Apa itu Simetri dalam Fisika?

Apa itu Simetri dalam Fisika?

Dalam fisika, simetri mengacu pada perilaku partikel saat ruang, waktu, atau bilangan kuantum dibalik. Kita terbiasa melihat jenis simetri sederhana dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, wajah manusia simetris sempurna saat dipantulkan dari kiri ke kanan. Namun, wajah sama sekali tidak simetris saat dipantulkan dari atas ke bawah—setengah bagian atas wajah tidak tampak sama dengan bagian bawah. Perubahan kecil dapat merusak simetri. Misalnya, wajah dengan tahi lalat di salah satu pipi akan merusak simetri kiri-kanan.

Simetri dalam fisika bukan hanya tentang penampilan dan bentuk. Hal ini berbeda dengan simetri dalam biologi, yang sering kali merujuk pada simetri ketika membahas tentang bagaimana organisme terlihat dan bagaimana tubuh mereka terstruktur.

Simetri dalam fisika dapat merujuk pada hukum alam yang kebal terhadap perubahan identitas atau sifat partikel elementer tertentu. Simetri juga dapat berarti perubahan dalam apa yang mungkin tampak sebagai deskripsi matematika abstrak tentang alam.

Simetri sering kali merujuk pada bagaimana alam berperilaku ketika sebuah partikel ditukar dengan antipartikelnya (disebut “konjugasi muatan”), ketika koordinat dibalik seperti di cermin (disebut “inversi paritas”), atau ketika waktu dibalik (memutar “film” secara terbalik). Fisikawan menyebut ketiga simetri ini C (untuk muatan), P (untuk paritas), dan T (untuk waktu). Yang disebut simetri CPT bersifat diskret—terjadi secara bertahap.

Fisikawan membandingkan simetri diskret dengan simetri kontinu, di mana tidak ada langkah-langkah di antara perubahan simetri. Salah satu contohnya adalah simetri rotasi, seperti memutar lingkaran. Tidak seperti memutar persegi, tidak ada titik di mana memutar lingkaran merusak simetri.

Bagi para ilmuwan, simetri translasi dalam ruang dan waktu sangatlah penting. Simetri translasi berarti bahwa hukum alam yang diukur oleh satu orang pada satu waktu dan di satu tempat tidak akan berubah ketika diukur oleh orang lain pada waktu dan tempat lain. Tanpa simetri ini, fisika dan hukum alam universal tidak akan berfungsi. Dengan kata lain, simetri dalam ruang dan waktu adalah yang membuat eksperimen dapat direproduksi dan sains menjadi mungkin.

Memahami simetri dan simetri yang rusak penting untuk memahami sifat fisik materi dan alam semesta kita.

Banyak kemajuan dalam fisika selama beberapa ratus tahun terakhir didasarkan pada pengakuan yang semakin besar akan pentingnya simetri dalam menghasilkan teori-teori alam. Jika para ilmuwan dapat dengan tepat menyimpulkan simetri mana yang valid, mereka dapat mempelajari lebih lanjut tentang jenis-jenis hal yang mungkin terjadi di alam, terutama dengan partikel-partikel subatomik. Banyak teori yang mencoba untuk meningkatkan Model Standar fisika partikel bergantung pada simetri sebagai prinsip panduan. Misalnya, teori supersimetri mengusulkan bahwa semua partikel dalam Model Standar memiliki pasangan simetris. Atau, jika para ilmuwan mengamati simetri yang rusak ketika mereka tidak menduganya, temuan itu dapat menunjukkan kemungkinan cara-cara baru bagi alam untuk berperilaku. Itu dapat mencakup partikel-partikel baru dan gaya-gaya baru.

Fakta Singkat

• Penemuan pelanggaran paritas dalam peluruhan beta merupakan penemuan mendalam, yang mengarah pada pemahaman mendasar tentang alam semesta dan sifat-sifat neutrino.
• Pertimbangan simetri memainkan peran utama dalam pengembangan relativitas umum dan mekanika kuantum. Albert Einstein adalah salah satu orang pertama yang secara eksplisit menempatkan simetri sebagai pertimbangan utama dalam mengembangkan sebuah teori, meskipun pertimbangan tersebut telah digunakan secara implisit dalam pengembangan teori gravitasi Isaac Newton dan teori listrik dan magnet James Clerk Maxwell.
• Emmy Noether menemukan hubungan mendalam antara keberadaan simetri berkelanjutan dan hukum kekekalan pada tahun 1918. Kekekalan energi, misalnya, secara intrinsik terkait dengan simetri translasi waktu dan kekekalan momentum terkait dengan simetri translasi spasial.

Kantor Ilmu Pengetahuan DOE: Kontribusi terhadap Studi Simetri

Pencarian simetri fundamental alam adalah pertanyaan yang sangat mendalam dan luas sehingga melibatkan fisikawan dengan keahlian berbeda dari empat program di Kantor Sains Departemen Energi.

Program-program ini meliputi Ilmu Energi Dasar (BES), Fisika Energi Tinggi (HEP), Fisika Nuklir (NP), dan Penelitian Komputasi Ilmiah Lanjutan (ASCR).

BES mendukung teknik untuk mensintesis dan mengkarakterisasi material baru pada tingkat atom. Material ini sering kali menunjukkan simetri yang rusak, sehingga menghasilkan pemahaman ilmiah yang lebih mendalam dan fungsi baru yang berpotensi berdampak pada misi energi DOE.

NP mendukung fisikawan yang menggunakan teknik canggih untuk mencari simetri yang rusak pada neutron, proton, dan berbagai isotop nuklir. NP juga mendukung upaya untuk mencari peluruhan nuklir yang belum teramati yang dikenal sebagai peluruhan beta ganda bebas neutrino. Pengamatan peluruhan ini akan mengungkap materi yang tercipta di laboratorium tanpa antimateri penyeimbang, pemecahan simetri yang sangat penting untuk memahami mengapa alam semesta memiliki cukup materi di dalamnya agar kita dapat hidup.

HEP mendukung fisikawan yang mencari cara untuk memecahkan simetri menggunakan Eksperimen Neutrino Bawah Tanah, Large Hadron Collider, dan eksperimen lainnya. Sementara itu, ASCR mendukung teori komputer, perangkat keras, dan ilmuwan perangkat lunak yang dibutuhkan untuk melakukan dan menafsirkan eksperimen yang kaya data ini.

Sumber dan Situs Terkait