în comparație cu misterele nerezolvate ale universului, se spune mult mai puțin despre unul dintre cele mai profunde fapte care s-au cristalizat în fizică în ultima jumătate de secol: într-o măsură uimitoare, natura este așa cum este pentru că nu ar putea fi diferită. „Nu există libertate în legile fizicii pe care le avem”, a spus Daniel Baumann, fizician teoretic la Universitatea din Amsterdam.

din anii 1960 și din ce în ce mai mult în ultimul deceniu, fizicieni precum Baumann au folosit o tehnică cunoscută sub numele de „bootstrap” pentru a deduce care trebuie să fie legile naturii. Această abordare presupune că legile dictează, în esență, unul pe altul prin coerența lor reciprocă — că natura „se trage în sus prin propriile bootstraps.”Ideea se dovedește a explica o cantitate imensă despre univers.

la bootstrapping, fizicienii determină modul în care particulele elementare cu cantități diferite de „rotire” sau impuls unghiular intrinsec se pot comporta în mod constant. Făcând acest lucru, ei redescoperă forma de bază a forțelor cunoscute care modelează universul. Cel mai izbitor este cazul unei particule cu două unități de rotire: așa cum a arătat câștigătorul Premiului Nobel Steven Weinberg în 1964, existența unei particule spin-2 duce inevitabil la relativitatea generală — teoria gravitației lui Albert Einstein. Einstein a ajuns la relativitatea generală prin gânduri abstracte despre căderea ascensoarelor și spațiul și timpul deformate, dar teoria rezultă și direct din comportamentul matematic consecvent al unei particule fundamentale.”consider că această inevitabilitate a gravitației este una dintre cele mai profunde și mai inspirate fapte despre natură”, a declarat Laurențiu Rodina, fizician teoretic la Institutul de Fizică Teoretică de la CEA Saclay, care a ajutat la modernizarea și generalizarea dovezilor lui Weinberg în 2014. „Și anume, că natura este mai presus de toate Auto-consecventă.”

cum funcționează Bootstrapping

spinul unei particule reflectă simetriile sale subiacente sau modurile în care poate fi transformată care o lasă neschimbată. O particulă spin – 1, de exemplu, revine la aceeași stare după ce a fost rotită cu o rotație completă. O particulă spin-$latex \frac{1}{2}$ trebuie să completeze două rotații complete pentru a reveni la aceeași stare, în timp ce o particulă spin-2 arată identică după doar o jumătate de tură. Particulele elementare pot transporta doar 0, $latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2} $ sau 2 unități de rotire.

pentru a afla ce comportament este posibil pentru particulele unui spin dat, bootstrappers ia în considerare interacțiunile simple ale particulelor, cum ar fi două particule care anihilează și produc o treime. Rotirile particulelor plasează constrângeri asupra acestor interacțiuni. O interacțiune a particulelor spin-2, de exemplu, trebuie să rămână aceeași atunci când toate particulele participante sunt rotite cu 180 de grade, deoarece sunt simetrice sub o astfel de jumătate de viraj.

interacțiunile trebuie să respecte alte câteva reguli de bază: impulsul trebuie conservat; interacțiunile trebuie să respecte localitatea, care dictează că particulele se împrăștie întâlnindu-se în spațiu și timp; iar probabilitățile tuturor rezultatelor posibile trebuie să adauge până la 1, un principiu cunoscut sub numele de unitaritate. Aceste condiții de consistență se traduc în ecuații algebrice pe care interacțiunile particulelor trebuie să le satisfacă. Dacă ecuația corespunzătoare unei anumite interacțiuni are soluții, atunci aceste soluții tind să fie realizate în natură.

de exemplu, luați în considerare cazul fotonului, particula spin-1 fără masă de lumină și electromagnetism. Pentru o astfel de particulă, ecuația care descrie interacțiunile cu patru particule-în care două particule intră și două ies, poate după coliziune și împrăștiere — nu are soluții viabile. Astfel, fotonii nu interacționează în acest fel. „Acesta este motivul pentru care undele luminoase nu se împrăștie între ele și putem vedea pe distanțe macroscopice”, a explicat Baumann. Fotonul poate participa la interacțiuni care implică alte tipuri de particule, totuși, cum ar fi spin-$latex \frac{1}{2}$ electroni. Aceste constrângeri asupra interacțiunilor fotonului duc la ecuațiile lui Maxwell, teoria electromagnetismului veche de 154 de ani.

sau luați gluoni, particule care transmit forța puternică care leagă nucleele atomice împreună. Gluonii sunt, de asemenea, particule de spin-1 fără masă, dar reprezintă cazul în care există mai multe tipuri ale aceleiași particule de spin-1 fără masă. Spre deosebire de foton, gluonii pot satisface ecuația de interacțiune cu patru particule, ceea ce înseamnă că se auto-interacționează. Constrângerile asupra acestor auto-interacțiuni gluonice se potrivesc cu descrierea dată de cromodinamica cuantică, teoria forței puternice.

un al treilea scenariu implică particule spin-1 care au masă. Masa a apărut atunci când o simetrie s — a rupt în timpul nașterii universului: o constantă — valoarea câmpului Higgs omniprezent-s-a mutat spontan de la zero la un număr pozitiv, îmbibând multe particule cu masă. Ruperea simetriei Higgs a creat particule masive de spin-1 numite bosoni W și Z, purtătorii forței slabe care este responsabilă pentru dezintegrarea radioactivă.

apoi „pentru spin-2, se întâmplă un miracol”, a spus Adam Falkowski, fizician teoretic la laboratorul de Fizică Teoretică din Orsay, Franța. În acest caz, soluția la ecuația de interacțiune cu patru particule la început pare a fi asaltată cu infinități. Dar fizicienii au descoperit că această interacțiune se poate desfășura în trei moduri diferite și că termenii matematici legați de cele trei opțiuni diferite conspiră perfect pentru a anula infinitățile, ceea ce permite o soluție.

acea soluție este gravitonul: o particulă spin-2 care se cuplează cu ea însăși și cu toate celelalte particule cu putere egală. Această uniformitate duce direct la principiul central al relativității generale: principiul echivalenței, postulatul lui Einstein că gravitația nu se distinge de accelerație prin spațiu-timp curbat și că masa gravitațională și masa intrinsecă sunt una și aceeași. Falkowski a spus despre abordarea bootstrap: „găsesc acest raționament mult mai convingător decât cel abstract al lui Einstein.”

astfel, prin gândirea prin constrângerile plasate asupra interacțiunilor fundamentale ale particulelor prin simetriile de bază, fizicienii pot înțelege existența forțelor puternice și slabe care modelează atomii și forțele electromagnetismului și gravitației care sculptează universul în general.

în plus, bootstrappers constată că sunt posibile multe particule spin-0 diferite. Singurul exemplu cunoscut este bosonul Higgs, particula asociată cu câmpul Higgs care rupe simetria, care impregnează alte particule cu masă. O particulă ipotetică spin-0 numită inflaton ar fi putut conduce expansiunea inițială a universului. Lipsa momentului unghiular al acestor particule înseamnă că mai puține simetrii le restricționează interacțiunile. Din această cauză, bootstrapperii pot deduce mai puțin despre legile care guvernează natura, iar natura însăși are o licență mai creativă.

Spin-$latex \frac{1}{2}$ particulele de materie au, de asemenea, mai multă libertate. Acestea alcătuiesc familia de particule masive pe care le numim materie și sunt diferențiate individual prin masele și cuplajele lor cu diferitele forțe. Universul nostru conține, de exemplu, Spin-$latex \frac{1}{2}$ quarci care interacționează atât cu gluoni, cât și cu fotoni, și spin-$latex \frac{1}{2}$ neutrini care interacționează cu niciunul.

spectrul de centrifugare se oprește la 2 deoarece infinitățile din ecuația de interacțiune cu patru particule ucid toate particulele fără masă care au valori de centrifugare mai mari. Stările de spin superior pot exista dacă sunt extrem de masive, iar astfel de particule joacă un rol în teoriile cuantice ale gravitației, cum ar fi teoria corzilor. Dar particulele cu spin mai înalt nu pot fi detectate și nu pot afecta lumea macroscopică.

țară nedescoperite

A invarti – $ latex \ frac{3}{2} $ particule ar putea finaliza 0, $latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$, 2 model, dar numai dacă” supersimetria ” este adevărată în univers — adică dacă fiecare particulă de forță cu rotire întreagă are o particulă de materie corespunzătoare cu rotire pe jumătate întreagă. În ultimii ani, experimentele au exclus multe dintre cele mai simple versiuni ale supersimetriei. Dar decalajul din spectrul de spin lovește unii fizicieni ca un motiv pentru a susține speranța că supersimetria este adevărată și că există particule spin-$latex \frac{3}{2}$.

în lucrarea sa, Baumann aplică bootstrap-ul la începutul universului. Un articol recent din Quanta a descris modul în care el și alți fizicieni au folosit simetrii și alte principii pentru a constrânge posibilitățile pentru acele prime momente.

este” doar plăcut din punct de vedere estetic”, a spus Baumann, ” că legile sunt inevitabile — că există o anumită inevitabilitate a legilor fizicii care pot fi rezumate printr-o scurtă mână de principii care duc apoi la construirea unor blocuri care apoi construiesc lumea macroscopică.”

corecție: 16 decembrie 2019
versiunea originală a acestei povești spunea că fizicienii care folosesc metoda bootstrap ar putea „redescoperi” sau „rederive” cele patru forțe ale naturii. Formularea presupunea că ar putea dobândi cunoștințe depline despre detaliile acestor forțe și că acestea sunt singurele care sunt permise. În schimb, metoda bootstrap pune constrângeri puternice asupra forțelor posibile. Pentru particulele spin-1 și spin-2 fără masă, bootstrap-ul duce la electromagnetism și, respectiv, la relativitatea generală. Pentru spin-0 masiv, spin-1 masiv particule și cazul mai multor particule spin-1 fără masă de același tip, bootstrap plasează constrângeri mai slabe asupra naturii interacțiunilor, dar câmpul Higgs, forța slabă și forța puternică apar ca posibilități. Textul articolului și subtitlul au fost revizuite în consecință.