verrattuna ratkaisemattomiin mysteereihin maailmankaikkeudessa, paljon vähemmän puhutaan yhdestä syvällisimmistä tosiasioista, jotka fysiikassa on viimeisen puolen vuosisadan aikana kiteytynyt: hämmästyttävässä määrin luonto on sellainen kuin se on, koska se ei voinut olla erilainen. ”Fysiikan laeissa ei vain ole vapautta, mitä meillä on”, sanoi Amsterdamin yliopiston teoreettinen fyysikko Daniel Baumann.

1960-luvulta lähtien ja yhä useammin viime vuosikymmenellä Baumannin kaltaiset fyysikot ovat käyttäneet ”bootstrapina” tunnettua tekniikkaa päättelemään, mitkä luonnonlait täytyy olla. Tämä lähestymistapa olettaa, että lait pohjimmiltaan sanelevat toisiaan niiden keskinäisen johdonmukaisuuden kautta-että luonto ” vetää itsensä ylös omilla saappaanrappeillaan.”Ajatus osoittautuu selittää valtava määrä maailmankaikkeudesta.

bootstrappingissa fyysikot määrittelevät, miten alkeishiukkaset, joilla on erilaisia määriä ”spiniä” eli luontaista kulmamomenttia, voivat johdonmukaisesti käyttäytyä. Näin tehdessään he löytävät uudelleen niiden tunnettujen voimien perusmuodon, jotka muovaavat kaikkeutta. Huomiota herättävin on tapaus hiukkasesta, jolla on kaksi spin-yksikköä: kuten nobelisti Steven Weinberg osoitti vuonna 1964, spin — 2-hiukkasen olemassaolo johtaa väistämättä yleiseen suhteellisuusteoriaan-Albert Einsteinin painovoimateoriaan. Einstein päätyi yleiseen suhteellisuusteoriaan abstraktien ajatusten kautta putoavista hisseistä ja vääristyneestä avaruudesta ja ajasta, mutta teoria seuraa myös suoraan perushiukkasen matemaattisesti johdonmukaisesta käyttäytymisestä.

”minusta tämä painovoiman väistämättömyys on yksi syvimmistä ja inspiroivimmista faktoista luonnosta”, sanoi Laurentiu Rodina, teoreettinen fyysikko cea Saclayn teoreettisen fysiikan instituutissa, joka auttoi Weinbergin todistuksen modernisoinnissa ja yleistämisessä vuonna 2014. ”Nimittäin, että luonto on ennen kaikkea itsensä johdonmukainen.”

miten Bootstrapping toimii

hiukkasen spin heijastaa sen taustalla olevia symmetrioita, tai tapoja, joilla se voidaan muuntaa, jotka jättävät sen muuttumattomaksi. Esimerkiksi spin – 1-hiukkanen palaa samaan tilaan kierrettyään sitä yhden täyden kierroksen. Spin-$latex \frac{1}{2}$ – hiukkasen täytyy suorittaa kaksi täyttä kierrosta palatakseen samaan tilaan, kun taas spin-2-hiukkanen näyttää identtiseltä vain puolen kierroksen jälkeen. Alkeishiukkaset voivat kantaa vain 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$ tai 2 pyöräytysyksikköä.

selvittääkseen, mikä käyttäytyminen on mahdollista tietyn Spinin hiukkasille, bootstraperit tarkastelevat yksinkertaisia hiukkasten vuorovaikutuksia, kuten kahden hiukkasen annihilointia ja kolmannen tuottamista. Hiukkasten pyörähdykset rajoittavat näitä vuorovaikutuksia. Esimerkiksi spin – 2-hiukkasten vuorovaikutuksen on pysyttävä samana, kun kaikki osallistuvat hiukkaset pyörivät 180 astetta, koska ne ovat symmetrisiä tällaisessa puolikierroksessa.

vuorovaikutusten on noudatettava muutamaa muuta perussääntöä: liikemäärä on säilytettävä; vuorovaikutusten on kunnioitettava paikallisuutta, mikä määrää, että hiukkaset hajoavat kohtaamalla avaruudessa ja ajassa; ja kaikkien mahdollisten lopputulosten todennäköisyyksien on laskettava yhteen 1, jota kutsutaan unitaarisuudeksi. Nämä johdonmukaisuus edellytykset kääntää algebrallinen yhtälöt, että hiukkasen vuorovaikutukset on täytettävä. Jos tiettyä vuorovaikutusta vastaavalla yhtälöllä on ratkaisuja, nämä ratkaisut tuppaavat toteutumaan luonnossa.

tarkastellaan esimerkiksi fotonin, valon massattoman spin-1-hiukkasen ja sähkömagnetismin tapausta. Tällaiselle hiukkaselle neljän hiukkasen vuorovaikutusta kuvaavalla yhtälöllä — jossa kaksi hiukkasta menee sisään ja kaksi tulee ulos, ehkä törmäyksen ja sironnan jälkeen — ei ole toteuttamiskelpoisia ratkaisuja. Fotonit eivät siis vuorovaikuta tällä tavalla. ”Tämän vuoksi valoaallot eivät siroa toisiaan ja näemme makroskooppisten etäisyyksien yli”, Baumann selitti. Fotoni voi kuitenkin osallistua vuorovaikutuksiin, joissa on mukana muuntyyppisiä hiukkasia, kuten spin-$latex \frac{1}{2}$ elektroneja. Nämä fotonin vuorovaikutusten rajoitteet johtavat Maxwellin yhtälöihin, 154 vuotta vanhaan sähkömagnetismin teoriaan.

tai otetaan gluoneja, hiukkasia, jotka välittävät atomiytimiä yhteen sitovan vahvan voiman. Gluonit ovat myös massattomia spin-1-hiukkasia, mutta ne edustavat tapausta, jossa samaa massatonta spin-1-hiukkasta on useita eri tyyppejä. Toisin kuin fotoni, gluonit voivat täyttää neljän hiukkasen vuorovaikutusyhtälön, eli ne ovat itse vuorovaikutuksessa keskenään. Näiden gluonien itsevuorovaikutusten rajoitteet vastaavat kvanttikromodynamiikan antamaa kuvausta eli vahvan voiman teoriaa.

kolmannessa skenaariossa on mukana spin-1-hiukkasia, joilla on massaa. Massa syntyi, kun symmetria rikkoutui universumin syntyessä: vakio — kaikkialla olevan Higgsin kentän arvo — siirtyi spontaanisti nollasta positiiviseksi luvuksi ja imi itseensä monia hiukkasia massasta. Higgsin symmetrian rikkoutuminen synnytti massiivisia spin-1-hiukkasia, W-ja Z-bosoneja, jotka kantavat radioaktiivisen hajoamisen aiheuttavaa heikkoa voimaa.

silloin ”spin-2: lle tapahtuu ihme”, sanoi teoreettinen fyysikko Adam Falkowski teoreettisen fysiikan laboratoriossa Orsayssa Ranskassa. Tällöin ratkaisu neljän hiukkasen vuorovaikutusyhtälöön näyttää aluksi olevan äärettömyys. Mutta fyysikot huomaavat, että tämä vuorovaikutus voi edetä kolmella eri tavalla, ja että kolmeen eri vaihtoehtoon liittyvät matemaattiset termit sopivat täydellisesti mitätöimään äärettömyydet, mikä mahdollistaa ratkaisun.

tämä ratkaisu on gravitoni: spin-2-hiukkanen, joka pariutuu itseensä ja kaikkiin muihin yhtä voimakkaisiin hiukkasiin. Tämä tasaisuus johtaa suoraan yleisen suhteellisuusteorian keskeiseen periaatteeseen: ekvivalenssiperiaate, Einsteinin postulaatti, jonka mukaan gravitaatiota ei voi erottaa kiihtyvyydestä kaarevan aika-avaruuden kautta, ja että gravitaatiomassa ja luontainen massa ovat yksi ja sama. Falkowski sanoi bootstrap lähestymistapa, ” minusta tämä päättely paljon pakottava kuin abstrakti yksi Einstein.”

näin fyysikot voivat perustasymmetrioiden hiukkasten perusvuorovaikutuksille asettamien rajoitusten kautta ymmärtää atomeja muovaavien vahvojen ja heikkojen voimien olemassaolon sekä sähkömagnetismin ja gravitaation voimat, jotka muokkaavat koko maailmankaikkeutta.

lisäksi bootstraperit toteavat, että monet erilaiset spin-0-hiukkaset ovat mahdollisia. Ainoa tunnettu esimerkki on Higgsin bosoni, hiukkanen, joka liittyy symmetriaa rikkovaan Higgsin kenttään, joka imaisee itseensä muita hiukkasia massalla. Hypoteettinen spin-0-hiukkanen nimeltä inflaton on saattanut ajaa maailmankaikkeuden alkuperäisen laajenemisen. Näiden hiukkasten kulmamomentin puuttuminen tarkoittaa sitä, että vähemmän symmetrioita rajoittaa niiden vuorovaikutusta. Tämän vuoksi bootstraperit voivat päätellä vähemmän luonnon hallitsevista laeista, ja luonnolla itsellään on enemmän luovaa lisenssiä.

Spin-$latex \frac{1}{2}$ materiahiukkasilla on myös enemmän vapautta. Nämä muodostavat massiivisten hiukkasten perheen, jota kutsumme materiaksi, ja ne erilaistuvat yksilöllisesti massojensa ja eri voimiin liittymiensä perusteella. Universumissamme on esimerkiksi spin – $latex \frac{1}{2}$ kvarkkeja, jotka vuorovaikuttavat sekä gluonien että fotonien kanssa, ja spin-$latex \frac{1}{2}$ neutriinoja, jotka vuorovaikuttavat kummankaan kanssa.

spin-spektri pysähtyy arvoon 2, koska neljän hiukkasen vuorovaikutusyhtälön äärettömyydet tappavat kaikki massattomat hiukkaset, joilla on korkeammat spin-arvot. Korkeampikiertoiset tilat voivat olla olemassa, jos ne ovat erittäin massiivisia, ja tällaisilla hiukkasilla on merkitystä painovoiman kvanttiteorioissa, kuten säieteoriassa. Mutta korkeamman Spinin hiukkasia ei voi havaita, eivätkä ne voi vaikuttaa makroskooppiseen maailmaan.

tutkimaton maa

Spin-$latex \frac{3}{2}$ partikkelit voivat täydentää 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, 2 — kuvio, mutta vain jos ”supersymmetria” on totta kaikkeudessa-eli jos jokaisella kokonaisluvun spinillä olevalla voimahiukkasella on vastaava ainehiukkanen, jonka spinillä on puolet kokonaisluvusta. Viime vuosina kokeet ovat sulkeneet pois monia supersymmetrian yksinkertaisimpia versioita. Mutta Spinin spektrissä oleva aukko on joidenkin fyysikoiden mielestä syy elätellä toivoa, että supersymmetria on totta ja spin-$latex \frac{3}{2}$ – hiukkasia on olemassa.

Baumann soveltaa teoksessaan Bootstrapia maailmankaikkeuden alkuun. Tuoreessa Quanta-artikkelissa kuvailtiin, miten hän ja muut fyysikot käyttivät symmetrioita ja muita periaatteita rajoittaakseen näiden ensimmäisten hetkien mahdollisuuksia.

on ”vain esteettisesti miellyttävää”, Baumann sanoi, ”että lait ovat väistämättömiä — että on olemassa joitakin fysiikan lakeja, jotka voidaan tiivistää lyhyeen kouralliseen periaatteita, jotka sitten johtavat rakennuspalikoihin, jotka sitten rakentavat makroskooppisen maailman.”

korjaus: 16. joulukuuta 2019
tämän tarinan alkuperäisessä versiossa sanottiin, että bootstrap-menetelmää käyttävät fyysikot voisivat ”löytää uudelleen” tai ”rederivoida” neljä luonnonvoimaa. Fraseeraus antoi ymmärtää, että he voisivat saada täyden tiedon näiden voimien yksityiskohdista ja että vain ne ovat sallittuja. Sen sijaan bootstrap-menetelmä asettaa vahvoja rajoitteita mahdollisille voimille. Massattomille spin-1-ja spin-2-hiukkasille bootstrap johtaa sähkömagnetismiin ja vastaavasti yleiseen suhteellisuusteoriaan. Massiivisille spin-0-hiukkasille, massiivisille spin-1-hiukkasille ja useiden massattomien saman tyyppisten spin-1-hiukkasten tapauksessa bootstrap asettaa väljempiä rajoituksia vuorovaikutusten luonteelle, mutta Higgsin kenttä, heikko voima ja vahva voima tulevat esiin mahdollisuuksina. Artikkelin tekstiä ja alaotsikkoa on muutettu vastaavasti.