forbinder "symmetri" i naturlove med bevarelsessætninger man kan teste eksperimentelt. Jeg vil prøve at give en forklaring på hvad symmetri betyder, og hvorfor bevarelsessætninger er så vigtige. Lad mig starte med et eksempel. Overvej udsagnet: De fysiske love ændrer sig ikke over tid. Det er et udsagn der i virkeligheden handler om symmetri: Hvis en fysisk lov ikke ændrer sig når vi udsætter den for en bestemt operation, siger vi at den er symmetrisk under den operation.

Idéen om at fysiske love ikke ændrer sig over tid, er ret grundlæggende for hvordan vi forstår fysikken. Og det er også ret svært at teste direkte. I ovenstående tilfælde skulle vi udføre samme eksperiment igen og igen, gennem mange år. Heldigvis fortæller Noethers sætning os at der til enhver symmetri hører en bevarelsessætning. I dette tilfælde er det energibevarelse. Essensen af dette er altså, at de to udsagn: "Fysikken er ens til alle tider" og "Energibevarelse" er éns. Det må siges at være en ret overraskende kobling, og det er netop dét der gør den så kraftfuld.

Udsagn om symmetrier er i moderne fysik noget af det vi allerhelst vil teste. Symmetrierne er lidt mere besværlige at skrive formelt op end den ovenstående, men idéen er den samme. Partikelfysikkens standardmodel er bygget op på den måde. Som en såkaldt gauge-teori. Det betyder at den type symmetri teorien skal overholde hedder gauge-symmetri. Gauge-symmetri er i bund og grund et matematisk trick. Vi kan godt lide at skrive partiklerne matematisk op som "felter". Hvis vi kan transformere disse felter uden fysikken ændrer sig, har vi en gauge-symmetri.

Det bedste eksempel kommer fra elektrodynamikken. Vi kan måle elektriske og magnetiske felter direkte, så dem går det ikke at transformere. Hvis man derimod skriver dem om til potentialer, kan potentialerne transformeres, uden målbar forskel. Det ene af disse potentialer er den velkendte spænding, og enhver der har leget med elektronik ved at man kun kan måle forskelle i spænding, ikke spændingen i sig selv. Derfor kunne man som et matematisk trick sagtens forestille sig at man lagde 100 V til alle spændinger, uden nogen ændring i fysikken - simpelthen fordi spændinger i sig selv ikke er målbare.

Stort set alle teorier for ny fysik - inklusive den eksisterende, Standardmodellen - er bygget op omkring symmetrier. Og vi har efter alt at dømme Noether at takke for det fokus der har fulgt os de sidste 100 år.

Christian Bierlich er teoretisk partikelfysiker og er i gang med en ph.d. ved Lund Universitet. Han skriver om stort og småt fra fysikkens verden.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Godt formidlet. Det er altid en glæde at læse dine indlæg, Christian.

  • 11
  • 0

Tak for informationen om denne person som ellers ville være gået min næse fuldstændig forbi. Jeg ser linken øverst (linje 1) og at Google ikke inkluderer Danmark for denne doodle. Er der en måde hvorpå vi danskere kan "forlange" at Google inkluderer os?

  • 1
  • 0

Hej Claus,

Jeg kan desværre ikke selv få den fejlmeddelelse du taler om. Og med det lidt jeg forstår om store datacorps forstår jeg dog at vi vist ikke kan forlange noget som helst af Google...

Grunden til jeg smed google-linket ind var at det var dem der mindede mig om mærkedagen - jeg går nemlig heller ikke normalt og husker på fysikeres fødselsdage :)

  • 2
  • 0

I de fleste tilfælde, er det oplagt at vi må opdage, hvis de fysiske love ændres. Men ikke nødvendigvis.

Bevæger vi os med stor hastighed, så ændrer vores tid og hastighed sig i forhold til omverdenen. Men vi selv opdager intet. I vores system, er de fysiske love ens, og vi måler ingen ændring af tid, masse, eller af lysets hastighed. Men vi vil opleve, at lyset fra stjernernes farve ændres, fordi vi bevæger os i forhold til dem.

Bevæger vi os med stor acceleration i et homogent felt, så opdager vi heller ikke at vi accelererer - fra omverdenen er det tydeligt, at vores tid og hastighed ændres. Men, for os, er der ingen forskel.

Der findes åbenbart tilfælde, hvor vores fysiske love lokalt bevares, trods lovene udefor systemet, ser ud til at ændres i vores system.

Jeg mener, at f.eks. rødforskydningen viser et sådant eksempel.

Og spørgsmålet er, om det kan fortolkes som en ændring af lovene gennem tiden, trods vi intet sted i universet oplever at lovene ændres.

  • 0
  • 1

Bevæger vi os med stor hastighed, så ændrer vores tid og hastighed sig i forhold til omverdenen. Men vi selv opdager intet. I vores system, er de fysiske love ens, og vi måler ingen ændring af tid, masse, eller af lysets hastighed. Men vi vil opleve, at lyset fra stjernernes farve ændres, fordi vi bevæger os i forhold til dem.

Der er ingen fysiske love der bliver ændret ved at vi bevæger os med meget høj hastighed... Tiden bevæger sig bare med forskellig hastighed, forskellige steder i universet. Men den overholder de samme fysiske love i begge systemer...

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten