ve Srovnání s nevyřešených záhad vesmíru, daleko méně dostane řekl o jeden z nejzásadnějších faktů krystalizují ve fyzice za posledních půl století: Do ohromující míře, příroda je způsob, jak to je, protože to nemůže být jinak. „Ve fyzikálních zákonech prostě není žádná svoboda,“ řekl Daniel Baumann, teoretický fyzik z Amsterdamské univerzity.

Od roku 1960, a stále více v posledních deseti letech, fyzici, jako Baumann používá techniku známou jako „bootstrap“ odvodit, co zákony přírody musí být. Tento přístup předpokládá, že zákony se v podstatě navzájem diktují vzájemnou konzistencí-že příroda “ se táhne svými vlastními bootstrapy.“Ukázalo se, že myšlenka vysvětluje obrovské množství o vesmíru.

při bootstrapingu fyzici určují, jak se elementární částice s různým množstvím „spinu“ nebo vnitřního momentu hybnosti mohou důsledně chovat. Při tom znovu objevují základní formu známých sil, které formují vesmír. Nejvýraznější je případ částice se dvěma jednotkami spinu: jak ukázal nositel Nobelovy ceny Steven Weinberg v roce 1964, existence částice spin-2 nevyhnutelně vede k obecné relativitě-gravitační teorii Alberta Einsteina. Einstein přišel na obecné relativity pomocí abstraktní myšlenky o padajících výtazích a pokřivené prostoru a času, ale teorie také vyplývá přímo z matematicky konsistentní chování základních částic.

„považuji tuto nevyhnutelnost gravity být jednou z nejhlubších a nejvíce inspirující fakta o přírodě,“ řekl Laurentiu Rodina, teoretický fyzik z Ústavu Teoretické Fyziky v CEA Saclay, kteří pomohli modernizovat a zobecnit Weinberg to důkaz, že v roce 2014. „Tato příroda je především soběstačná.“

Jak Bootstrapping Funguje

rotaci částice odráží její základní symetrie, nebo způsoby, jak může být transformován, že ponechat beze změny. Částice spin-1 se například vrací do stejného stavu poté, co byla otočena o jednu plnou zatáčku. Částice spin – $latex \frac{1}{2}$ musí dokončit dvě plné rotace, aby se vrátila do stejného stavu, zatímco částice spin-2 vypadá identicky po pouhé půl otáčky. Elementární částice mohou nést pouze 0, $ latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$ nebo 2 jednotky odstřeďování.

zjistit, jaké chování je možné za částic dané spin, mohutné boty zvažte jednoduché částice, interakce, jako jsou dvě anihilaci částic a poddajný třetí. Rotace částic omezují tyto interakce. Například interakce částic spin-2 musí zůstat stejná, když se všechny zúčastněné částice otočí o 180 stupňů, protože jsou symetrické pod takovým půlotáčkem.

Interakce musí poslouchat několik dalších základních pravidel: Hybnost musí být zachována; interakce musí respektovat lokality, která říká, že částice rozptylují setkání v prostoru a čase; a pravděpodobnosti všech možných výsledků musí přidat až 1, princip, známý jako unitarity. Tyto podmínky konzistence se promítají do algebraických rovnic, které musí interakce částic splňovat. Pokud rovnice odpovídající konkrétní interakci má řešení, pak tato řešení mají tendenci být realizována v přírodě.

zvažte například případ fotonu, částice světla bez hmoty spin-1 a elektromagnetismu. Pro takové částice, rovnice popisující čtyři-částice interakcí — kde se dvě částice jít dovnitř a dva ven, možná po srážce a rozptylu — nemá schůdné řešení. Fotony tedy tímto způsobem neinteragují. „Proto se světelné vlny nerozptýlí a můžeme vidět na makroskopické vzdálenosti,“ vysvětlil Baumann. Foton se však může účastnit interakcí zahrnujících jiné typy částic, například spin- $ latex \frac{1}{2}$ elektrony. Tato omezení interakcí fotonu vedou k Maxwellovým rovnicím, 154leté teorii elektromagnetismu.

nebo vezměte gluony, částice, které přenášejí silnou sílu, která váže atomová jádra dohromady. Gluony jsou také nehmotné spin-1 částic, ale představují případ, kdy existuje více typů stejného nehmotné spin-1 částic. Na rozdíl od fotonu, gluony mohou uspokojit čtyřčásticovou interakční rovnici, což znamená, že se samy interagují. Omezení těchto gluonových sebeinterakcí odpovídají popisu kvantové chromodynamiky, teorie silné síly.

třetí scénář zahrnuje částice spin-1, které mají hmotnost. Hmotnost přišlo o tom, kdy symetrie zlomil během vesmír narození: konstanta — hodnota všudypřítomný Higgsova pole — spontánně přesunula z nuly na kladné číslo, kterým je prostoupena mnoha částic s hmotou. Prolomení Higgsovy symetrie vytvořilo masivní částice spin-1 nazývané bosony W A Z, nosiče slabé síly, která je zodpovědná za radioaktivní rozpad.

Pak se „spin-2, se stane zázrak,“ řekl Adam Falkowski, teoretický fyzik v Laboratoři Teoretické Fyziky v Orsay, Francie. V tomto případě, řešení rovnice interakce se čtyřmi částicemi se zpočátku zdá být sužováno nekonečnostmi. Ale fyzici zjistili, že tato interakce může probíhat třemi různými způsoby, a že matematické pojmy týkající se tří různých možností dokonale konspirovat zrušit z nekonečna, které umožňuje řešení.

tímto řešením je graviton: částice spin-2, která se spojuje s sebou a všemi ostatními částicemi se stejnou pevností. Tato vyrovnanost vede přímo k centrálnímu principu obecné relativity: princip ekvivalence, Einsteinův postulát, že gravitace je nerozeznatelná od zrychlení zakřiveným časoprostorem a že gravitační hmota a vnitřní hmota jsou jedno a totéž. Falkowski řekl o přístupu bootstrap, „považuji toto zdůvodnění za mnohem přesvědčivější než abstraktní Einstein.“.“

tím, že myšlení prostřednictvím omezení základních částic interakce základní symetrie, fyziky, můžete pochopit existenci silné a slabé síly, které formují atomy a síly elektromagnetismu a gravitace, která tvoří vesmír.

kromě toho bootstrappers zjistí, že je možné mnoho různých částic spin-0. Jediným známým příkladem je Higgsův boson, částice spojená s Higgsovým polem porušujícím symetrii, které napouští jiné částice hmotou. Hypotetická částice spin-0 zvaná inflaton mohla vést k počáteční expanzi vesmíru. Nedostatek momentu hybnosti těchto částic znamená, že méně symetrií omezuje jejich interakce. Kvůli tomu, bootstrappers mohou odvodit méně o řídících zákonech přírody, a příroda sama o sobě má více kreativní Licence.

Spin- $ latex \frac{1}{2}$ částice hmoty mají také větší volnost. Ty tvoří rodinu masivních částic, které nazýváme hmotou, a jsou individuálně diferencovány svými hmotami a spojkami s různými silami. Náš vesmír obsahuje, například, spin-$latex \frac{1}{2}$ kvarky, které interagují s oběma gluony a fotony, a spin-$latex \frac{1}{2}$, že neutrina interagují s ani.

spinové spektrum se zastaví na 2, protože nekonečnosti v rovnici interakce čtyř částic zabíjejí všechny bezhmotné částice, které mají vyšší hodnoty spinu. Stavy vyšších Spinů mohou existovat, pokud jsou extrémně masivní, a takové částice hrají roli v kvantových teoriích gravitace, jako je teorie strun. Ale částice s vyšším spinem nemohou být detekovány a nemohou ovlivnit makroskopický svět.

Neobjevená Země

Spin-$latex \frac{3}{2}$ částice mohl dokončit 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, 2 model, ale pouze tehdy, pokud „supersymetrie“ je pravda, ve vesmíru — to je, když každá síla částice s celočíselným spinem má odpovídající hmota částic s půl-celočíselný spin. V posledních letech experimenty vyloučily mnoho nejjednodušších verzí supersymetrie. Mezera ve spinovém spektru však některým fyzikům připadá jako důvod k naději, že supersymetrie je pravdivá a částice spin- $ latex \frac{3}{2}$ existují.

Baumann ve své práci aplikuje bootstrap na začátek vesmíru. Nedávný článek Quanta popsal, jak on a další fyzici používali symetrie a další principy k omezení možností těchto prvních okamžiků.

je To „jen esteticky,“ Baumann řekl, „že zákony jsou nevyhnutelné — že tam je nějaká nevyhnutelnost zákony fyziky, které mohou být shrnuty do krátké hrst principy, které pak vedou k stavební bloky, které pak vybudovat makroskopického světa.“

Oprava: 16. prosince 2019
původní verze tohoto příběhu uvedla, že fyzici, kteří používají metodu bootstrap, by mohli „znovu objevit“ nebo „rederovat“ čtyři přírodní síly. Frázování znamenalo, že by mohli získat plné znalosti o detailech těchto sil a že jsou to jediné, které jsou povoleny. Místo toho metoda bootstrap klade silná omezení na možné síly. Pro částice bez hmoty spin-1 a spin-2 vede bootstrap k elektromagnetismu a obecné relativitě. Pro masivní spin-0, masivní spin-1 částic, a v případě více nehmotné spin-1 částic stejného typu, bootstrap místech volnější omezení na povaze interakce, ale Higgsova pole, slabé síly a silné síly jeví jako možnosti. Text článku a podtitul byly odpovídajícím způsobem revidovány.