宇宙の未解決の謎に比べて、過去半世紀にわたって物理学で結晶化した最も深遠な事実の一つについ アムステルダム大学の理論物理学者であるDaniel Baumannは、「私たちが持っている物理学の法則には自由はありません」と述べています。1960年代以来、そして過去10年間でますます、Baumannのような物理学者は、自然の法則が何でなければならないかを推測するために「ブートストラップ」と呼ばれ このアプローチは、法律が本質的に相互の一貫性を通じてお互いを指示することを前提としています。”このアイデアは、宇宙について膨大な量を説明することが判明しました。ブートストラップするとき、物理学者は、異なる量の”スピン”または固有の角運動量を持つ素粒子が一貫してどのように振る舞うことができるかを決 これを行うことで、彼らは宇宙を形作る既知の力の基本的な形を再発見します。 1964年にノーベル賞を受賞したスティーブン-ワインバーグが示したように、スピン2粒子の存在は必然的に一般相対性理論、すなわちアルベルト—アインシュタインの重力理論につながる。 アインシュタインは、落下するエレベーターと歪んだ空間と時間についての抽象的な考えを通して一般相対性理論に到着しましたが、理論はまた、基本的な粒子の数学的に一貫した振る舞いから直接従います。

“私は重力のこの必然性が自然についての最も深く、最も感動的な事実の一つであることを見つける、”Laurentiu Rodina、2014年にワインバーグの証明を近代化し、一般化 “すなわち、その性質は、すべての自己一貫性の上にあります。”

ブートストラップの仕組み

粒子のスピンは、その根底にある対称性、またはそれを変更せずに変換する方法を反映しています。 たとえば、スピン1パーティクルは、1回のフル回転で回転した後、同じ状態に戻ります。 スピンlatex latex\frac{1}{2}particle粒子は、同じ状態に戻るには2つの完全な回転を完了する必要がありますが、スピン2粒子は半分の回転の後に同じように見えます。 素粒子は0、latex latex\frac fracしか運ぶことができません{1}{2}$, 1, $latex\frac{3}{2}spinまたは2単位のスピン。

与えられたスピンの粒子に対してどのような挙動が可能であるかを把握するために、ブートストラップは、二つの粒子が消滅し、第三をもたらすような単純な粒子相互作用を検討する。 粒子のスピンはこれらの相互作用に制約を置く。 例えば、スピン2粒子の相互作用は、参加するすべての粒子が180度回転するとき、そのような半回転の下で対称であるため、同じままでなければなりません。

相互作用は、他のいくつかの基本的なルールに従う必要があります：運動量が保存されなければならない;相互作用は、粒子が空間と時間に会うことに これらの一貫性条件は、粒子相互作用が満たさなければならない代数方程式に変換される。 特定の相互作用に対応する方程式に解がある場合、これらの解は自然界で実現される傾向があります。

例えば、光子の場合、質量のないスピン-1粒子の光と電磁気学を考えてみましょう。 このような粒子の場合、4つの粒子の相互作用を記述する方程式-2つの粒子が入り、2つが出てくる、おそらく衝突して散乱した後—実行可能な解はあ したがって、光子は、このように相互作用しません。 「これが、光波が互いに散乱せず、巨視的な距離にわたって見ることができる理由です」とBaumann氏は説明します。 光子は、スピンlatex latex\frac{1}{2}electrons電子のような他のタイプの粒子を含む相互作用に参加することができます。 光子の相互作用に対するこれらの制約は、154年前の電磁気学の理論であるマクスウェル方程式につながる。

またはグルーオン、原子核を一緒に結合する強い力を伝える粒子を取ります。 グルーオンは質量のないスピン1粒子でもあるが、同じ質量のないスピン1粒子に複数のタイプがある場合を表す。 光子とは異なり、グルーオンは4粒子相互作用方程式を満たすことができ、自己相互作用することを意味する。 これらのグルオン自己相互作用に対する制約は、強い力の理論である量子色力学によって与えられた記述と一致する。

第三のシナリオでは、質量を持つスピン1粒子が含まれます。 質量は、宇宙の誕生の間に対称性が壊れたときに起こりました：定数—遍在するヒッグス場の値—は、自発的にゼロから正の数にシフトし、多くの粒子に質量 ヒッグス対称性の破れは、放射性崩壊の原因となる弱い力のキャリアであるWボソンとZボソンと呼ばれる巨大なスピン1粒子を作り出しました。

その後、”spin-2のために、奇跡が起こる”と、フランスのオルセーの理論物理学研究所の理論物理学者Adam Falkowskiは述べています。 この場合、四粒子相互作用方程式の解は、最初は無限大に悩まされているように見えます。 しかし、物理学者は、この相互作用が3つの異なる方法で進行することができ、3つの異なる選択肢に関連する数学的用語が無限大を打ち消すために完全に共謀し、解を可能にすることを発見した。

その解は重力です：それ自身と他のすべての粒子と同じ強さを持つスピン2粒子。 これは一般相対性理論の中心的な教義にまっすぐにつながります: 等価原理、アインシュタインの仮定重力は曲がった時空を介して加速と区別できず、重力質量と固有質量は同じであるという仮定。 Falkowskiは、ブートストラップのアプローチについて、「私はこの推論がアインシュタインの抽象的なものよりもはるかに説得力があると思います。”

したがって、基本的な対称性による基本的な粒子相互作用に置かれた制約を考えることによって、物理学者は原子を形作る強い力と弱い力、そ

さらに、ブートストラップは、多くの異なるスピン0粒子が可能であることを発見する。 唯一知られている例はヒッグス粒子であり、対称性を破るヒッグス場に関連する粒子であり、他の粒子に質量を吸収する。 Inflatonと呼ばれる仮想的なスピン0粒子は、宇宙の初期膨張を駆動している可能性があります。 これらの粒子の角運動量の欠如は、より少ない対称性がそれらの相互作用を制限することを意味する。 このため、ブートストラップは自然の準拠法についてあまり推測することができず、自然自体はより創造的なライセンスを持っています。

スピン-latex latex\frac{1}{2}matter物質粒子もより自由度があります。 これらは、私たちが物質と呼ぶ巨大な粒子の家族を構成し、それらはそれらの質量と様々な力への結合によって個別に区別されます。 私たちの宇宙には、例えば、グルオンと光子の両方と相互作用するスピンlatex latex\frac{1}{2}quarクォークと、どちらとも相互作用しないスピンlatex latex\frac{1}{2}neutrニュートリノが

四粒子相互作用方程式の無限大は、より高いスピン値を持つすべての質量のない粒子を殺すため、スピンスペクトルは2で停止します。 高スピン状態は、それらが非常に巨大であり、そのような粒子が弦理論のような重力の量子理論において役割を果たすならば、存在する可能性がある。 しかし、高スピン粒子は検出できず、巨視的な世界に影響を与えることはできません。スピン-latex latex\frac{3}{2}particles粒子は0、latex latex\frac{3}{2}particlesを完了する可能性があります{1}{2}$, 1, $latex\frac{3}{2}pattern、2パターンですが、宇宙で”超対称性”が真である場合、つまり整数スピンを持つすべての力粒子が半整数スピンを持つ対応する物質粒子を持 近年では、実験は超対称性の最も単純なバージョンの多くを除外しています。 しかし、スピンスペクトルのギャップは、超対称性が真実であり、スピンlatex latex\frac{3}{2}particles粒子が存在するという希望を保持する理由として、いくつかの物理彼の作品では、Baumannは宇宙の始まりにbootstrapを適用します。

最近のQuantaの記事では、彼と他の物理学者が対称性やその他の原則を使用して、それらの最初の瞬間の可能性を制限する方法を説明しました。

それは”ちょうど審美的に楽しい”とBaumannは言った、”法律は避けられないこと—物理学の法律のいくつかの必然性があることは、巨視的な世界を構築する”

訂正: この物語のオリジナルバージョンは、ブートストラップ法を使用する物理学者が自然の4つの力を「再発見」または「再発見」できると述べています。 この言い回しは、彼らがそれらの力の詳細について完全な知識を得ることができ、それらが許可されている唯一のものであることを暗示した。 代わりに、ブートストラップメソッドは、可能な力に強い制約を配置します。 質量のないスピン1粒子とスピン2粒子の場合、ブートストラップはそれぞれ電磁気学と一般相対性理論につながる。 質量のあるスピン0、質量のあるスピン1粒子、および同じタイプの複数の質量のないスピン1粒子の場合、ブートストラップは相互作用の性質に緩い制約を置くが、ヒッグス場、弱い力、強い力が可能性として現れる。 記事のテキストとサブ見出しはそれに応じて改訂されています。