Γιατί οι νόμοι της φυσικής είναι αναπόφευκτοι
Σε σύγκριση με τα άλυτα μυστήρια του σύμπαντος, πολύ λιγότερα λέγονται για ένα από τα πιο βαθιά γεγονότα που έχουν αποκρυσταλλωθεί στη φυσική τον τελευταίο μισό αιώνα:Σε εκπληκτικό βαθμό, η φύση είναι όπως είναι γιατί δεν θα μπορούσε να είναι διαφορετικός. «Δεν υπάρχει ελευθερία στους νόμους της φυσικής που έχουμε», είπε ο Daniel Baumann, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.
Από τη δεκαετία του 1960, και όλο και περισσότερο την τελευταία δεκαετία, φυσικοί όπως ο Baumann χρησιμοποίησαν μια τεχνική γνωστή ως «bootstrap» για να συμπεράνουν ποιοι πρέπει να είναι οι νόμοι της φύσης. Αυτή η προσέγγιση προϋποθέτει ότι οι νόμοι ουσιαστικά υπαγορεύουν ο ένας τον άλλον μέσω της αμοιβαίας συνοχής τους - ότι η φύση «ανασύρεται από τα δικά της λουριά». Η ιδέα αποδεικνύεται ότι εξηγεί ένα τεράστιο ποσό για το σύμπαν.
Κατά την εκκίνηση, οι φυσικοί καθορίζουν πώς μπορούν να συμπεριφέρονται με συνέπεια τα στοιχειώδη σωματίδια με διαφορετικές ποσότητες «σπιν», ή εγγενή γωνιακή ορμή. Κάνοντας αυτό, ανακαλύπτουν ξανά τη βασική μορφή των γνωστών δυνάμεων που διαμορφώνουν το σύμπαν. Η πιο εντυπωσιακή είναι η περίπτωση ενός σωματιδίου με δύο μονάδες σπιν:Όπως έδειξε ο νομπελίστας Steven Weinberg το 1964, η ύπαρξη ενός σωματιδίου spin-2 οδηγεί αναπόφευκτα στη γενική σχετικότητα - τη θεωρία της βαρύτητας του Albert Einstein. Ο Αϊνστάιν έφτασε στη γενική σχετικότητα μέσω αφηρημένων σκέψεων σχετικά με τους ανελκυστήρες που πέφτουν και τον παραμορφωμένο χώρο και χρόνο, αλλά η θεωρία προκύπτει επίσης άμεσα από τη μαθηματικά συνεπή συμπεριφορά ενός θεμελιώδους σωματιδίου.
«Βρίσκω ότι αυτό το αναπόφευκτο της βαρύτητας [και άλλων δυνάμεων] είναι ένα από τα βαθύτερα και πιο εμπνευσμένα γεγονότα για τη φύση», είπε ο Laurentiu Rodina, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο CEA Saclay που βοήθησε στον εκσυγχρονισμό και τη γενίκευση της απόδειξης του Weinberg. το 2014. «Δηλαδή, αυτή η φύση είναι πάνω από όλα αυτοσυνεπής».
Πώς λειτουργεί το Bootstrapping
Το σπιν ενός σωματιδίου αντανακλά τις υποκείμενες συμμετρίες του ή τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να μετασχηματιστεί που το αφήνουν αμετάβλητο. Ένα σωματίδιο spin-1, για παράδειγμα, επιστρέφει στην ίδια κατάσταση αφού περιστραφεί κατά μία πλήρη στροφή. Ένα σωματίδιο spin-$latex \frac{1}{2}$ πρέπει να ολοκληρώσει δύο πλήρεις περιστροφές για να επιστρέψει στην ίδια κατάσταση, ενώ ένα σωματίδιο spin-2 φαίνεται πανομοιότυπο μετά από μόλις μισή στροφή. Τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν να φέρουν μόνο 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$ ή 2 μονάδες περιστροφής.
Για να καταλάβουν ποια συμπεριφορά είναι δυνατή για τα σωματίδια μιας δεδομένης περιστροφής, οι bootstrappers εξετάζουν απλές αλληλεπιδράσεις σωματιδίων, όπως δύο σωματίδια που εκμηδενίζονται και δίνουν ένα τρίτο. Οι περιστροφές των σωματιδίων θέτουν περιορισμούς σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Μια αλληλεπίδραση σωματιδίων spin-2, για παράδειγμα, πρέπει να παραμείνει ίδια όταν όλα τα συμμετέχοντα σωματίδια περιστρέφονται κατά 180 μοίρες, καθώς είναι συμμετρικά σε μια τέτοια μισή στροφή.
Οι αλληλεπιδράσεις πρέπει να υπακούουν σε μερικούς άλλους βασικούς κανόνες:Η ορμή πρέπει να διατηρηθεί. οι αλληλεπιδράσεις πρέπει να σέβονται την εντοπιότητα, η οποία υπαγορεύει ότι τα σωματίδια διασκορπίζονται συναντώντας τον χώρο και τον χρόνο. και οι πιθανότητες όλων των πιθανών αποτελεσμάτων πρέπει να αθροίζονται στο 1, μια αρχή που είναι γνωστή ως ενότητα. Αυτές οι συνθήκες συνοχής μεταφράζονται σε αλγεβρικές εξισώσεις που πρέπει να ικανοποιούν οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Εάν η εξίσωση που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη αλληλεπίδραση έχει λύσεις, τότε αυτές οι λύσεις τείνουν να πραγματοποιούνται στη φύση.
Για παράδειγμα, εξετάστε την περίπτωση του φωτονίου, του σωματιδίου σπιν-1 χωρίς μάζα του φωτός και του ηλεκτρομαγνητισμού. Για ένα τέτοιο σωματίδιο, η εξίσωση που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις τεσσάρων σωματιδίων - όπου δύο σωματίδια εισέρχονται και δύο βγαίνουν, ίσως μετά από σύγκρουση και διασπορά - δεν έχει βιώσιμες λύσεις. Έτσι, τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν με αυτόν τον τρόπο. «Αυτός είναι ο λόγος που τα κύματα φωτός δεν διασκορπίζονται το ένα από το άλλο και μπορούμε να δούμε σε μακροσκοπικές αποστάσεις», εξήγησε ο Baumann. Το φωτόνιο μπορεί να συμμετέχει σε αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν άλλους τύπους σωματιδίων, ωστόσο, όπως τα ηλεκτρόνια spin-$latex \frac{1}{2}$ . Αυτοί οι περιορισμοί στις αλληλεπιδράσεις του φωτονίου οδηγούν στις εξισώσεις του Maxwell, την 154χρονη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού.
Ή πάρτε γκλουόνια, σωματίδια που μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη που συνδέει τους ατομικούς πυρήνες μεταξύ τους. Τα γλουόνια είναι επίσης σωματίδια spin-1 χωρίς μάζα, αλλά αντιπροσωπεύουν την περίπτωση όπου υπάρχουν πολλοί τύποι του ίδιου σωματιδίου spin-1 χωρίς μάζα. Σε αντίθεση με το φωτόνιο, τα γκλουόνια μπορούν να ικανοποιήσουν την εξίσωση αλληλεπίδρασης τεσσάρων σωματιδίων, που σημαίνει ότι αλληλεπιδρούν μόνοι τους. Οι περιορισμοί σε αυτές τις αυτοαλληλεπιδράσεις γκλουονίων ταιριάζουν με την περιγραφή που δίνεται από την κβαντική χρωμοδυναμική, τη θεωρία της ισχυρής δύναμης.
Ένα τρίτο σενάριο περιλαμβάνει σωματίδια spin-1 που έχουν μάζα. Η μάζα προέκυψε όταν έσπασε μια συμμετρία κατά τη γέννηση του σύμπαντος:Μια σταθερά - η τιμή του πανταχού παρόντος πεδίου Higgs - μετατοπίστηκε αυθόρμητα από το μηδέν σε έναν θετικό αριθμό, εμποτίζοντας πολλά σωματίδια με μάζα. Το σπάσιμο της συμμετρίας Higgs δημιούργησε τεράστια σωματίδια spin-1 που ονομάζονται μποζόνια W και Z, οι φορείς της ασθενούς δύναμης που είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργή διάσπαση.
Τότε «για το spin-2, συμβαίνει ένα θαύμα», είπε ο Adam Falkowski, ένας θεωρητικός φυσικός στο Εργαστήριο Θεωρητικής Φυσικής στο Orsay της Γαλλίας. Σε αυτή την περίπτωση, η λύση της εξίσωσης αλληλεπίδρασης τεσσάρων σωματιδίων αρχικά φαίνεται να περιβάλλεται από άπειρα. Αλλά οι φυσικοί διαπιστώνουν ότι αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να προχωρήσει με τρεις διαφορετικούς τρόπους και ότι οι μαθηματικοί όροι που σχετίζονται με τις τρεις διαφορετικές επιλογές συνωμοτούν τέλεια για να ακυρώσουν τα άπειρα, κάτι που επιτρέπει μια λύση.
Αυτή η λύση είναι το graviton:ένα σωματίδιο spin-2 που συνδέεται με τον εαυτό του και όλα τα άλλα σωματίδια με την ίδια δύναμη. Αυτή η σταθερότητα οδηγεί κατευθείαν στο κεντρικό δόγμα της γενικής σχετικότητας:την αρχή της ισοδυναμίας, το αξίωμα του Αϊνστάιν ότι η βαρύτητα δεν διακρίνεται από την επιτάχυνση μέσω του καμπυλωμένου χωροχρόνου και ότι η βαρυτική μάζα και η εγγενής μάζα είναι ένα και το αυτό. Ο Falkowski είπε σχετικά με την προσέγγιση του bootstrap, «Βρίσκω αυτό το σκεπτικό πολύ πιο συναρπαστικό από το αφηρημένο του Αϊνστάιν».
Έτσι, εξετάζοντας τους περιορισμούς που τίθενται στις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων από τις βασικές συμμετρίες, οι φυσικοί μπορούν να κατανοήσουν την ύπαρξη των ισχυρών και αδύναμων δυνάμεων που διαμορφώνουν τα άτομα και τις δυνάμεις του ηλεκτρομαγνητισμού και της βαρύτητας που σμιλεύουν το σύμπαν γενικά.
Επιπλέον, οι bootstrappers διαπιστώνουν ότι είναι δυνατά πολλά διαφορετικά σωματίδια spin-0. Το μόνο γνωστό παράδειγμα είναι το μποζόνιο Higgs, το σωματίδιο που σχετίζεται με το πεδίο Higgs που σπάει τη συμμετρία και εμποτίζει άλλα σωματίδια με μάζα. Ένα υποθετικό σωματίδιο spin-0 που ονομάζεται inflaton μπορεί να έχει οδηγήσει την αρχική διαστολή του σύμπαντος. Η έλλειψη γωνιακής ορμής αυτών των σωματιδίων σημαίνει ότι λιγότερες συμμετρίες περιορίζουν τις αλληλεπιδράσεις τους. Εξαιτίας αυτού, οι bootstrappers μπορούν να συμπεράνουν λιγότερα σχετικά με τους νόμους που διέπουν τη φύση και η ίδια η φύση έχει περισσότερη δημιουργική άδεια.
Τα σωματίδια ύλης Spin-$latex \frac{1}{2}$ έχουν επίσης μεγαλύτερη ελευθερία. Αυτά αποτελούν την οικογένεια των μαζικών σωματιδίων που ονομάζουμε ύλη, και διαφοροποιούνται μεμονωμένα από τις μάζες και τις συζεύξεις τους με τις διάφορες δυνάμεις. Το σύμπαν μας περιέχει, για παράδειγμα, κουάρκ spin-$latex \frac{1}{2}$ που αλληλεπιδρούν τόσο με τα γκλουόνια όσο και με τα φωτόνια, και τα νετρίνα spin-$latex \frac{1}{2}$ που αλληλεπιδρούν με κανένα.
Το φάσμα σπιν σταματά στο 2 επειδή τα άπειρα στην εξίσωση αλληλεπίδρασης τεσσάρων σωματιδίων σκοτώνουν όλα τα σωματίδια χωρίς μάζα που έχουν υψηλότερες τιμές σπιν. Οι καταστάσεις υψηλότερης περιστροφής μπορούν να υπάρχουν εάν είναι εξαιρετικά ογκώδεις και τέτοια σωματίδια παίζουν ρόλο σε κβαντικές θεωρίες βαρύτητας, όπως η θεωρία χορδών. Ωστόσο, τα σωματίδια υψηλότερης περιστροφής δεν μπορούν να ανιχνευθούν και δεν μπορούν να επηρεάσουν τον μακροσκοπικό κόσμο.
Μη ανακαλυφθείσα χώρα
Τα σωματίδια Spin-$latex \frac{3}{2}$ θα μπορούσαν να ολοκληρώσουν το μοτίβο 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, 2, αλλά μόνο εάν η «υπερσυμμετρία» είναι αληθής στο σύμπαν — δηλαδή, εάν κάθε σωματίδιο δύναμης με ακέραιο σπιν έχει ένα αντίστοιχο σωματίδιο ύλης με μισό ακέραιο σπιν. Τα τελευταία χρόνια, τα πειράματα έχουν αποκλείσει πολλές από τις απλούστερες εκδοχές της υπερσυμμετρίας. Ωστόσο, το χάσμα στο φάσμα του σπιν φαίνεται από ορισμένους φυσικούς ως λόγος για να διατηρηθεί η ελπίδα ότι η υπερσυμμετρία είναι αληθινή και ότι υπάρχουν σωματίδια spin-$latex \frac{3}{2}$ .
Στο έργο του, ο Baumann εφαρμόζει το bootstrap στην αρχή του σύμπαντος. Ένα πρόσφατο Quanta Το άρθρο περιέγραφε πώς αυτός και άλλοι φυσικοί χρησιμοποίησαν συμμετρίες και άλλες αρχές για να περιορίσουν τις δυνατότητες για εκείνες τις πρώτες στιγμές.
Είναι «απλώς αισθητικά ευχάριστο», είπε ο Baumann, «ότι οι νόμοι είναι αναπόφευκτοι - ότι υπάρχει κάποιο αναπόφευκτο των νόμων της φυσικής που μπορεί να συνοψιστεί σε μια σύντομη χούφτα αρχών που στη συνέχεια οδηγούν σε δομικά στοιχεία που στη συνέχεια χτίζουν τον μακροσκοπικό κόσμο .”
Διόρθωση: 16 Δεκεμβρίου 2019
Η αρχική εκδοχή αυτής της ιστορίας έλεγε ότι οι φυσικοί που χρησιμοποιούν τη μέθοδο του bootstrap θα μπορούσαν να «ανακαλύψουν ξανά» ή να «ανακαλύψουν» τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης. Η διατύπωση υπονοούσε ότι μπορούσαν να αποκτήσουν πλήρη γνώση των λεπτομερειών αυτών των δυνάμεων και ότι αυτές είναι οι μόνες που επιτρέπονται. Αντίθετα, η μέθοδος bootstrap θέτει ισχυρούς περιορισμούς στις πιθανές δυνάμεις. Για σωματίδια spin-1 και spin-2 χωρίς μάζα, το bootstrap οδηγεί σε ηλεκτρομαγνητισμό και γενική σχετικότητα, αντίστοιχα. Για μαζικά σωματίδια spin-0, μαζικά σωματίδια spin-1 και την περίπτωση πολλαπλών σωματιδίων spin-1 χωρίς μάζα του ίδιου τύπου, το bootstrap θέτει πιο χαλαρούς περιορισμούς στη φύση των αλληλεπιδράσεων, αλλά το πεδίο Higgs, η ασθενής δύναμη και η ισχυρή δύναμη εμφανίζονται ως δυνατότητες. Το κείμενο του άρθρου και ο υπότιτλος έχουν αναθεωρηθεί ανάλογα.
