השאיפה לאסתטיקה יכולה לפעמים לגרום סיבוכים לא כל כך
אסתטיים. הפיסיקאים, למשל, שואפים זה זמן רב להראות שכל הכוחות
הפועלים בטבע אינם אלא פנים שונות ("שאריות") של כוח בסיסי אחד,
ושכל חלקיקי החומר אינם אלא פנים שונות של חלקיק בסיסי אחד. לפי
התפיסה הזאת, המצב שבו עולם החומר התבסס על כוח אחד וסוג אחד
של חלקיקים, התקיים בראשית הקיום החומרי ביקום, במערכת שהייתה
חמה מאוד. אבל מאז, עם התפזרות החומר וירידת הטמפרטורה, מתפלגים
הכוח והחלקיקים האלה לסוגים שונים של חלקיקים וכוחות, שיכולים
להתקיים במערכות שמוכרות לנו כיום.
האמת היא, שזה לא חייב להיות כך. בסופו (או בראשיתו) של דבר,
איש לא הבטיח לנו שהיקום שבו אנו חיים מושתת על יסודות אסתטיים.
עקרונית, אין מניעה לקיומו של יקום חומרי שיתבסס על מבנים יסודיים
שנראים לא מסודרים. אבל הפיסיקאים, כמו כל בני-האדם האחרים, מנסים
להבין את העולם במונחים של סדר, היגיון פנימי ואסתטיקה. וכל עוד
המציאות אינה טופחת על פניהם בעניין הזה, הם ממשיכים במאמציהם לחפש
את אותו מצב אסתטי בסיסי, העומד בבסיס הקיום החומרי של היקום.
למעשה, ככל שאפשר לשפוט בשלב זה, נראה ששוחרי האסתטיקה זכו במשך
ההיסטוריה לרמזים מעודדים מכיוונו של הטבע.
במציאות החומרית של היקום המוכר, אפשר להבחין בארבעה כוחות
טבע הפועלים על חלקיקי החומר. אלה הם הכבידה (המניעה כוכבים
וכוכבי-לכת במסילותיהם), הכוח החלש (האחראי, בין היתר, לתהליכים של
דעיכה רדיואקטיבית), הכוח האלקטרומגנטי (האחראי, בין היתר,
לתופעות כימיות), וכוח הצבע (שמלכד את הקווארקים, ושהכוח הגרעיני
החזק הוא, למעשה, שארית שלו).
עד כה הצליחו הפיסיקאים ליצור במעבדה תנאים שבהם נראה שהכוח
החלש והכוח האלקטרומגנטי דומים עד כדי כך, שאפשר לראותם ככוח אחד
שכונה הכוח האלקטרו-חלש. אבל הכבידה וכוח הצבע, עדיין נותרו מחוץ
לגבול האיחוד הזה (ניסיונות לשלב את כוח הצבע עם הכוח האלקטרו-חלש,
לא עמדו עד כה במבחן הניסוי).
תוך כדי המאמצים האלה, הוצעה תפיסה שלפיה כל החלקיקים הידועים
(שהם נקודתיים, כלומר, חסרי ממדים), נוצרים כתוצאה מתנועתו של חלקיק
קטן מהם בהרבה, חד-ממדי, שכונה מיתר-על. איש עדיין לא ראה מיתר-על,
וגם לא נמצאה הוכחה פיסיקלית לעצם קיומו. אבל חישובים מתמטיים שונים
מראים שבתנאים מסוימים (וביקומים שבהם קיימים עשרה ממדים), מיתרי-על
כאלה יכולים להתקיים. למעשה, מיתר-על יכול להתקיים ביציבות
בסביבה שמתאפיינת בסימטריה רבה מאוד, הקרויה "סימטריית-על". אחד
מראשוני הוגי הרעיון הזה, היה הפיסיקאי היהודי יורי גלפנד.
לסימטריית-העל יש יתרונות אסתטיים רבים, והיא גם כוללת באופן
טבעי את הכבידה (שהכללתה בתפיסות פיסיקליות אחרות מהווה קושי). אבל,
לקיומה יש מחיר המתבטא בין היתר בהנחת קיומם של חלקיקי חומר נוספים
ביקום המוכר.
את חלקיקי החומר הידועים, אפשר לחלק לשתי קבוצות: פרמיונים
שהם חלקיקים בעלי ספין חצוי (לדוגמה: 1.5, 1.5), ובוזונים, שהם
חלקיקים בעלי ספין שלם (לדוגמה: 0, 1, 2). ספין הוא מעין תקיפת
סיחרור המאפיינת את החלקיק. לדוגמה: ספין 0.5 משמעו תקיפת סיחרור של
החלקיק, בשיעור של חצי סיבוב סביב עצמו. האלקטרון הוא
פרמיון בעל ספין 0.5, ואילו הפוטון הוא בוזון בעל ספין 1.
הבעיה היא, שתיאוריית סימטריית-העל (המתארת תנאים שבהם מיתרי-על
יכולים להתקיים ולנוע), מולידה חיזוי שלפיו לכל חלקיק בוזון, יש בן
זוג בדמותו של חלקיק פרמיון. ולכל חלקיק פרמיון, יש בן זוג בדמותו
של חלקיק בוזון. אלא שבני זוג כאלה לא נמצאו. כלומר, על אף העובדה
שבטבע קיימים בוודאות פרמיונים ובוזונים כאחד, שום פרמיון ידוע אינו
בן הזוג של שום בוזון ידוע. כל החלקיקים הידועים הם לפיכך רק חצי
מזוג תיאורטי.
תפיסה זו מולידה תמונת מציאות שיכולה להזכיר ראיית עולם של
שיכור: כל קיום הוא קיום כפול. למעשה, התמונה מסתבכת עוד יותר, אם
זוכרים שלכל חלקיק חומר ידוע, יש כבר בן זוג בדמותו של חלקיק אנטי
חומר, הזהה בכל לחלקיק המקורי, אלא שמטענו הפוך. לדוגמה, האלקטרון
נושא מטען חשמלי שלילי, ואילו האנטי—אלקטרון ("פוזיטרון"), שווה בכל
תכונותיו לאלקטרון, אלא שמטענו החשמלי חיובי.
עכשיו מתברר שלכל אחד מהם (חלקיק חומר ואנטי חומר), יש כפיל
"פרטי". לדוגמה, לאלקטרון יש כפיל הקרוי "אלקטרון סימטריית-על", או
בקיצור אלקטרון ס"ע, ולפוזיטרון יש כפיל כזה, הקרוי פוזיטרון ס"ע.
כך, במקום שבו נראה בטבע חלקיק אחד (לדוגמה, אלקטרון), קיימים
למעשה ארבעה חלקיקים (אלקטרון, פוזיטרון, אלקטרון ס"ע ופוזיטרון
ס"ע). אם לא די בזה, מתברר שהאלקטרון ס"ע והפוזיטרון ס"ע, כבדים
("מאסיביים) בהרבה מבני זוגם שבמציאות המוכרת, דבר שמשמעותו שיהיה
קשה מאוד לגלות אותם ולצפות בהם.
בשביל מה זה טוב? למה לסבך כל כך את החיים ואת תמונת המציאות?
ובכן, מתברר שתפיסה כזאת מאפשרת את קיומה של הסימטריה האסתטית
הנכספת, במערכות של אנרגיות גבוהות מאוד (שבהן יתגלו גם חלקיקי
הס"ע למיניהם).
מאיץ החלקיקים החדש שנבנה באחרונה במעבדה האירופית לחקר פיסיקת
החלקיקים (סר"ן), שעל גבול שוויץ וצרפת, ליד ג'נבה, עשוי אולי לספק את
האנרגיה הנחוצה לפתרון התעלומה. אבל בינתיים, אפשר לנסות לדמות ניסוי
כזה באמצעות מודלים מתמטיים ומערכות ממוחשבות.
לצורך בניית המודל של המצבים הפיסיקליים המשתנים בהתאם לסולם
האנרגיה העולה, השתמשו החוקרים בבסיס הנתונים והממצאים שהתקבלו
במשך שנים אחדות בניסויים שבוצעו במערך מאיצי החלקיקים הקודמים של
סר"ן.
מודל זה מאפשר לבחון אילו תוצאות היו יכולות להתקבל בניסויים
האלה, אילו בוצעו באנרגיות גבוהות מאוד. בהרצות כאלה שכללו מציאות
שבה מתקיימים חלקיקי חומר ואנטי חומר בלבד, התברר, שגם אם מגיעים
לאנרגיות גבוהות מאוד, לא מתקבלת הווייה בסיסית סימטרית. אבל, אם
מריצים את המודל על תמונת מציאות שכוללת סימטריית-על, כלומר, הכוללת
את כפילי הס"ע של חלקיקי החומר והאנטי חומר, כי אז, ברגע שמגיעים
לאנרגיות גבוהות מאוד, מתאחדים כל הכוחות בכוח בסיסי אחד שמתייחס
גם לכבידה.
כל הממצאים האלה עולים מחישובים מתמטיים בלבד. איש עדיין לא
ראה הוכחה פיסיקלית כלשהי לקיומו של חלקיק ס"ע. ועם זאת, העובדה
שבמערכת כזאת אפשר – ולו תיאורטית – להגיע לאיחוד מלא של כוחות
וחלקיקים, מהווה תמריץ אדיר למדענים שעוסקים בתחום מחקר זה.
למעשה, לתורות של סימטריית-העל יש יתרונות נוספים, שמעודדים
את הפיסיקאים לנסות ולמצוא הוכחות להתאמתן למציאות. למשל, תורה כזאת
יכולה להחזיר את מידת הסבירות למסע ציד ארוך שמנהלים פיסיקאים בכל
העולם, אחר חלקיק תיאורטי ש"חייב להימצא", הקרוי "הבוזון של היגס".
חלקיק זה דרוש להשלמת ההבנה של הכוח האלקטרו-חלש. הבעיה היא, שלפי
חישובים שמתבססים על סביבה שאינה מתאפיינת בסימטריית-על, ה"היגס"
צריך להיות כבד (מאסיבי) פי כמה מיליארדים מכל חלקיק ידוע אחר.
לפיסיקאים רבים נראה שאין סבירות רבה להימצאותו של חלקיק כה יוצא
דופן. אבל, אם מנסים לחשב את משקלו החזוי של ה"היגס" במערכות
שמתאפיינות בסימטריית-על, כי אז חוזר משקלו החלקיק הנעלם ומתייצב
בגבולות הסבירות – דבר שעשוי גם לאפשר את גילויו במאיץ החלקיקים
החדש של סר"ן. במקרה כזה, גילוי ה"היגס" במאיץ זה יהווה תמיכה נוספת
בתורות סימטריית-העל.
הפיסיקאים גם שואפים להבין מדוע הכוחות שפועלים בטבע מופיעים
במעין "מצבי צבירה" שנראים כמו כוחות שונים (כוח הצבע, הכוח
האלקטרו מגנטי והכוח החלש). מדוע הם מתרכזים בשלוש ה"תחנות" האלה,
ולא מתפזרים באופן שווה על פני כל טווח האפשרויות?
הפיסיקאים אדוארד ויטן מהמכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ארה"ב ונתן
זיברג מאוניברסיטת רטגרס, ארה"ב, הצליחו להתקרב לפתרון כמותי מדויק
של הבעיה. במלים אחרות, הם הראו שבתורות של סימטריית-על אפשר
להגיע למצב של חלוקת כוחות, הדומה למצב הקיים במציאות המוכרת.
חישובים אלה מתבססים על שיטת פישוט שמאפשרת בחינה של כוחות
מסובכים, באמצעות מודל פשוט יחסית, הדומה למודל הפעולה המוכר של
הכוח האלקטרומגנטי.
