w porównaniu do nierozwiązanych tajemnic wszechświata, znacznie mniej mówi się o jednym z najgłębszych faktów, które skrystalizowały się w fizyce w ciągu ostatniego półwiecza: w zdumiewającym stopniu natura jest taka, jaka jest, ponieważ nie może być inaczej. „Nie ma po prostu wolności w prawach fizyki, które mamy”, powiedział Daniel Baumann, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Amsterdamie.

od lat 60.i coraz częściej w ostatniej dekadzie, fizycy tacy jak Baumann używali techniki znanej jako „bootstrap” do wnioskowania, jakie prawa natury muszą być. Takie podejście zakłada, że prawa zasadniczo dyktują sobie nawzajem poprzez swoją wzajemną spójność — że natura „podciąga się przez własne bootstrapy.”Pomysł okazuje się wyjaśniać ogromną ilość o wszechświecie.

podczas rozruchu fizycy ustalają, jak mogą zachowywać się cząstki elementarne o różnej wielkości „spinu” lub wewnętrznego momentu pędu. W ten sposób odkrywają na nowo podstawową formę znanych sił kształtujących wszechświat. Najbardziej uderzający jest przypadek cząstki o dwóch jednostkach spinu: jak pokazał laureat Nagrody Nobla Steven Weinberg w 1964 roku, istnienie cząstki spin-2 prowadzi nieuchronnie do ogólnej teorii względności — teorii grawitacji Alberta Einsteina. Einstein doszedł do ogólnej teorii względności poprzez abstrakcyjne myśli o spadających windach i wypaczonej przestrzeni i czasie, ale teoria wynika również bezpośrednio z matematycznie spójnego zachowania cząstki fundamentalnej.

„uważam tę nieuchronność grawitacji za jeden z najgłębszych i najbardziej inspirujących faktów na temat natury”, powiedział Laurentiu Rodina, fizyk teoretyczny z Instytutu Fizyki Teoretycznej w CEA Saclay, który pomógł zmodernizować i uogólnić dowód Weinberga w 2014 roku. „Mianowicie, że natura jest przede wszystkim samowystarczalna.”

jak działa Bootstrapping

spin cząstki odzwierciedla jej podstawowe symetrie lub sposoby, w jakie można ją przekształcić, które pozostawiają ją niezmienioną. Na przykład cząstka spin-1 powraca do tego samego stanu po obróceniu o jeden pełny obrót. Spin – $latex \frac{1}{2}$ cząstka musi wykonać dwa pełne obroty, aby powrócić do tego samego stanu, podczas gdy cząstka spin-2 wygląda identycznie już po pół obrotu. Cząstki elementarne mogą przenosić tylko 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3} {2}$ lub 2 jednostki spinu.

aby dowiedzieć się, jakie zachowanie jest możliwe dla cząstek o danym spinie, bootstrappers rozważają proste interakcje cząstek, takie jak anihilacja dwóch cząstek i otrzymanie trzeciej. Spiny cząstek nakładają ograniczenia na te interakcje. Na przykład oddziaływanie cząstek spin-2 musi pozostać takie samo, gdy wszystkie uczestniczące cząstki są obracane o 180 stopni, ponieważ są symetryczne pod takim półobrotem.

interakcje muszą być zgodne z kilkoma innymi podstawowymi zasadami: pęd musi być zachowany; interakcje muszą respektować lokalność, która nakazuje, że cząstki rozpraszają się przez spotkanie w przestrzeni i czasie; a prawdopodobieństwo wszystkich możliwych wyników musi sumować się do 1, Zasady znanej jako jednostkowość. Te warunki konsystencji przekładają się na równania algebraiczne, które muszą spełniać oddziaływania cząstkowe. Jeśli równanie odpowiadające konkretnej interakcji ma rozwiązania, to rozwiązania te mają tendencję do realizacji w przyrodzie.

Weźmy na przykład przypadek fotonu, bezmasowej cząstki spin-1 światła i elektromagnetyzmu. Dla takiej cząstki równanie opisujące interakcje czterech cząstek-gdzie dwie cząstki wchodzą, a dwie wychodzą, być może po zderzeniu i rozproszeniu-nie ma możliwych rozwiązań. Dlatego fotony nie oddziałują w ten sposób. „Dlatego fale świetlne nie rozpraszają się od siebie i widzimy na makroskopowych odległościach”, wyjaśnił Baumann. Foton może jednak uczestniczyć w interakcjach z udziałem innych typów cząstek, takich jak spin-$latex \frac{1}{2}$ elektrony. Te ograniczenia oddziaływań fotonu prowadzą do równań Maxwella, 154-letniej teorii elektromagnetyzmu.

lub weź gluony, cząstki, które przenoszą silną siłę, która wiąże jądra atomowe razem. Gluony są również bezmasowymi cząstkami spin-1, ale reprezentują przypadek, w którym istnieje wiele typów tej samej bezmasowej cząstki spin-1. W przeciwieństwie do fotonu, gluony mogą spełniać równanie interakcji czterech cząstek, co oznacza, że oddziałują samoistnie. Ograniczenia dotyczące tych oddziaływań gluonowych odpowiadają opisowi podanemu przez chromodynamikę kwantową, teorię siły silnej.

trzeci scenariusz dotyczy cząstek spin-1, które mają masę. Masa powstała, gdy symetria pękła podczas narodzin wszechświata: stała-wartość wszechobecnego pola Higgsa-spontanicznie zmieniła się z zera na liczbę dodatnią, nasycając wiele cząstek masą. Złamanie symetrii Higgsa stworzyło masywne cząstki spin-1 zwane bozonami W i Z, nośniki słabej siły odpowiedzialnej za rozpad promieniotwórczy.

„W przypadku spin-2 zdarza się cud” – powiedział Adam Falkowski, fizyk teoretyczny z Laboratorium Fizyki Teoretycznej w Orsay we Francji. W tym przypadku rozwiązanie równania oddziaływań czterech cząstek na początku wydaje się być usiane nieskończonością. Ale fizycy odkrywają, że ta interakcja może przebiegać na trzy różne sposoby, i że matematyczne terminy związane z trzema różnymi opcjami doskonale spiskują, aby anulować nieskończoność, co pozwala na rozwiązanie.

tym rozwiązaniem jest grawiton: cząstka spin-2, która łączy się ze sobą i wszystkimi innymi cząstkami z jednakową siłą. Ta równomierność prowadzi prosto do centralnego założenia ogólnej teorii względności: zasada równoważności, postulat Einsteina, że grawitacja jest nie do odróżnienia od przyspieszenia przez zakrzywioną czasoprzestrzeń, a masa grawitacyjna i masa wewnętrzna są jednym i tym samym. Falkowski powiedział o podejściu bootstrap: „uważam to rozumowanie za znacznie bardziej przekonujące niż abstrakcyjne rozumowanie Einsteina.”

tak więc, myśląc o ograniczeniach nałożonych na podstawowe interakcje cząstek przez podstawowe symetrie, fizycy mogą zrozumieć istnienie silnych i słabych sił, które kształtują Atomy, oraz sił elektromagnetyzmu i grawitacji, które rzeźbią wszechświat w ogóle.

ponadto, bootstrappers odkrywa, że możliwe jest wiele różnych cząstek spin-0. Jedynym znanym przykładem jest bozon Higgsa, cząstka związana z łamającym symetrię polem Higgsa, który nasyca inne cząstki masą. Hipotetyczna cząstka spin-0 zwana inflatonem mogła spowodować początkową ekspansję wszechświata. Brak momentu pędu tych cząstek oznacza, że mniej symetrii ogranicza ich oddziaływania. Z tego powodu bootstrappers może mniej wnioskować o prawach rządzących naturą, a sama natura ma więcej licencji twórczych.

Spin – $latex \frac{1}{2} $ cząstki materii również mają większą swobodę. Tworzą one rodzinę masywnych cząstek, które nazywamy materią i są one indywidualnie różnicowane przez ich masy i sprzężenia z różnymi siłami. Nasz wszechświat zawiera na przykład spin – $latex \frac{1}{2}$ kwarki, które oddziałują zarówno z gluonami, jak i fotonami, oraz Spin-$latex \frac{1}{2}$ neutrina, które nie oddziałują z żadnym z nich.

widmo spinu zatrzymuje się na 2, ponieważ nieskończoność w równaniu oddziaływań czterech cząstek zabija wszystkie cząstki bezmasowe, które mają wyższe wartości spinu. Stany o wyższych spinach mogą istnieć, jeśli są ekstremalnie masywne, a takie cząstki odgrywają rolę w kwantowych teoriach grawitacji, takich jak teoria strun. Ale cząstki o wyższych Wirach nie mogą być wykryte i nie mogą wpływać na makroskopowy świat.

Spin-$latex \frac{3}{2} $ particles może dopełnić 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $Lateks \frac{3}{2}$, wzór 2, ale tylko wtedy, gdy” supersymetria ” jest prawdziwa we wszechświecie — to znaczy, jeśli każda cząstka siły o spinie całkowitym ma odpowiadającą jej cząstkę materii o spinie połówkowym. W ostatnich latach eksperymenty wykluczyły wiele najprostszych wersji supersymetrii. Ale luka w spektrum spinu uderza niektórych fizyków jako powód, aby trzymać nadzieję, że supersymetria jest prawdziwa i spin – $latex \frac{3}{2}$ cząstki istnieją.

w swojej pracy Baumann stosuje bootstrap do początku wszechświata. Niedawny artykuł Quanta opisywał, jak on i inni fizycy używali symetrii i innych zasad, aby ograniczyć możliwości dla tych pierwszych momentów.

to” po prostu estetyczne”, powiedział Baumann, ” że prawa są nieuniknione — że istnieje pewna nieuchronność praw fizyki, którą można podsumować krótką garścią zasad, które następnie prowadzą do bloków budujących makroskopowy świat.”

korekta: 16 grudnia 2019
Oryginalna wersja tej historii mówi, że fizycy, którzy używają metody bootstrap, mogą „odkryć” lub „rederive” cztery siły natury. Frazowanie sugerowało, że mogą uzyskać pełną wiedzę o szczegółach tych sił i że tylko one są dozwolone. Zamiast tego metoda bootstrap nakłada silne ograniczenia NA możliwe siły. Dla cząstek bezmasowych spin-1 i spin-2, bootstrap prowadzi odpowiednio do elektromagnetyzmu i ogólnej teorii względności. Dla MASSIVE Spin-0, massive Spin-1 particles, i przypadku wielu massless Spin-1 particles tego samego typu, bootstrap umieszcza luźniejsze ograniczenia na naturze oddziaływań, ale pole Higgsa, słaba siła i silna siła pojawiają się jako możliwości. Tekst artykułu i podtytuł zostały odpowiednio zmienione.