vergeleken met de onopgeloste mysteries van het universum, wordt veel minder gezegd over een van de meest diepgaande feiten die de afgelopen halve eeuw in de fysica zijn gekristalliseerd: verbazingwekkend genoeg is de natuur zoals ze is omdat ze niet anders kan zijn. “Er is gewoon geen vrijheid in de wetten van de natuurkunde die we hebben,” zei Daniel Baumann, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam.sinds de jaren zestig, en in toenemende mate in het afgelopen decennium, hebben natuurkundigen als Baumann een techniek gebruikt die bekend staat als de” bootstrap ” om af te leiden wat de wetten van de natuur moeten zijn. Deze benadering gaat ervan uit dat de wetten in wezen dicteren elkaar door hun wederzijdse consistentie — dat de natuur “trekt zich op door zijn eigen bootstraps.”Het idee blijkt een enorme hoeveelheid over het universum te verklaren.

bij bootstrapping bepalen natuurkundigen hoe elementaire deeltjes met verschillende hoeveelheden “spin” of intrinsiek impulsmoment zich consistent kunnen gedragen. Door dit te doen, herontdekken ze de basisvorm van de bekende krachten die het universum vormen. Het meest opvallende is het geval van een deeltje met twee spin-eenheden: zoals Nobelprijswinnaar Steven Weinberg in 1964 liet zien, leidt het bestaan van een spin-2 — deeltje onvermijdelijk tot algemene relativiteit-Albert Einsteins zwaartekrachttheorie. Einstein kwam tot algemene relativiteit door abstracte gedachten over vallende liften en kromgetrokken ruimte en tijd, maar de theorie volgt ook direct uit het wiskundig consistente gedrag van een fundamenteel deeltje.”ik vind deze onvermijdelijkheid van zwaartekracht een van de diepste en meest inspirerende feiten over de natuur,” zei Laurentiu Rodina, een theoretisch natuurkundige aan het Institute of Theoretical Physics van CEA Saclay die Weinberg ‘ s bewijs hielp moderniseren en generaliseren in 2014. “Namelijk, die natuur is boven alles zelf-consistent.”

hoe Bootstrapping werkt

De spin van een deeltje weerspiegelt zijn onderliggende symmetrieën, of de manieren waarop het kan worden getransformeerd dat het onveranderd laat. Een spin-1 deeltje, bijvoorbeeld, keert terug naar dezelfde toestand na te zijn gedraaid door een volledige draai. Een spin- $ latex \ frac{1}{2}$ deeltje moet twee volledige rotaties voltooien om terug te komen naar dezelfde toestand, terwijl een spin-2 deeltje er na slechts een halve draai identiek uitziet. Elementaire deeltjes kunnen alleen 0, $latex \frac dragen{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$ of 2 eenheden van spin.

om erachter te komen welk gedrag mogelijk is voor deeltjes van een bepaalde spin, overwegen bootstrappers eenvoudige deeltjesinteracties, zoals twee deeltjes die vernietigen en een derde opleveren. De spins van de deeltjes plaatsen beperkingen op deze interacties. Een interactie van spin-2 deeltjes, bijvoorbeeld, moet hetzelfde blijven als alle deelnemende deeltjes 180 graden worden gedraaid, omdat ze symmetrisch zijn onder zo ‘ n halve draai.

interacties moeten voldoen aan een paar andere basisregels: Momentum moet behouden blijven; de interacties moeten plaats respecteren, wat bepaalt dat deeltjes zich verspreiden door elkaar te ontmoeten in ruimte en tijd; en de waarschijnlijkheden van alle mogelijke uitkomsten moeten optellen tot 1, een principe dat bekend staat als unitariteit. Deze consistentievoorwaarden vertalen zich in algebraïsche vergelijkingen waaraan de deeltjesinteracties moeten voldoen. Als de vergelijking die overeenkomt met een bepaalde interactie oplossingen heeft, dan hebben deze oplossingen de neiging om in de natuur te worden gerealiseerd.

neem bijvoorbeeld het geval van het foton, het massaloze spin-1-deeltje van licht en elektromagnetisme. Voor zo ‘ n deeltje heeft de vergelijking die vier-deeltjesinteracties beschrijft — waarbij twee deeltjes erin gaan en twee eruit komen, misschien na botsingen en verstrooiing — geen haalbare oplossingen. Fotonen interageren dus niet op deze manier. “Dit is de reden waarom lichtgolven elkaar niet afstropen en we kunnen over macroscopische afstanden zien,” legde Baumann uit. Het foton kan echter deelnemen aan interacties met andere soorten deeltjes, zoals spin-$latex \frac{1}{2}$ elektronen. Deze beperkingen op de interacties van het foton leiden tot Maxwell ‘ s vergelijkingen, de 154 jaar oude theorie van elektromagnetisme.

of neem gluonen, deeltjes die de sterke kracht overbrengen die atoomkernen bindt. Gluonen zijn ook massaloze spin-1 deeltjes, maar ze vertegenwoordigen het geval waar er meerdere types van hetzelfde massaloze spin-1 deeltje zijn. In tegenstelling tot het foton, kan gluonen de vergelijking van de vier-deeltjesinteractie tevredenstellen, betekenend dat zij zelf-op elkaar inwerken. De beperkingen op deze zelf-interacties van gluon komen overeen met de beschrijving die wordt gegeven door de kwantumchromodynamica, de theorie van de sterke kracht.

een derde scenario betreft spin-1-deeltjes met massa. Massa ontstond toen een symmetrie brak tijdens de geboorte van het universum: een constante — de waarde van het alomtegenwoordige higgsveld — veranderde spontaan van nul naar een positief getal, waardoor veel deeltjes met massa werden doordrenkt. Het breken van de Higgs-symmetrie creëerde massieve spin-1-deeltjes, W-en Z-bosonen genaamd, de dragers van de zwakke kracht die verantwoordelijk is voor radioactief verval.”voor spin-2 gebeurt er een wonder,” zei Adam Falkowski, een theoretisch natuurkundige aan het laboratorium voor Theoretische Fysica in Orsay, Frankrijk. In dit geval lijkt de oplossing van de vier-deeltjesinteractievergelijking in eerste instantie te zijn belaagd met oneindigheden. Maar natuurkundigen vinden dat deze interactie op drie verschillende manieren kan verlopen, en dat wiskundige termen gerelateerd aan de drie verschillende opties perfect samenzweren om de oneindigheden weg te halen, wat een oplossing mogelijk maakt.

die oplossing is het graviton: een spin-2-deeltje dat aan zichzelf en alle andere deeltjes met gelijke sterkte koppelt. Deze gelijkbereidheid leidt rechtstreeks naar het centrale principe van de algemene relativiteitstheorie: het equivalentieprincipe, Einstein ‘ s postulaat dat zwaartekracht niet te onderscheiden is van versnelling door gekromde ruimte-tijd, en dat gravitatiemassa en intrinsieke massa één en dezelfde zijn. Falkowski zei over de bootstrap aanpak: “Ik vind deze redenering veel dwingender dan de abstracte van Einstein.”

dus, door na te denken over de beperkingen die door fundamentele symmetrieën op fundamentele deeltjesinteracties worden gelegd, kunnen natuurkundigen het bestaan begrijpen van de sterke en zwakke krachten die atomen vormen, en de krachten van elektromagnetisme en zwaartekracht die het heelal in het algemeen vormen.

bovendien vinden bootstrappers dat veel verschillende spin – 0 deeltjes mogelijk zijn. Het enige bekende voorbeeld is het higgsboson, het deeltje geassocieerd met het Symmetriebrekende higgsveld dat andere deeltjes met massa doordrenkt. Een hypothetisch spin-0-deeltje genaamd de inflaton kan de eerste uitdijing van het universum hebben gedreven. Het gebrek aan impulsmoment van deze deeltjes betekent dat minder symmetrieën hun interacties beperken. Hierdoor kunnen bootstrappers minder afleiden over de wetten van de natuur en heeft de natuur zelf meer creatieve licentie.

Spin- $ latex \ frac{1}{2}$ matter deeltjes hebben ook meer vrijheid. Deze vormen de familie van massieve deeltjes die wij materie noemen, en zij worden individueel onderscheiden door hun massa ‘ s en koppelingen met de verschillende krachten. Ons universum bevat bijvoorbeeld spin- $ latex \ frac{1}{2}$ quarks die interageren met zowel gluonen als fotonen, en spin-$latex \frac{1}{2}$ neutrino ‘ s die interageren met geen van beide.

het spinspectrum stopt op 2 omdat de oneindigheden in de vier-deeltjesinteractievergelijking alle massaloze deeltjes met hogere spinwaarden doden. Hogere draaistoestanden kunnen bestaan als ze extreem massief zijn, en dergelijke deeltjes spelen een rol in kwantumtheorieën van zwaartekracht, zoals snaartheorie. Maar deeltjes met een hogere spin kunnen niet worden gedetecteerd, en ze kunnen de macroscopische wereld niet beïnvloeden.

onontdekt land

Spin – $latex \frac{3}{2}$ deeltjes kunnen de 0, $latex \frac voltooien{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$, 2 patroon, maar alleen als “supersymmetrie” waar is in het universum — dat wil zeggen, als elk krachtdeeltje met gehele spin een corresponderende materie deeltje met halve gehele spin heeft. In de afgelopen jaren hebben experimenten veel van de eenvoudigste versies van supersymmetrie uitgesloten. Maar het gat in het spinspectrum treft sommige natuurkundigen als reden om de hoop uit te spreken dat supersymmetrie waar is en spin-$latex \frac{3}{2}$ deeltjes bestaan.

in zijn werk past Baumann de bootstrap toe op het begin van het universum. Een recent Quanta-artikel beschreef hoe hij en andere natuurkundigen symmetrieën en andere principes gebruikten om de mogelijkheden voor die eerste momenten te beperken.het is “gewoon esthetisch,” zei Baumann, ” dat de wetten onvermijdelijk zijn — dat er enige onvermijdelijkheid is van de wetten van de fysica die kunnen worden samengevat door een handvol principes die dan leiden tot bouwstenen die dan de macroscopische wereld opbouwen.”

correctie: December 16, 2019
De originele versie van dit verhaal zei dat natuurkundigen die de bootstrap methode gebruiken de vier krachten van de natuur konden “herontdekken” of “herleven”. De frasering impliceerde dat ze volledige kennis konden verwerven van de details van die krachten en dat dat de enige zijn die toegestaan zijn. In plaats daarvan plaatst de bootstrap methode sterke beperkingen op de mogelijke krachten. Voor massaloze spin-1-en spin-2-deeltjes leidt de bootstrap respectievelijk tot elektromagnetisme en algemene relativiteit. Voor massieve spin-0, massieve spin-1 deeltjes, en het geval van meerdere masseless spin-1 deeltjes van hetzelfde type, plaatst de bootstrap lossere beperkingen op de aard van de interacties, maar het higgsveld, zwakke kracht en sterke kracht ontstaan als mogelijkheden. De tekst van het artikel en de ondertitel zijn dienovereenkomstig herzien.