จินตนาการว่าคุณกำลังจะสร้างจักรวาล คุณจะทำอย่างไร? ทันทีที่คุณพูดว่า “ปล่อยให้มีกฎของฟิสิกส์” คุณจะประสบปัญหาทันที กฎเดียวกันนี้มีไว้สำหรับทุกคนในจักรวาลของคุณไม่ว่าพวกเขาจะอยู่ที่ไหนหรือไม่? หรือกฎหมายเปลี่ยนแปลงเมื่อคุณเคลื่อนไหวหรือหันหน้าไปในทิศทางที่ต่างกัน? เห็นได้ชัดว่าวิธีที่ยุติธรรมและยุติธรรมที่สุดในการดำเนินการคือทำให้กฎของฟิสิกส์เหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์
ทุกคน
สำหรับนักฟิสิกส์แล้ว ความเสมอภาคและความยุติธรรมของกฎทางฟิสิกส์เรียกว่าสมมาตร และสมมาตรที่กำหนดให้กฎของฟิสิกส์เหมือนกันสำหรับผู้สังเกตทุกคนเรียกว่าสมมาตรลอเรนซ์ ความสมมาตรเป็นหนึ่งในแนวคิดที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ และเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการอนุรักษ์ปริมาณ
เช่น พลังงาน โมเมนตัม และประจุ อย่างไรก็ตาม การทำลายสมมาตรก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การทำลายสมมาตรด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดการสร้างมวลในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค
ไอน์สไตน์คือผู้ที่ในปี 1905 ได้ใช้ลอเรนซ์สมมาตรเป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายกฎของฟิสิกส์ในจักรวาล
ของเรา เขาใช้ความสมมาตรของลอเรนซ์เป็นสมมุติฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ โดยเขาสันนิษฐานว่ากฎของฟิสิกส์ รวมถึงความเร็วของแสงในสุญญากาศนั้นเหมือนกันสำหรับความเฉื่อย ทั้งหมดผู้สังเกตการณ์ ผู้สังเกตการณ์เฉื่อยคือใครก็ตามที่มีระบบนาฬิกาและไม้บรรทัดที่ปรับเทียบแล้ว
ซึ่งพักอยู่ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เร่งความเร็ว ไอน์สไตน์หาผลที่ตามมาของสมมาตรลอเรนซ์และได้ข้อสรุปที่น่าตกใจว่าการวัดความยาวและช่วงเวลาจะแตกต่างกันเมื่อวัดค่าโดยผู้สังเกตการณ์เฉื่อยซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ขอบเขตของการบิดเบี้ยวของปริภูมิและเวลานี้ได้รับการอธิบายโดยชุดของสมการ
ปัจจุบันเรียกว่าการแปลงแบบลอเรนซ์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ถูกค้นพบเมื่อปีที่แล้ว เมื่อเขาพยายามอธิบายผลลัพธ์ที่เป็นโมฆะของการทดลอง แม้ว่าบริบทที่เขาใช้พวกมันจะไม่ถูกต้อง ปรากฏว่าไม่มีอีเธอร์สมการเองก็เหมือนกับสมการที่ไอน์สไตน์ได้รับในปี 1905 เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงในอวกาศ
และเวลา
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพ จนถึงตอนนี้ สมมาตรลอเรนซ์ยังคงยืนหยัดต่อการทดสอบของเวลา แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักทฤษฎีเริ่มตั้งคำถามว่ามันเป็นสมมาตรที่แน่นอนของธรรมชาติจริงหรือไม่ พวกมันมีแรงจูงใจหลักมาจากหนึ่งในปัญหาที่แก้ไม่ตกที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ นั่น คือ
เราจะทำให้แรงโน้มถ่วงเข้ากันได้กับควอนตัมฟิสิกส์ได้อย่างไรคู่แข่งชั้นนำสำหรับทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมคือทฤษฎีสตริง ซึ่งแทนที่อนุภาคจุดด้วยสตริง 1 มิติ หรือโดยวัตถุที่มีมิติสูงกว่าที่เรียกว่า
นอกเหนือจากการรวมแรงโน้มถ่วงไว้ในทฤษฎีควอนตัมแล้ว ทฤษฎีสตริงยังพยายามรวมพลังทั้งสี่
ของธรรมชาติ ได้แก่ แรงนิวเคลียร์ที่แรงและอ่อน แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วง เข้าเป็นทฤษฎีที่รวมเป็นหนึ่งเดียว อีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนซ้ำ อธิบายปฏิสัมพันธ์เชิงโน้มถ่วงในแง่ของตัวแปรบนลูป ทั้งสองทฤษฎีนี้อนุญาตให้มีความเป็นไปได้ที่สมมาตร Lorentz อาจไม่ตรงเป๊ะ
สเกลพลังงานที่แรงโน้มถ่วงมาบรรจบกับควอนตัมฟิสิกส์เรียกว่าสเกลพลังค์ พลังงานพลังค์ถูกกำหนดเป็น ( h-barc 5 / G ) 1/2โดยที่h-barคือค่าคงที่ของพลังค์หารด้วย 2π, cคือความเร็วแสง และGคือค่าคงที่แรงโน้มถ่วงของนิวตัน พลังงานพลังค์มีค่าประมาณเท่ากับ 10 19GeV ซึ่งมีขนาดหลายลำดับ
กว่าที่แม้แต่เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดจะเอื้อมถึงได้ นักฟิสิกส์บางคนสรุปว่าฟิสิกส์ในระดับพลังค์ไม่สามารถทดสอบได้ อย่างไรก็ตาม อย่างที่เราจะเห็นว่ามุมมองนี้เป็นสายตาสั้น การทดลองล่าสุดจำนวนหนึ่งที่ทดสอบความสมมาตรของลอเรนซ์นั้นไวต่อฟิสิกส์ในระดับพลังค์อยู่แล้ว
การค้นหาการละเมิด กลายเป็นจุดสนใจหลักของงานล่าสุดในปรากฏการณ์วิทยาแรงโน้มถ่วงควอนตัม
การละเมิดทฤษฎีในช่วง 15 ปีที่ผ่านมา และเพื่อนร่วมงานที่ ในสหรัฐอเมริกาได้บุกเบิกการค้นหาการละเมิด ซึ่งเป็นลายเซ็นของฟิสิกส์ระดับพลังค์ (รูปที่ 1) งานของพวกเขาครอบคลุมหลายด้าน
ซึ่งรวมถึง
ทฤษฎีสตริง ทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสนามควอนตัม จักรวาลวิทยาและปรากฏการณ์วิทยา และพวกเขาได้ค้นพบวิธีใหม่ๆ ในการทดสอบสมมาตรลอเรนซ์ ในขณะเดียวกัน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้นำไปสู่การปรับปรุงความไวของการทดลองที่มองหาการละเมิด ด้วยเหตุนี้ จึงมีการทดสอบ
ที่มีความแม่นยำเป็นพิเศษหลายรายการเมื่อเร็วๆ นี้ และการทดลองอื่นๆ ก็กำลังดำเนินการอยู่ เพื่อเริ่มทำความเข้าใจงาน เกี่ยวกับการละเมิด สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่า จริงๆ แล้วมีสองวิธีในการดูความสมมาตรข้อความที่ว่ากฎของฟิสิกส์เหมือนกันสำหรับผู้สังเกตการณ์เฉื่อยทั้งหมดคือสิ่งที่เรียกว่าความ
ไม่แปรเปลี่ยน ของผู้สังเกตความสมมาตรที่สง่างามนี้บอกเพียงว่ากฎของธรรมชาติไม่สามารถขึ้นอยู่กับมุมมองของผู้สังเกตได้ ตัวอย่างเช่น คนบนรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่และคนที่รอที่สถานี ตัวอย่างเช่น ปฏิบัติตามกฎทางฟิสิกส์เดียวกัน แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคนบนรถไฟลุกขึ้นและเริ่มเดินไปมา?
การให้อนุภาคหรือวัตถุเคลื่อนที่ตามกรอบเฉื่อยคงที่ (รถไฟในกรณีนี้) เรียกว่าการแปลงลอเรนซ์ ของอนุภาค จากมุมมองคงที่ของรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่ ผู้โดยสารที่นั่งและผู้โดยสารที่กำลังเคลื่อนที่มีประสบการณ์ในกฎของฟิสิกส์เหมือนกันหรือไม่? ในกรณีที่ไม่มีการละเมิด
คำตอบคือใช่ ผู้โดยสารที่กำลังเคลื่อนที่เพียงแค่แนะนำเฟรมผู้สังเกตการณ์ที่สาม และการแปลงลอเรนซ์ของอนุภาคและการแปลงลอเรนซ์ของผู้สังเกตการณ์นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม ได้แสดงให้เห็นว่าการแปลงทั้งสองประเภทนี้ไม่เท่ากันหากละเมิดสมมาตร กล่าวอีกนัยหนึ่ง
