Rispetto ai misteri irrisolti dell’universo, molto meno viene detto su uno dei fatti più profondi che si sono cristallizzati nella fisica nell’ultimo mezzo secolo: in misura sorprendente, la natura è così com’è perché non potrebbe essere diverso. ” Non c’è libertà nelle leggi della fisica che abbiamo”, ha detto Daniel Baumann, un fisico teorico dell’Università di Amsterdam.

Dal 1960, e sempre più negli ultimi dieci anni, fisici come Baumann hanno usato una tecnica nota come “bootstrap” per dedurre quali devono essere le leggi della natura. Questo approccio presuppone che le leggi essenzialmente dettano l “un l” altro attraverso la loro coerenza reciproca — che la natura ” si tira su dai propri bootstrap.”L’idea risulta spiegare una quantità enorme sull’universo.

Durante il bootstrap, i fisici determinano come le particelle elementari con diverse quantità di “spin”, o momento angolare intrinseco, possono comportarsi in modo coerente. In questo modo, riscoprono la forma di base delle forze conosciute che modellano l’universo. Più sorprendente è il caso di una particella con due unità di spin: Come il premio Nobel Steven Weinberg ha mostrato nel 1964, l’esistenza di una particella spin-2 porta inevitabilmente alla relatività generale — la teoria della gravità di Albert Einstein. Einstein è arrivato alla relatività generale attraverso pensieri astratti sugli ascensori che cadono e sullo spazio e sul tempo deformati, ma la teoria segue anche direttamente dal comportamento matematicamente coerente di una particella fondamentale.

“Trovo che questa inevitabilità della gravità sia uno dei fatti più profondi e stimolanti sulla natura”, ha detto Laurentiu Rodina, fisico teorico presso l’Istituto di Fisica teorica del CEA Saclay che ha contribuito a modernizzare e generalizzare la prova di Weinberg nel 2014. “Vale a dire, che la natura è soprattutto auto-coerente.”

Come funziona il Bootstrapping

Lo spin di una particella riflette le sue simmetrie sottostanti, o i modi in cui può essere trasformato che lo lasciano invariato. Una particella spin-1, ad esempio, ritorna allo stesso stato dopo essere stata ruotata di un giro completo. Una particella spin-latex latex \frac{1}{2} must deve completare due rotazioni complete per tornare allo stesso stato, mentre una particella spin-2 sembra identica dopo solo mezzo giro. Le particelle elementari possono trasportare solo 0, latex latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2} or o 2 unità di spin.

Per capire quale comportamento è possibile per le particelle di un dato spin, i bootstrapper considerano semplici interazioni di particelle, come due particelle che si annichiliscono e ne producono una terza. Gli spin delle particelle pongono dei vincoli su queste interazioni. Un’interazione di particelle spin-2, ad esempio, deve rimanere la stessa quando tutte le particelle partecipanti vengono ruotate di 180 gradi, poiché sono simmetriche sotto un tale mezzo giro.

Le interazioni devono obbedire ad alcune altre regole di base: la quantità di moto deve essere conservata; le interazioni devono rispettare la località, che impone che le particelle si disperdano incontrandosi nello spazio e nel tempo; e le probabilità di tutti i possibili risultati devono aggiungere fino a 1, un principio noto come unitarietà. Queste condizioni di coerenza si traducono in equazioni algebriche che le interazioni di particelle devono soddisfare. Se l’equazione corrispondente a una particolare interazione ha soluzioni, allora queste soluzioni tendono ad essere realizzate in natura.

Ad esempio, considera il caso del fotone, la particella spin-1 senza massa di luce e l’elettromagnetismo. Per una tale particella, l’equazione che descrive le interazioni di quattro particelle-dove due particelle entrano e due escono, forse dopo la collisione e la dispersione — non ha soluzioni praticabili. Quindi, i fotoni non interagiscono in questo modo. ” Questo è il motivo per cui le onde luminose non si disperdono l’una dall’altra e possiamo vedere su distanze macroscopiche”, ha spiegato Baumann. Il fotone può partecipare a interazioni che coinvolgono altri tipi di particelle, tuttavia, come spin-$latex \frac{1}{2} electrons elettroni. Questi vincoli sulle interazioni del fotone portano alle equazioni di Maxwell, la teoria dell’elettromagnetismo di 154 anni.

O prendi i gluoni, particelle che trasmettono la forza forte che lega insieme i nuclei atomici. I gluoni sono anche particelle spin-1 senza massa, ma rappresentano il caso in cui ci sono più tipi della stessa particella spin-1 senza massa. A differenza del fotone, i gluoni possono soddisfare l’equazione di interazione a quattro particelle, il che significa che si auto-interagiscono. I vincoli su queste auto-interazioni gluoniche corrispondono alla descrizione data dalla cromodinamica quantistica, la teoria della forza forte.

Un terzo scenario coinvolge particelle spin-1 che hanno massa. La massa si verificò quando una simmetria si ruppe durante la nascita dell’universo: una costante — il valore dell’onnipresente campo di Higgs — si spostò spontaneamente da zero a un numero positivo, impregnando molte particelle di massa. La rottura della simmetria di Higgs ha creato massicce particelle di spin-1 chiamate bosoni W e Z, i portatori della forza debole responsabile del decadimento radioattivo.

Quindi “per spin-2, accade un miracolo”, ha detto Adam Falkowski, un fisico teorico presso il Laboratorio di Fisica teorica di Orsay, in Francia. In questo caso, la soluzione all’equazione di interazione a quattro particelle in un primo momento sembra essere afflitta da infiniti. Ma i fisici scoprono che questa interazione può procedere in tre modi diversi, e che i termini matematici relativi alle tre diverse opzioni cospirano perfettamente per annullare gli infiniti, il che consente una soluzione.

Quella soluzione è il gravitone: una particella spin-2 che si accoppia a se stessa e a tutte le altre particelle con uguale forza. Questa uguaglianza conduce direttamente al principio centrale della relatività generale: il principio di equivalenza, postulato di Einstein che la gravità è indistinguibile dall’accelerazione attraverso lo spazio-tempo curvo, e che la massa gravitazionale e la massa intrinseca sono la stessa cosa. Falkowski ha detto dell’approccio bootstrap, ” Trovo questo ragionamento molto più convincente di quello astratto di Einstein.”

Quindi, pensando attraverso i vincoli posti sulle interazioni fondamentali delle particelle dalle simmetrie di base, i fisici possono capire l’esistenza delle forze forti e deboli che modellano gli atomi e le forze dell’elettromagnetismo e della gravità che scolpiscono l’universo in generale.

Inoltre, i bootstrapper trovano che sono possibili molte particelle spin-0 diverse. L’unico esempio noto è il bosone di Higgs, la particella associata al campo di Higgs che rompe la simmetria che impregna altre particelle di massa. Un’ipotetica particella spin-0 chiamata inflaton potrebbe aver guidato l’espansione iniziale dell’universo. La mancanza di momento angolare di queste particelle significa che meno simmetrie limitano le loro interazioni. Per questo motivo, i bootstrapper possono dedurre meno sulle leggi che governano la natura e la natura stessa ha una licenza più creativa.

Spin-latex latex \frac{1}{2} particles anche le particelle di materia hanno più libertà. Questi costituiscono la famiglia di particelle massive che chiamiamo materia, e sono differenziati individualmente dalle loro masse e accoppiamenti alle varie forze. Il nostro universo contiene, ad esempio, spin-latex latex \frac{1}{2} quar quark che interagiscono sia con i gluoni che con i fotoni e spin-latex latex \frac{1}{2} neutr neutrini che interagiscono con nessuno dei due.

Lo spettro di spin si ferma a 2 perché gli infiniti nell’equazione di interazione a quattro particelle uccidono tutte le particelle senza massa che hanno valori di spin più alti. Gli stati di spin superiore possono esistere se sono estremamente massicci e tali particelle svolgono un ruolo nelle teorie quantistiche della gravità come la teoria delle stringhe. Ma le particelle di spin superiore non possono essere rilevate e non possono influenzare il mondo macroscopico.

Paese sconosciuto

Spin-latex latex \ frac{3}{2} particles particles potrebbe completare il 0, latex latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2} pattern, 2 pattern, ma solo se la “supersimmetria” è vera nell’universo, cioè se ogni particella di forza con spin intero ha una particella di materia corrispondente con spin mezzo intero. Negli ultimi anni, gli esperimenti hanno escluso molte delle versioni più semplici della supersimmetria. Ma il divario nello spettro di spin colpisce alcuni fisici come una ragione per sperare che la supersimmetria sia vera e che le particelle spin-latex latex \frac{3}{2} exist esistano.

Nel suo lavoro, Baumann applica il bootstrap all’inizio dell’universo. Un recente articolo di Quanta ha descritto come lui e altri fisici hanno usato simmetrie e altri principi per limitare le possibilità per quei primi momenti.

È “solo esteticamente piacevole”, ha detto Baumann, “che le leggi sono inevitabili — che c’è una certa inevitabilità delle leggi della fisica che può essere riassunta da una breve manciata di principi che poi portano a blocchi che poi costruiscono il mondo macroscopico.”

Correzione: 16 Dicembre 2019
La versione originale di questa storia ha detto che i fisici che usano il metodo bootstrap potrebbero “riscoprire” o “rederive” le quattro forze della natura. Il fraseggio implicava che potevano acquisire piena conoscenza dei dettagli di quelle forze e che quelle sono le uniche che sono permesse. Invece, il metodo bootstrap pone forti vincoli sulle possibili forze. Per le particelle spin-1 e spin-2 senza massa, il bootstrap porta rispettivamente all’elettromagnetismo e alla relatività generale. Per massive spin-0, massive spin-1 particelle, e il caso di più particelle di spin-1 senza massa dello stesso tipo, il bootstrap pone vincoli più sciolti sulla natura delle interazioni, ma il campo di Higgs, forza debole e forza forte emergono come possibilità. Il testo dell’articolo e il sottotitolo sono stati rivisti di conseguenza.