Στη θεωρητική φυσική, μια θεωρία μπορεί να διέπεται από απόλυτη συμμετρία (οι εξισώσεις της να είναι αναλλοίωτες υπό ορισμένους μετασχηματισμούς), αλλά η θεμελιώδης κατάσταση ενός συστήματος (το κενό ή η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας) να μην υπακούει σε αυτή τη συμμετρία. Η κλασική αναλογία είναι το λεγόμενο «δυναμικό του μεξικάνικου καπέλου»:
Στην κορυφή του εξογκώματος (στο κέντρο), το σύστημα είναι απόλυτα περιστροφικά συμμετρικό, αλλά η κατάσταση αυτή είναι ασταθής. Μια μπίλια που βρίσκεται εκεί θα κυλήσει τελικά στο κυκλικό αυλάκι στη βάση. Μόλις καταλήξει σε ένα συγκεκριμένο σημείο του αυλακιού, επιλέγει μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, σπάζοντας έτσι αυθόρμητα την αρχική περιστροφική συμμετρία.
Το 1961, ο Goldstone διατύπωσε το θεώρημα που φέρει το όνομά του. Το 1962, οι Jeffrey Goldstone, Abdus Salam και Steven Weinberg δημοσίευσαν μια αυστηρότερη επαναδιατύπωση: στην σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου, κάθε φορά που μια συνεχής συμμετρία σπάει αυθόρμητα, εμφανίζονται αναγκαστικά σωματίδια μηδενικής μάζας και σπιν 0 (άρα, μποζόνια). Ο αριθμός αυτών των σωματιδίων ισούται με τον αριθμό των σπασμένων γεννητόρων της συμμετρίας. Στην αναλογία του μεξικάνικου καπέλου, η μετατόπιση κατά μήκος του αυλακιού δεν απαιτεί ενέργεια – δεν έχει «ανηφόρα», πράγμα που στην κβαντική φυσική μεταφράζεται σε σωματίδιο χωρίς μάζα.
Αρχικά, το θεώρημα δημιούργησε ένα σοβαρό θεωρητικό πρόβλημα. Αν κάθε σπασμένη συμμετρία δημιουργεί άμαζα μποζόνια (τα γκολντστόνια), τότε γιατί δεν τα βλέπουμε στα πειράματα της σωματιδιακής φυσικής;
Η λύση αυτού του προβλήματος οδήγησε σε μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του 20ού αιώνα: τον μηχανισμό Brout-Englert-Higgs και το μποζόνιο Higgs. Οι Brout-Englert-Higgs συνειδητοποίησαν ότι το θεώρημα του Goldstone, που προέβλεπε ότι θα γεμίζαμε με άμαζα σωματίδια, ίσχυε μόνο αν η φύση ακολουθούσε μια άκαμπτη, παγκόσμια συμμετρία. Όμως, οι θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος περιγράφονται διαμέσου τοπικών συμμετριών βαθμίδας. Αυτή ακριβώς η ευελιξία, να αλλάζουν οι κανόνες από σημείο σε σημείο είναι το «παραθυράκι» που επιτρέπει στον μηχανισμό να λειτουργήσει διαφορετικά: αντί να δημιουργηθούν αυτόνομα άμαζα μποζόνια Goldstone (Γκολντστόνια), αυτά απορροφώνται από τα σωματίδια 
Επιπλέον, στην ισχυρή αλληλεπίδραση (QCD), η αυθόρμητη παραβίαση της χειρικής συμμετρίας εξηγεί γιατί τα πιόνια είναι τόσο ελαφρύτερα σε σχέση με όλα τα άλλα αδρόνια, π.χ. πρωτόνια και νετρόνια. Ο λόγος είναι ότι συμπεριφέρονται ως «σχεδόν άμαζα» ψευδο-μποζόνια Goldstone. Η ίδια ιδέα εξηγεί τα φωνόνια σε έναν κρύσταλλο (σπάσιμο της συνεχούς μεταφορικής συμμετρίας του χώρου) και τα μαγνόνια στα σιδηρομαγνητικά υλικά.
Η διορατικότητα του Jeffrey Goldstone υπήρξε καθοριστική για την ανάπτυξη των ιδεών της αυθόρμητης παραβίασης συμμετρίας, οι οποίες αργότερα ενσωματώθηκαν στο Καθιερωμένο Πρότυπο και στον μηχανισμό Brout-Englert-Higgs.
Jeffrey Goldstone (1933 –2026)
Ο Jeffrey Goldstone ξεκίνησε την καριέρα του ως θεωρητικός πυρηνικός φυσικός. Έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Trinity College του Cambridge το 1958 και πραγματοποίησε μεταδιδακτορική έρευνα στο Cambridge, το Harvard, το CERN και την Κοπεγχάγη. Αφού έστρεψε το ενδιαφέρον του στην φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, εντάχθηκε στο διδακτικό και ερευνητικό προσωπικό του Πανεπιστημίου του Cambridge το 1962. Μετακινήθηκε στο MIT ως καθηγητής φυσικής το 1977 και διετέλεσε διευθυντής του Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής (σήμερα γνωστού ως MIT Center for Theoretical Physics – a Leinweber Institute) από το 1983 έως το 1989. Ακόμη και μετά τη συνταξιοδότησή του από το MIT το 2004, παρέμεινε ενεργός στην έρευνα για τις επόμενες δύο δεκαετίες, εργαζόμενος στον τομέα των κβαντικών υπολογισμών. Το ερευνητικό έργο του κάλυψε ένα αξιοσημείωτο εύρος πρωτοποριακών ανακαλύψεων. Στην πρώιμη εργασία του για την πυρηνική ύλη με τον Hans Bethe, ανέπτυξε τη χρήση των διαγραμμάτων Feynman για μη-σχετικιστικά συστήματα πολλών φερμιονίων. Αργότερα στράφηκε στη σωματιδιακή φυσική, διερευνώντας σχετικιστικές θεωρίες πεδίου με αυθόρμητα σπασμένες συμμετρίες. Βασιζόμενος σε ιδέες εμπνευσμένες από την υπεραγωγιμότητα, απέδειξε ότι οι συνεχείς συμμετρίες που σπάνε αυθόρμητα πρέπει να συνοδεύονται από σωματίδια μηδενικής μάζας και μηδενικού σπιν, τα μποζόνια Goldstone. Με τους Claudio Rebbi, Charles Thorn και Peter Goddard, επεξεργάστηκε την κβάντωση φωτεινού κώνου των σχετικιστικών χορδών, ένα θεμελιώδες αποτέλεσμα στη θεωρία χορδών. Στο MIT συνεργάστηκε με τους Roman Jackiw και Frank Wilczek πάνω στα σολιτόνια στην κβαντική θεωρία πεδίου. Αργότερα, στράφηκε στον αναδυόμενο τομέα του κβαντικού υπολογισμού, συνεργαζόμενος με τους Edward Farhi, Sam Gutmann και Andrew Childs.
Ο Jeffrey Goldstone ήταν Εταίρος της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας (APS), Επίτιμος Εταίρος του Trinity College του Cambridge, Εταίρος της Βασιλικής Εταιρείας και Εταίρος της Αμερικανικής Ακαδημίας Τεχνών και Επιστημών. Μεταξύ των διακρίσεών του περιλαμβάνονταν το Μετάλλιο Guthrie του Ινστιτούτου Φυσικής (IOP), το Βραβείο Μαθηματικής Φυσικής Dannie Heineman της APS, καθώς και το Μετάλλιο Dirac του Διεθνούς Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής Abdus Salam (ICTP), το οποίο του απονεμήθηκε για «την θεμελιώδη ερμηνεία του αυθόρμητου σπάσιμου συμμετρίας στην σχετικιστική θεωρία πεδίου».
Ο Jeffrey Goldstone απεβίωσε στις 12 Οκτωβρίου 2026, σε ηλικία 93 ετών.
Στο βίντεο που ακολουθεί ο θεωρητικός φυσικός Hans Bethe (1906-2005) αναφέρεται στην συνεργασία του με τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Jeffrey Goldstone:
πηγή: https://physics.mit.edu/faculty/jeffrey-goldstone/
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
Σχολιάστε