jämfört med universums olösta mysterier, säger mycket mindre om en av de djupaste fakta som har kristalliserats i fysiken under det senaste halvseklet: i en förvånande grad är naturen som det är för att det inte kunde vara annorlunda. ”Det finns bara ingen frihet i fysikens lagar som vi har”, säger Daniel Baumann, en teoretisk fysiker vid universitetet i Amsterdam.sedan 1960-talet och alltmer under det senaste decenniet har fysiker som Baumann använt en teknik som kallas ”bootstrap” för att dra slutsatsen vad naturlagarna måste vara. Detta tillvägagångssätt förutsätter att lagarna i huvudsak dikterar varandra genom sin ömsesidiga konsistens — att naturen ”drar sig upp av sina egna bootstraps.”Tanken visar sig förklara en enorm mängd om universum.

När bootstrapping bestämmer fysiker hur elementära partiklar med olika mängder ”spin” eller inneboende vinkelmoment kan konsekvent uppträda. Genom att göra detta återupptäcker de den grundläggande formen av de kända krafterna som formar universum. Mest slående är fallet med en partikel med två enheter av spinn: som Nobelprisvinnaren Steven Weinberg visade 1964 leder förekomsten av en spin-2 — partikel oundvikligen till allmän relativitet-Albert Einsteins gravitationsteori. Einstein anlände till allmän relativitet genom abstrakta tankar om fallande hissar och skevt utrymme och tid, men teorin följer också direkt från det matematiskt konsekventa beteendet hos en grundläggande partikel.

” Jag tycker att denna oundviklighet av tyngdkraften är en av de djupaste och mest inspirerande fakta om naturen”, säger Laurentiu Rodina, en teoretisk fysiker vid Institutet för teoretisk fysik vid CEA Saclay som hjälpte till att modernisera och generalisera Weinbergs bevis 2014. ”Nämligen är den naturen framför allt självkonsistent.”

hur Bootstrapping fungerar

en partikels snurr återspeglar dess underliggande symmetrier, eller hur den kan transformeras som lämnar den oförändrad. En spin – 1-partikel återgår till samma tillstånd efter att ha roterats med en hel varv. En spin- $ latex \ frac{1}{2}$ partikel måste slutföra två fulla rotationer för att komma tillbaka till samma tillstånd, medan en spin-2 partikel ser identisk ut efter bara en halv tur. Elementära partiklar kan bara bära 0, $latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$ eller 2 enheter av spinn.

för att ta reda på vilket beteende som är möjligt för partiklar av en given snurr, anser bootstrappers enkla partikelinteraktioner, såsom två partiklar som förintar och ger en tredjedel. Partiklarnas spinn ställer begränsningar för dessa interaktioner. En interaktion mellan spin – 2-partiklar måste till exempel vara densamma när alla deltagande partiklar roteras med 180 grader, eftersom de är symmetriska under en sådan halvvridning.

interaktioner måste följa några andra grundläggande regler: Momentum måste bevaras; interaktionerna måste respektera lokalitet, vilket dikterar att partiklar sprids genom att mötas i rymden och tiden; och sannolikheten för alla möjliga resultat måste lägga till upp till 1, en princip som kallas enhetlighet. Dessa konsistensförhållanden översätter till algebraiska ekvationer som partikelinteraktionerna måste uppfylla. Om ekvationen som motsvarar en viss interaktion har lösningar, tenderar dessa lösningar att realiseras i naturen.

tänk till exempel fallet med fotonen, den masslösa spin-1-partikeln av ljus och elektromagnetism. För en sådan partikel har ekvationen som beskriver interaktioner med fyra partiklar-där två partiklar går in och två kommer ut, kanske efter kollidering och spridning — inga livskraftiga lösningar. Således interagerar fotoner inte på detta sätt. ”Det är därför ljusvågor inte sprids av varandra och vi kan se över makroskopiska avstånd,” förklarade Baumann. Fotonen kan dock delta i interaktioner som involverar andra typer av partiklar, såsom spin-$latex \frac{1}{2}$ elektroner. Dessa begränsningar på fotonens interaktioner leder till Maxwells ekvationer, den 154-åriga teorin om elektromagnetism.

eller ta gluoner, partiklar som förmedlar den starka kraften som binder atomkärnor tillsammans. Gluoner är också masslösa spinn-1-partiklar, men de representerar fallet där det finns flera typer av samma masslösa spinn-1-partikel. Till skillnad från fotonen kan gluoner tillfredsställa interaktionsekvationen med fyra partiklar, vilket innebär att de själv interagerar. Begränsningar för dessa gluon-självinteraktioner matchar beskrivningen som ges av kvantkromodynamik, teorin om den starka kraften.

ett tredje scenario involverar spinn-1 partiklar som har massa. Massan uppstod när en symmetri bröt under universums födelse: en konstant — värdet av det allestädes närvarande Higgs — fältet-spontant skiftade från noll till ett positivt tal och genomsyrade många partiklar med massa. Brytningen av Higgs-symmetrin skapade massiva spin-1-partiklar som kallas W-och Z-bosoner, bärarna av den svaga kraften som är ansvarig för radioaktivt sönderfall.

sedan ”för spin-2 händer ett mirakel”, säger Adam Falkowski, en teoretisk fysiker vid Laboratoriet för teoretisk fysik i Orsay, Frankrike. I detta fall verkar lösningen på interaktionsekvationen med fyra partiklar först vara besatt av oändligheter. Men fysiker finner att denna interaktion kan fortsätta på tre olika sätt, och att matematiska termer relaterade till de tre olika alternativen perfekt konspirerar för att avbryta oändligheterna, vilket tillåter en lösning.

den lösningen är graviton: en spin-2-partikel som parar sig själv och alla andra partiklar med samma styrka. Denna jämnhet leder direkt till den centrala principen om allmän relativitet: ekvivalensprincipen, Einsteins postulat att tyngdkraften är oskiljbar från acceleration genom krökt rymdtid, och att gravitationsmassa och inneboende massa är en och samma. Falkowski sa om bootstrap-metoden, ” jag tycker att detta resonemang är mycket mer övertygande än Einsteins abstrakta.”genom att tänka igenom de begränsningar som ställs på grundläggande partikelinteraktioner av grundläggande symmetrier kan fysiker förstå förekomsten av de starka och svaga krafterna som formar atomer och krafterna av elektromagnetism och gravitation som skulpterar universum i stort.

dessutom finner bootstrappers att många olika spin-0-partiklar är möjliga. Det enda kända exemplet är Higgs boson, partikeln associerad med det symmetribrytande Higgs-fältet som imbues andra partiklar med massa. En hypotetisk spin-0-partikel som kallas uppblåsningen kan ha drivit universums initiala expansion. Dessa partiklars brist på vinkelmoment innebär att färre symmetrier begränsar deras interaktioner. På grund av detta kan bootstrappers dra slutsatsen mindre om naturens styrande lagar, och naturen själv har mer kreativ licens.

Spin-$latex \frac{1}{2}$ Materia partiklar har också mer frihet. Dessa utgör familjen av massiva partiklar som vi kallar Materia, och de differentieras individuellt av sina massor och kopplingar till de olika krafterna. Vårt universum innehåller till exempel spin-$latex \frac{1}{2}$ kvarkar som interagerar med både gluoner och fotoner, och spin-$latex \frac{1}{2}$ neutrinos som interagerar med varken.

spinnspektrumet stannar vid 2 eftersom oändligheterna i interaktionsekvationen med fyra partiklar dödar alla masslösa partiklar som har högre spinnvärden. Högre spinntillstånd kan existera om de är extremt massiva, och sådana partiklar spelar en roll i kvantteorier av gravitation som strängteori. Men partiklar med högre spinn kan inte detekteras, och de kan inte påverka den makroskopiska världen.

oupptäckt Land

Spin- $ latex \ frac{3}{2} $ partiklar kunde slutföra 0, $latex \ frac{1}{2}$, 1, $latex \ frac{3}{2}$, 2 mönster, men bara om ”supersymmetri” är sant i universum — det vill säga om varje kraftpartikel med heltalssnurr har en motsvarande materiepartikel med halv heltalssnurr. Under de senaste åren har experiment uteslutit många av de enklaste versionerna av supersymmetri. Men klyftan i spinnspektrumet slår några fysiker som en anledning att hålla ut hoppet att supersymmetri är sant och spin-$latex \frac{3}{2}$ partiklar existerar.

i sitt arbete tillämpar Baumann bootstrap till universums början. En ny Quanta-artikel beskrev hur han och andra fysiker använde symmetrier och andra principer för att begränsa möjligheterna för de första ögonblicken.

det är” bara estetiskt tilltalande”, sade Baumann, ” att lagarna är oundvikliga — att det finns en viss oundviklighet av fysikens lagar som kan sammanfattas med en kort handfull principer som sedan leder till byggstenar som sedan bygger upp den makroskopiska världen.”

korrigering: 16 December 2019
den ursprungliga versionen av denna berättelse sa att fysiker som använder bootstrap-metoden kan ”återupptäcka” eller ”återuppliva” naturens fyra krafter. Formuleringen innebar att de kunde få full kunskap om detaljerna i dessa krafter och att de är de enda som är tillåtna. Istället placerar bootstrap-metoden starka begränsningar för de möjliga krafterna. För masslösa spinn-1-och spinn-2-partiklar leder bootstrapen till elektromagnetism respektive allmän relativitet. För massiva spin-0, massiva spin-1-partiklar och fallet med flera masslösa spin-1-partiklar av samma typ placerar bootstrap lösare begränsningar på interaktionernas natur, men Higgs-fältet, svag kraft och stark kraft framträder som möjligheter. Texten till artikeln och underrubriken har reviderats i enlighet med detta.