Im Vergleich zu den ungelösten Mysterien des Universums wird weit weniger über eine der tiefgründigsten Tatsachen gesagt, die sich in der Physik im letzten halben Jahrhundert herauskristallisiert haben: In erstaunlichem Maße ist die Natur so, wie sie ist, weil sie nicht anders sein könnte. „Es gibt einfach keine Freiheit in den Gesetzen der Physik, die wir haben“, sagte Daniel Baumann, ein theoretischer Physiker an der Universität von Amsterdam.Seit den 1960er Jahren und zunehmend in den letzten zehn Jahren haben Physiker wie Baumann eine Technik verwendet, die als „Bootstrap“ bekannt ist, um abzuleiten, was die Naturgesetze sein müssen. Dieser Ansatz geht davon aus, dass sich die Gesetze im Wesentlichen durch ihre gegenseitige Konsistenz gegenseitig diktieren — dass sich die Natur „an ihren eigenen Stiefeln hochzieht.“ Die Idee stellt sich heraus, eine riesige Menge über das Universum zu erklären.

Beim Bootstrapping bestimmen Physiker, wie sich Elementarteilchen mit unterschiedlichem „Spin“ oder Eigendrehimpuls konsistent verhalten können. Dabei entdecken sie die Grundform der bekannten Kräfte wieder, die das Universum formen. Am auffälligsten ist der Fall eines Teilchens mit zwei Spineinheiten: Wie der Nobelpreisträger Steven Weinberg 1964 zeigte, führt die Existenz eines Spin-2—Teilchens unweigerlich zur allgemeinen Relativitätstheorie – Albert Einsteins Gravitationstheorie. Einstein kam zur allgemeinen Relativitätstheorie durch abstrakte Gedanken über fallende Aufzüge und verzerrte Raum und Zeit, aber die Theorie folgt auch direkt aus dem mathematisch konsistenten Verhalten eines fundamentalen Teilchens.“Ich halte diese Unvermeidlichkeit der Schwerkraft für eine der tiefsten und inspirierendsten Fakten über die Natur“, sagte Laurentiu Rodina, theoretischer Physiker am Institut für Theoretische Physik am CEA Saclay, der 2014 dazu beigetragen hat, Weinbergs Beweis zu modernisieren und zu verallgemeinern. „Nämlich, dass die Natur vor allem selbstbeständig ist.“

Wie Bootstrapping funktioniert

Der Spin eines Partikels spiegelt seine zugrunde liegenden Symmetrien wider oder die Art und Weise, wie es transformiert werden kann, wodurch es unverändert bleibt. Ein Spin-1-Teilchen zum Beispiel kehrt in den gleichen Zustand zurück, nachdem es um eine volle Umdrehung gedreht wurde. Ein Spin- $ latex \frac{1} {2} $ -Partikel muss zwei volle Umdrehungen ausführen, um in denselben Zustand zurückzukehren, während ein Spin-2-Partikel nach nur einer halben Umdrehung identisch aussieht. Elementarteilchen können nur 0, $ latex \frac tragen{1}{2}$, 1, $ latex \frac{3}{2}$ oder 2 Einheiten Drall.

Um herauszufinden, welches Verhalten für Teilchen eines bestimmten Spins möglich ist, betrachten Bootstrapper einfache Teilcheninteraktionen, wie z. B. zwei Teilchen, die sich vernichten und ein Drittel ergeben. Die Spins der Teilchen setzen diesen Wechselwirkungen Grenzen. Eine Wechselwirkung von Spin-2-Partikeln muss beispielsweise gleich bleiben, wenn alle beteiligten Partikel um 180 Grad gedreht werden, da sie unter einer solchen halben Umdrehung symmetrisch sind.

Wechselwirkungen müssen einigen anderen Grundregeln gehorchen: Der Impuls muss erhalten bleiben; Die Wechselwirkungen müssen die Lokalität respektieren, die vorschreibt, dass sich Partikel zerstreuen, wenn sie sich in Raum und Zeit treffen; und die Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Ergebnisse müssen sich zu 1 addieren, ein Prinzip, das als Unitarität bekannt ist. Diese Konsistenzbedingungen übersetzen sich in algebraische Gleichungen, die die Partikelwechselwirkungen erfüllen müssen. Wenn die einer bestimmten Wechselwirkung entsprechende Gleichung Lösungen aufweist, werden diese Lösungen in der Regel in der Natur realisiert.

Betrachten Sie zum Beispiel den Fall des Photons, des masselosen Spin-1-Teilchens von Licht und Elektromagnetismus. Für ein solches Teilchen hat die Gleichung, die Vier-Teilchen-Wechselwirkungen beschreibt — wo zwei Teilchen hineingehen und zwei herauskommen, vielleicht nach Kollision und Streuung – keine praktikablen Lösungen. Photonen interagieren also nicht auf diese Weise. „Deshalb streuen Lichtwellen nicht voneinander ab und wir können über makroskopische Entfernungen sehen“, erklärt Baumann. Das Photon kann jedoch an Wechselwirkungen mit anderen Arten von Teilchen teilnehmen, wie z Spin- $ latex \ frac {1} {2} $ Elektronen. Diese Einschränkungen der Wechselwirkungen des Photons führen zu Maxwells Gleichungen, der 154 Jahre alten Theorie des Elektromagnetismus.

Oder nehmen Sie Gluonen, Teilchen, die die starke Kraft vermitteln, die Atomkerne miteinander verbindet. Gluonen sind auch masselose Spin-1-Partikel, aber sie repräsentieren den Fall, dass es mehrere Arten desselben masselosen Spin-1-Partikels gibt. Im Gegensatz zum Photon können Gluonen die Vier-Teilchen-Wechselwirkungsgleichung erfüllen, was bedeutet, dass sie selbst interagieren. Einschränkungen dieser Gluon-Selbstinteraktionen entsprechen der Beschreibung der Quantenchromodynamik, der Theorie der starken Kraft.

Ein drittes Szenario betrifft Spin-1-Teilchen mit Masse. Masse entstand, als während der Geburt des Universums eine Symmetrie brach: Eine Konstante — der Wert des allgegenwärtigen Higgs—Feldes – verschob sich spontan von Null auf eine positive Zahl und gab vielen Teilchen Masse. Das Brechen der Higgs-Symmetrie erzeugte massive Spin-1-Teilchen namens W- und Z-Bosonen, die Träger der schwachen Kraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist.Dann „passiert für Spin-2 ein Wunder“, sagte Adam Falkowski, ein theoretischer Physiker am Labor für Theoretische Physik in Orsay, Frankreich. In diesem Fall scheint die Lösung der Vierteilchen-Wechselwirkungsgleichung zunächst mit Unendlichkeiten behaftet zu sein. Physiker finden jedoch, dass diese Wechselwirkung auf drei verschiedene Arten ablaufen kann und dass mathematische Begriffe, die sich auf die drei verschiedenen Optionen beziehen, sich perfekt verschwören, um die Unendlichkeiten aufzuheben, was eine Lösung ermöglicht.

Diese Lösung ist das Graviton: ein Spin-2-Teilchen, das sich und alle anderen Teilchen mit gleicher Stärke koppelt. Diese Gleichmäßigkeit führt direkt zum zentralen Grundsatz der allgemeinen Relativitätstheorie: das Äquivalenzprinzip, Einsteins Postulat, dass die Schwerkraft nicht von der Beschleunigung durch gekrümmte Raumzeit zu unterscheiden ist und dass Gravitationsmasse und intrinsische Masse ein und dasselbe sind. Falkowski sagte über den Bootstrap-Ansatz: „Ich finde diese Argumentation viel überzeugender als die abstrakte von Einstein.“Wenn Physiker also die Einschränkungen durchdenken, die fundamentalen Teilchenwechselwirkungen durch grundlegende Symmetrien auferlegt werden, können sie die Existenz der starken und schwachen Kräfte verstehen, die Atome formen, und die Kräfte des Elektromagnetismus und der Schwerkraft, die das Universum im Allgemeinen formen.

Darüber hinaus finden Bootstrapper, dass viele verschiedene Spin-0-Partikel möglich sind. Das einzige bekannte Beispiel ist das Higgs-Boson, das Teilchen, das mit dem symmetriebrechenden Higgs-Feld assoziiert ist, das anderen Teilchen Masse verleiht. Ein hypothetisches Spin-0-Teilchen namens Inflaton könnte die anfängliche Expansion des Universums vorangetrieben haben. Der fehlende Drehimpuls dieser Teilchen bedeutet, dass weniger Symmetrien ihre Wechselwirkungen einschränken. Aus diesem Grund können Bootstrapper weniger auf die Gesetze der Natur schließen, und die Natur selbst hat mehr kreative Lizenz.

Spin-$latex \frac{1}{2}$ Materieteilchen haben auch mehr Freiheit. Diese bilden die Familie der massiven Teilchen, die wir Materie nennen, und sie unterscheiden sich individuell durch ihre Massen und Kopplungen an die verschiedenen Kräfte. Unser Universum enthält zum Beispiel Spin- $ latex \ frac {1} {2} $ Quarks, die sowohl mit Gluonen als auch mit Photonen interagieren, und Spin- $ latex \ frac{1} {2} $ Neutrinos, die mit beiden interagieren.

Das Spinspektrum stoppt bei 2, weil die Unendlichkeiten in der Vier-Teilchen-Wechselwirkungsgleichung alle masselosen Teilchen töten, die höhere Spinwerte haben. Höhere Spinzustände können existieren, wenn sie extrem massiv sind, und solche Teilchen spielen eine Rolle in Quantentheorien der Schwerkraft wie der Stringtheorie. Aber Teilchen mit höherem Spin können nicht detektiert werden und sie können die makroskopische Welt nicht beeinflussen.

Unentdecktes Land

Spin-$latex \frac{3}{2}$ Partikel könnten die 0 vervollständigen, $latex \frac{1}{2}$, 1, $ latex \frac{3}{2} $, 2 Muster, aber nur, wenn „Supersymmetrie“ im Universum wahr ist — das heißt, wenn jedes Kraftteilchen mit ganzzahligem Spin ein entsprechendes Materieteilchen mit halbzahligem Spin hat. In den letzten Jahren haben Experimente viele der einfachsten Versionen der Supersymmetrie ausgeschlossen. Aber die Lücke im Spinspektrum scheint einigen Physikern ein Grund zu sein, zu hoffen, dass Supersymmetrie wahr ist und Spin- $ 2 \ frac {3} {2} $ -Teilchen existieren.

In seiner Arbeit wendet Baumann den Bootstrap auf den Anfang des Universums an. Ein kürzlich erschienener Quanta-Artikel beschrieb, wie er und andere Physiker Symmetrien und andere Prinzipien verwendeten, um die Möglichkeiten für diese ersten Momente einzuschränken.Es ist „nur ästhetisch ansprechend“, sagte Baumann, „dass die Gesetze unvermeidlich sind — dass es eine gewisse Unvermeidlichkeit der Gesetze der Physik gibt, die durch eine kurze Handvoll Prinzipien zusammengefasst werden kann, die dann zu Bausteinen führen, die dann die makroskopische Welt aufbauen.“

Korrektur: 16. Dezember 2019
Die ursprüngliche Version dieser Geschichte sagte, dass Physiker, die die Bootstrap-Methode verwenden, die vier Kräfte der Natur „neu entdecken“ oder „neu erleben“ könnten. Die Formulierung implizierte, dass sie vollständige Kenntnis der Details dieser Kräfte erlangen könnten und dass dies die einzigen sind, die erlaubt sind. Stattdessen setzt die Bootstrap-Methode starke Einschränkungen für die möglichen Kräfte. Für masselose Spin-1- und Spin-2-Teilchen führt der Bootstrap zu Elektromagnetismus bzw. allgemeiner Relativitätstheorie. Für massive Spin-0-, massive Spin-1-Partikel und den Fall mehrerer masseloser Spin-1-Partikel desselben Typs legt der Bootstrap die Art der Wechselwirkungen lockerer fest, aber das Higgs-Feld, die schwache Kraft und die starke Kraft ergeben sich als Möglichkeiten. Der Text des Artikels und die Überschrift wurden entsprechend überarbeitet.