Sammenlignet med universets uløste mysterier, blir det langt mindre sagt om en av de mest dype fakta som har krystallisert seg i fysikken i løpet av det siste halve århundre: i en forbløffende grad er naturen slik den er Fordi den ikke kunne være noe annerledes. «Det er bare ingen frihet i fysikkloven som vi har,» Sa Daniel Baumann, en teoretisk fysiker ved Universitetet I Amsterdam.siden 1960-tallet, og i økende grad det siste tiåret, har fysikere Som Baumann brukt en teknikk kjent som «bootstrap» for å utlede hva naturlovene må være. Denne tilnærmingen antar at lovene i hovedsak dikterer hverandre gjennom gjensidig konsistens – at naturen » trekker seg opp av sine egne bootstraps.»Ideen viser seg å forklare en stor mengde om universet . når bootstrapping bestemmer fysikere hvordan elementære partikler med forskjellige mengder «spinn», eller iboende vinkelmoment, konsekvent kan oppføre seg. Ved å gjøre dette gjenoppdager de den grunnleggende formen til de kjente kreftene som former universet. Mest slående er tilfellet med en partikkel med to enheter av spinn: Som Nobelprisvinneren Steven Weinberg viste i 1964, fører eksistensen av en spin – 2-partikkel uunngåelig til generell relativitet-Albert Einsteins gravitasjonsteori. Einstein kom til generell relativitet gjennom abstrakte tanker om fallende heiser og forvrengt rom og tid, men teorien følger også direkte fra den matematisk konsistente oppførselen til en grunnleggende partikkel.»jeg finner denne uunngåelighet av tyngdekraften å være en av de dypeste og mest inspirerende fakta om naturen,» Sa Laurentiu Rodina, en teoretisk fysiker Ved Institutt FOR Teoretisk Fysikk VED CEA Saclay som bidro Til å modernisere Og generalisere weinbergs bevis i 2014. «Nemlig er den naturen fremfor alt selvkonsistent.»

Hvordan Bootstrapping Virker

en partikkels spinn reflekterer dens underliggende symmetrier, eller måtene den kan transformeres som lar den være uendret. En spinn-1-partikkel, for eksempel, går tilbake til samme tilstand etter å ha blitt rotert med en full sving. En spin – $ latex \ frac{1}{2} $ partikkel må fullføre to fulle rotasjoner for å komme tilbake til samme tilstand, mens en spin-2 partikkel ser identisk ut etter bare en halv sving. Elementære partikler kan bare bære 0, $ latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2} $ eller 2 enheter av spinn.

for å finne ut hvilken oppførsel som er mulig for partikler av et gitt spinn, vurderer bootstrappers enkle partikkelinteraksjoner, for eksempel to partikler som ødelegger og gir en tredjedel. Partikkelens spinn plasserer begrensninger på disse interaksjonene. En interaksjon mellom spin – 2-partikler, for eksempel, må forbli den samme når alle deltakende partikler roteres 180 grader, siden de er symmetriske under en slik halv omdreining.Interaksjoner må adlyde noen andre grunnleggende regler: Momentum må bevares; samspillet må respektere lokalitet, som dikterer at partikler sprer seg ved å møte i rom og tid; og sannsynlighetene for alle mulige utfall må legge opp til 1, et prinsipp kjent som enhetlighet. Disse konsistensbetingelsene oversetter til algebraiske ligninger som partikkelinteraksjonene må tilfredsstille. Hvis ligningen som svarer til en bestemt interaksjon har løsninger, har disse løsningene en tendens til å bli realisert i naturen.

for eksempel, vurder tilfellet av fotonet, den masseløse spin – 1 partikkelen av lys og elektromagnetisme. For en slik partikkel har ligningen som beskriver fire partikkelinteraksjoner – hvor to partikler går inn og to kommer ut, kanskje etter å ha kollidert og spredt-ingen levedyktige løsninger. Dermed interagerer fotoner ikke på denne måten. «Det er derfor lysbølger ikke sprer seg fra hverandre, og Vi kan se over makroskopiske avstander,» forklarte Baumann. Fotonet kan delta i interaksjoner som involverer andre typer partikler, men som spin-$latex \frac{1}{2}$ elektroner. Disse begrensningene på fotons interaksjoner fører Til Maxwells ligninger, Den 154 år gamle teorien om elektromagnetisme.

eller ta gluoner, partikler som formidler den sterke kraften som binder atomkjerner sammen. Gluoner er også masseløse spin – 1-partikler, men de representerer tilfellet der det finnes flere typer av samme masseløse spin-1-partikkel. I motsetning til fotonet, gluoner kan tilfredsstille fire-partikkel interaksjon ligningen, noe som betyr at de selv samhandle. Begrensninger på disse gluon-selvinteraksjonene samsvarer med beskrivelsen gitt av kvantekromodynamikk, teorien om sterk kraft.

et tredje scenario innebærer spin-1 partikler som har masse. Masse kom da en symmetri brøt under universets fødsel: en konstant — verdien Av det allestedsnærværende Higgs-feltet-spontant skiftet fra null til et positivt tall, imbuing mange partikler med masse. Brytningen Av Higgs-symmetrien skapte massive spin – 1-partikler kalt W-og Z-bosoner, bærerne av den svake kraften som er ansvarlig for radioaktivt henfall.Så «for spin-2 skjer et mirakel,» Sa Adam Falkowski, en teoretisk fysiker Ved Laboratoriet For Teoretisk Fysikk I Orsay, Frankrike. I dette tilfellet synes løsningen på fire-partikkel interaksjonsligningen først å være besatt med uendeligheter. Men fysikere finner at denne interaksjonen kan fortsette på tre forskjellige måter, og at matematiske termer relatert til de tre forskjellige alternativene perfekt konspirerer for å avbryte de uendelige, som tillater en løsning.

denne løsningen er gravitonet: en spin-2-partikkel som parrer seg selv og alle andre partikler med samme styrke. Denne evenhandedness fører rett til den sentrale grunnsetning av generell relativitet: ekvivalensprinsippet, Einsteins postulat at tyngdekraften ikke skiller seg fra akselerasjon gjennom buet romtid, og at gravitasjonsmasse og inneboende masse er en og samme. Falkowski sa om bootstrap-tilnærmingen: «jeg finner denne resonnementet mye mer overbevisende enn Einsteins abstrakte.»Ved å tenke gjennom begrensningene som er lagt på grunnleggende partikkelinteraksjoner av grunnleggende symmetrier, kan fysikere forstå eksistensen av de sterke og svake kreftene som former atomer, og kreftene til elektromagnetisme og tyngdekraft som skaper universet som helhet.

i tillegg finner bootstrappers at mange forskjellige spin – 0-partikler er mulige. Det eneste kjente eksemplet Er Higgs boson, partikkelen som er forbundet med det symmetribryte Higgs-feltet som imbues andre partikler med masse. En hypotetisk spin – 0 partikkel kalt inflaton kan ha drevet den første utvidelsen av universet. Disse partikkelenes mangel på vinkelmoment betyr at færre symmetrier begrenser deres interaksjoner. På grunn av dette kan bootstrappers utlede mindre om naturens styrende lover, og naturen selv har mer kreativ lisens.

Spin- $ latex \frac{1}{2} $ materiepartikler har også mer frihet. Disse utgjør familien av massive partikler vi kaller materie, og de er individuelt differensiert av deres masser og koblinger til de forskjellige kreftene. Vårt univers inneholder for eksempel spin – $ latex \ frac{1}{2} $ kvarker som interagerer med både gluoner og fotoner, og spin-$latex \frac{1}{2}$ nøytriner som interagerer med verken.spinnspekteret stopper ved 2 fordi uendelighetene i interaksjonsligningen med fire partikler dreper alle masseløse partikler som har høyere spinnverdier. Høyere spinntilstander kan eksistere hvis de er ekstremt massive, og slike partikler spiller en rolle i kvanteteorier om tyngdekraften som strengteori. Men høyere spinnpartikler kan ikke oppdages, og de kan ikke påvirke den makroskopiske verden.

Uoppdaget Land

Spin- $ latex \ frac{3}{2} $ partikler kan fullføre 0, $ latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$, 2 mønster, men bare hvis «supersymmetri» er sant i universet-det vil si hvis hver kraftpartikkel med heltallspinn har en tilsvarende materiepartikkel med halvtallspinn. De siste årene har eksperimenter utelukket mange av de enkleste versjonene av supersymmetri. Men gapet i spinnspekteret rammer noen fysikere som en grunn til å holde ut håp om at supersymmetri er sant og spin-$latex \frac{3}{2}$ partikler eksisterer.

I sitt arbeid bruker Baumann bootstrap til universets begynnelse. En nylig Quanta-artikkel beskrev hvordan han og andre fysikere brukte symmetrier og andre prinsipper for å begrense mulighetene for de første øyeblikkene.Det Er» bare estetisk tiltalende», Sa Baumann, » at lovene er uunngåelige-at det er noen uunngåelighet av fysikkens lover som kan oppsummeres av en kort håndfull prinsipper som da fører til byggesteiner som deretter bygger opp den makroskopiske verden.»

Korreksjon: 16. desember 2019
den opprinnelige versjonen av denne historien sa at fysikere som bruker bootstrap-metoden, kunne «gjenoppdage» eller «rederive» de fire naturkreftene. Fraseringen innebar at de kunne få full kunnskap om detaljene i disse kreftene, og at de er de eneste som er tillatt. I stedet plasserer bootstrap-metoden sterke begrensninger på mulige krefter. For masseløse spin-1-og spin-2-partikler fører bootstrap til henholdsvis elektromagnetisme og generell relativitet. For massive spin-0, massive spin – 1-partikler, og tilfelle av flere masseløse spin-1-partikler av samme type, plasserer bootstrap løsere begrensninger på interaksjonens natur, Men Higgs-feltet, svak kraft og sterk kraft dukker opp som muligheter. Teksten i artikkelen og underoverskriften er revidert tilsvarende.