Az univerzum megoldatlan rejtélyeihez képest sokkal kevesebbet mondanak a fizikában az elmúlt fél évszázad egyik legmélyebb tényéről: megdöbbentő mértékben a természet az, ahogy van, mert nem lehet más. “Egyszerűen nincs szabadság a fizika törvényeiben” – mondta Daniel Baumann, az Amszterdami Egyetem elméleti fizikusa.

az 1960-as évek óta, és az elmúlt évtizedben egyre inkább a baumannhoz hasonló fizikusok a “bootstrap” néven ismert technikát alkalmazták a természet törvényeinek megállapításához. Ez a megközelítés feltételezi, hogy a törvények lényegében egymás kölcsönös következetességén keresztül diktálják egymást — hogy a természet “saját bootstrapjaival húzza fel magát.”Az ötlet kiderül, hogy hatalmas összeget magyarázzon az univerzumról.

bootstrapping esetén a fizikusok meghatározzák, hogy a különböző mennyiségű “spin” vagy belső szög lendülettel rendelkező elemi részecskék hogyan viselkedhetnek következetesen. Ennek során újra felfedezik az univerzumot alakító ismert erők alapvető formáját. A legszembetűnőbb a két Centrifugálási egységgel rendelkező részecske esete: amint a Nobel-díjas Steven Weinberg 1964 — ben megmutatta, a spin-2 részecske létezése elkerülhetetlenül általános relativitáshoz vezet-Albert Einstein gravitációs elmélete. Einstein megérkezett az általános relativitáselmélet keresztül elvont gondolatok tartozó, lift, valamint meggörbült a tér-idő, de az elmélet is következik, közvetlenül a matematikailag következetes viselkedés alapvető részecske.

“a gravitáció elkerülhetetlenségét a természet egyik legmélyebb és leginspirálóbb tényének tartom” – mondta Laurentiu Rodina, a CEA Saclay Elméleti Fizikai Intézet elméleti fizikusa, aki 2014-ben segített Weinberg bizonyítékainak modernizálásában és általánosításában. “Nevezetesen, hogy a természet mindenekelőtt önkövető.”

hogyan működik a Bootstrapping

egy részecske spinje tükrözi a mögöttes szimmetriáit, vagy azokat a módokat, amelyek megváltoztathatók, változatlanul hagyják. A spin – 1 részecske például visszatér ugyanabba az állapotba, miután egy teljes fordulattal elforgatták. A spin – $ latex \ frac{1}{2} $ részecske két teljes forgatást kell végrehajtania, hogy visszatérjen ugyanabba az állapotba, míg a spin-2 részecske csak fél fordulás után azonos. Az elemi részecskék csak 0, $ latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$ vagy 2 egység spin.

annak megállapításához, hogy egy adott spin részecskéi esetében milyen viselkedés lehetséges, a bootstrappers egyszerű részecske-kölcsönhatásokat tekint, például két részecskét megsemmisít, és egy harmadikat eredményez. A részecskék pörgetése korlátozza ezeket a kölcsönhatásokat. A spin-2 részecskék kölcsönhatásának például azonosnak kell maradnia, ha az összes részt vevő részecskét 180 fokkal elforgatják, mivel szimmetrikusak egy ilyen félfordulat alatt.

Kölcsönhatások engedelmeskednie kell néhány alapvető szabályok: Lendület kell őrizni; a kölcsönhatások tiszteletben kell tartania településen, amely azt diktálja, hogy a részecskék scatter a találkozó a tér-idő; a valószínűsége az összes lehetséges kimenetelt is hozzá kell tegyük fel, hogy 1, egy elv néven unitarity. Ezek a konzisztencia feltételek algebrai egyenletekké alakulnak, amelyeket a részecske kölcsönhatásoknak meg kell felelniük. Ha egy adott interakciónak megfelelő egyenletnek vannak megoldásai, akkor ezek a megoldások általában a természetben valósulnak meg.

vegyük például a foton esetét, a tömeg nélküli spin-1 fényrészecskét és az elektromágnesességet. Egy ilyen részecske esetében a négyrészecske kölcsönhatásokat leíró egyenletnek-ahol két részecske megy be és kettő jön ki, talán ütközés és szórás után — nincs életképes megoldása. Így a fotonok nem kölcsönhatásba lépnek ilyen módon. “Ez az oka annak, hogy a fényhullámok nem szóródnak le egymástól, és makroszkopikus távolságokon is látunk” – magyarázta Baumann. A foton részt vehet más típusú részecskékkel kapcsolatos interakciókban, például spin-$latex \frac{1}{2}$ elektronok. A foton kölcsönhatásainak ezen korlátai Maxwell egyenleteihez vezetnek, az elektromágnesesség 154 éves elméletéhez.

vagy vegyen be gluonokat, részecskéket, amelyek közvetítik az erős erőt, amely összeköti az atommagokat. A gluonok szintén tömeg nélküli spin-1 részecskék, de azt az esetet képviselik, amikor ugyanazon tömeg nélküli spin-1 részecske többféle típusa létezik. A fotonnal ellentétben a gluonok képesek kielégíteni a négyrészecske kölcsönhatási egyenletét, ami azt jelenti, hogy Ön kölcsönhatásba lépnek. Ezeknek a gluon-Ön kölcsönhatásoknak a korlátai megegyeznek a kvantum-kromodinamika, az erős erő elmélete által adott leírással.

egy harmadik forgatókönyv spin-1 részecskéket tartalmaz, amelyek tömege. A tömeg akkor jött létre, amikor az univerzum születése során szimmetria tört ki: egy állandó — a mindenütt jelenlévő Higgs — mező értéke-spontán eltolódott nulláról pozitív számra, sok részecskét tömeggel imbuálva. A Higgs-szimmetria megtörése hatalmas spin-1 részecskéket hozott létre, úgynevezett W és Z bozonokat, amelyek a radioaktív bomlásért felelős gyenge erő hordozói.

ezután “a spin-2 esetében csoda történik” – mondta Adam Falkowski, a franciaországi Orsay Elméleti Fizika Laboratóriumának elméleti fizikusa. Ebben az esetben a négyrészecske-kölcsönhatás egyenletének megoldása először úgy tűnik, hogy végtelen. De a fizikusok úgy találják, hogy ez az interakció három különböző módon folytatódhat, és hogy a három különböző lehetőséghez kapcsolódó matematikai kifejezések tökéletesen összeesküdnek arra, hogy megszüntessék a végtelenségeket, ami lehetővé teszi a megoldást.

Ez az oldat a graviton: egy spin-2 részecske, amely önmagához és minden más, azonos szilárdságú részecskéhez párosul. Ez evenhandedness vezet egyenesen a központi tétel az általános relativitáselmélet: az ekvivalencia elve, Einstein posztulálja, hogy a gravitáció megkülönböztethetetlen az ívelt téridőn keresztüli gyorsulástól, és hogy a gravitációs tömeg és a belső tömeg ugyanaz. Falkowski azt mondta a bootstrap megközelítésről: “ezt az érvelést sokkal lenyűgözőbbnek találom, mint Einstein absztrakt.”

Így, gondolkodás révén a megszorítások forgalomba alapvető részecske kölcsönhatások által alapvető szimmetria, a fizikusok is értem, hogy létezik az erős, illetve gyenge erők alakú atomok, valamint az erők elektromágnesesség, valamint a gravitáció, hogy farag az univerzum nagy.

ezenkívül a bootstrappers úgy találja, hogy sok különböző spin-0 részecske lehetséges. Az egyetlen ismert példa a Higgs-bozon, a szimmetria-törés Higgs-mezőhöz kapcsolódó részecske, amely más részecskéket tömeggel imbues. Egy feltételezett spin-0 részecske, az úgynevezett inflaton hajthatta az univerzum kezdeti terjeszkedését. Ezeknek a részecskéknek a szögimpulzusának hiánya azt jelenti, hogy kevesebb szimmetria korlátozza kölcsönhatásaikat. Emiatt a bootstrappers kevésbé következtethet a természet irányadó törvényeire, maga a természet pedig kreatívabb licenccel rendelkezik.

Spin – $latex \ frac{1}{2} $ anyagrészecskék is nagyobb szabadságot. Ezek alkotják az anyagnak nevezett hatalmas részecskék családját, és tömegük és a különböző erőkhöz való csatlakozásuk külön-külön differenciálódik. Az univerzum tartalmaz, például spin-$latex \frac{1}{2}$ kvarkok, hogy kölcsönhatásba lépnek mind a gluonok, valamint a fotonok, majd a spin-$latex \frac{1}{2}$ neutrínók, hogy kölcsönhatásba sem.

a spin spektrum 2-nél áll meg, mert a négyrészecske-interakciós egyenlet végtelenségei elpusztítják az összes olyan tömeg nélküli részecskét, amelyek magasabb spinértékekkel rendelkeznek. Magasabb-spin állapotok létezhetnek, ha rendkívül masszívak, és az ilyen részecskék szerepet játszanak a gravitációs kvantumelméletekben, például a húrelméletben. De a nagyobb forgású részecskéket nem lehet kimutatni, és nem befolyásolhatják a makroszkopikus világot.

Ismeretlen Ország

Spin-$latex \frac{3}{2}$ részecskék nem tudta befejezni a 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, 2 minta, de csak akkor, ha “szuperszimmetria” igaz az univerzumban — ez, ha minden erő részecske az egész spin-nak megfelelő részecskével, fél-egész körre. Az utóbbi években a kísérletek kizárták a szuperszimmetria legegyszerűbb verzióit. De a Spin spektrum rése néhány fizikus számára okot ad arra, hogy reménykedjen abban, hogy a szuperszimmetria igaz, és spin-$latex \frac{3}{2}$ részecskék léteznek.

munkájában Baumann a bootstrapot az univerzum elejére alkalmazza. Egy nemrégiben megjelent Quanta-cikk arról írt, hogy ő és más fizikusok hogyan használták a szimmetriákat és más elveket az első pillanatok lehetőségeinek korlátozására.

“csak esztétikailag kellemes” – mondta Baumann -, hogy a törvények elkerülhetetlenek-hogy a fizika törvényeinek van néhány elkerülhetetlensége, amelyet egy rövid maroknyi elv foglalhat össze, amelyek ezután építőelemekhez vezetnek, amelyek aztán felépítik a makroszkopikus világot.”

korrekció: 2019. December 16.
A történet eredeti változata szerint a Bootstrap módszert használó fizikusok “újra felfedezhetik” vagy “újraértékelhetik” a természet négy erejét. A megfogalmazás azt sugallta, hogy teljes mértékben megismerhetik ezen erők részleteit, és hogy ezek az egyetlenek, amelyek megengedettek. Ehelyett a bootstrap módszer erős korlátokat helyez el a lehetséges erőkre. A tömeg nélküli spin-1 és spin-2 részecskék esetében a bootstrap elektromágnesességhez, illetve általános relativitáshoz vezet. A massive spin-0, massive spin-1 részecskék, valamint az azonos típusú többszörös tömeg nélküli spin-1 részecskék esetében a bootstrap lazább korlátokat helyez el az interakciók természetére, de a Higgs Mező, a gyenge erő és az erős erő lehetőségként jelenik meg. A cikk szövegét és az alcímet ennek megfelelően felülvizsgálták.