Τι είναι ένα σωματίδιο;

Δεδομένου ότι τα πάντα στο σύμπαν ανάγονται σε σωματίδια, εμφανίζεται ένα ερώτημα:Τι είναι τα σωματίδια;

Η εύκολη απάντηση δείχνει γρήγορα ότι δεν είναι ικανοποιητική. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, τα κουάρκ και άλλα «θεμελιώδη» σωματίδια υποτίθεται ότι δεν έχουν υποδομή ή φυσική έκταση. «Βασικά σκεφτόμαστε ένα σωματίδιο ως αντικείμενο που μοιάζει με σημείο», είπε η Mary Gaillard, θεωρητικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ που προέβλεψε τις μάζες δύο τύπων κουάρκ τη δεκαετία του 1970. Και όμως τα σωματίδια έχουν ξεχωριστά χαρακτηριστικά, όπως φορτίο και μάζα. Πώς μπορεί ένα αδιάστατο σημείο να αντέξει βάρος;

«Λέμε ότι είναι «θεμελιώδεις», είπε ο Xiao-Gang Wen, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. «Αλλά αυτός είναι απλώς ένας [τρόπος για να πούμε] στους μαθητές:«Μη ρωτάτε! δεν ξέρω την απάντηση. Είναι θεμελιώδες. μη ρωτάς άλλο.»

Με οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο, οι ιδιότητες του αντικειμένου εξαρτώνται από τη φυσική του σύνθεση - τελικά, τα συστατικά του σωματίδια. Αλλά οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων δεν προέρχονται από δικά τους συστατικά αλλά από μαθηματικά μοτίβα. Ως σημεία επαφής μεταξύ των μαθηματικών και της πραγματικότητας, τα σωματίδια διασχίζουν και τους δύο κόσμους με μια αβέβαιη βάση.

Όταν ρώτησα πρόσφατα μια ντουζίνα σωματιδιακούς φυσικούς τι είναι ένα σωματίδιο, έδωσαν εξαιρετικά διαφορετικές περιγραφές. Τόνισαν ότι οι απαντήσεις τους δεν έρχονται σε αντίθεση τόσο πολύ όσο αποτυπώνουν διαφορετικές πτυχές της αλήθειας. Περιέγραψαν επίσης δύο σημαντικές ερευνητικές ωθήσεις στη θεμελιώδη φυσική σήμερα που επιδιώκουν μια πιο ικανοποιητική, συνολική εικόνα των σωματιδίων.

«Τι είναι ένα σωματίδιο;» είναι πράγματι μια πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση», είπε ο Γουέν. «Σήμερα υπάρχει πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση. Δεν πρέπει να πω ότι υπάρχει μια ενοποιημένη άποψη, αλλά υπάρχουν πολλές διαφορετικές απόψεις και όλες φαίνονται ενδιαφέρουσες."

Ένα σωματίδιο είναι μια "συνάρτηση συμπτυγμένου κύματος"

Η αναζήτηση για την κατανόηση των θεμελιωδών δομικών στοιχείων της φύσης ξεκίνησε με τον ισχυρισμό του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Δημόκριτου ότι υπάρχουν τέτοια πράγματα. Δύο χιλιετίες αργότερα, ο Isaac Newton και ο Christiaan Huygens συζήτησαν αν το φως αποτελείται από σωματίδια ή κύματα. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής περίπου 250 χρόνια μετά απέδειξε ότι και οι δύο φωτιστές έχουν δίκιο:Το φως έρχεται σε μεμονωμένα πακέτα ενέργειας γνωστά ως φωτόνια, τα οποία συμπεριφέρονται και ως σωματίδια και ως κύματα.

Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου αποδείχθηκε ότι ήταν σύμπτωμα μιας βαθιάς παραξενιάς. Η κβαντομηχανική αποκάλυψε στους ανακαλυπτές της τη δεκαετία του 1920 ότι τα φωτόνια και άλλα κβαντικά αντικείμενα περιγράφονται καλύτερα όχι ως σωματίδια ή κύματα αλλά με αφηρημένες «κυματικές συναρτήσεις» — εξελισσόμενες μαθηματικές συναρτήσεις που δείχνουν την πιθανότητα ενός σωματιδίου να έχει διάφορες ιδιότητες. Η κυματική συνάρτηση που αντιπροσωπεύει ένα ηλεκτρόνιο, ας πούμε, απλώνεται χωρικά, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να έχει πιθανές τοποθεσίες παρά μια καθορισμένη. Αλλά κατά κάποιο τρόπο, περιέργως, όταν κολλάτε έναν ανιχνευτή στη σκηνή και μετράτε τη θέση του ηλεκτρονίου, η κυματική του λειτουργία ξαφνικά «καταρρέει» σε ένα σημείο και το σωματίδιο κάνει κλικ σε αυτή τη θέση στον ανιχνευτή.

Επομένως, ένα σωματίδιο είναι μια συνάρτηση καταρρέοντος κύματος. Αλλά τι στην πραγματικότητα σημαίνει αυτό; Γιατί η παρατήρηση προκαλεί την κατάρρευση μιας διευρυμένης μαθηματικής συνάρτησης και την εμφάνιση ενός σωματιδίου από σκυρόδεμα; Και τι αποφασίζει το αποτέλεσμα της μέτρησης; Σχεδόν έναν αιώνα αργότερα, οι φυσικοί δεν έχουν ιδέα.

Ένα σωματίδιο είναι μια "κβαντική διέγερση ενός πεδίου"

Η εικόνα σύντομα έγινε ακόμη πιο περίεργη. Στη δεκαετία του 1930, οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι οι κυματοσυναρτήσεις πολλών μεμονωμένων φωτονίων συμπεριφέρονται συλλογικά σαν ένα ενιαίο κύμα που διαδίδεται μέσα από ενωμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία - ακριβώς την κλασική εικόνα του φωτός που ανακαλύφθηκε τον 19ο αιώνα από τον James Clerk Maxwell. Αυτοί οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να «κβαντίσουν» την κλασική θεωρία πεδίου, περιορίζοντας τα πεδία έτσι ώστε να μπορούν να ταλαντώνονται μόνο σε διακριτές ποσότητες γνωστές ως «κβάντα» των πεδίων. Εκτός από τα  φωτόνια — τα κβάντα του φωτός — ο Paul Dirac και άλλοι ανακάλυψαν ότι η ιδέα θα μπορούσε να επεκταθεί στα ηλεκτρόνια και σε οτιδήποτε άλλο:Σύμφωνα με τη θεωρία του κβαντικού πεδίου, τα σωματίδια είναι διεγέρσεις των κβαντικών πεδίων που γεμίζουν όλο το διάστημα.

Θεωρώντας την ύπαρξη αυτών των πιο θεμελιωδών πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίων αφαίρεσε τα σωματίδια από την κατάσταση, χαρακτηρίζοντάς τα ως απλά τεμάχια ενέργειας που ρυθμίζουν τα πεδία να μειώνονται. Ωστόσο, παρά τις οντολογικές αποσκευές των πανταχού παρόντων πεδίων, η κβαντική θεωρία πεδίου έγινε η γλώσσα της σωματιδιακής φυσικής επειδή επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίσουν με εξαιρετική ακρίβεια τι συμβαίνει όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν - οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων είναι, σε επίπεδο βάσης, ο τρόπος με τον οποίο συντάσσεται ο κόσμος.

Καθώς οι φυσικοί ανακάλυψαν περισσότερα από τα σωματίδια της φύσης και τα σχετικά πεδία τους, αναπτύχθηκε μια παράλληλη προοπτική. Οι ιδιότητες αυτών των σωματιδίων και πεδίων φάνηκε να ακολουθούν αριθμητικά μοτίβα. Επεκτείνοντας αυτά τα μοτίβα, οι φυσικοί ήταν σε θέση να προβλέψουν την ύπαρξη περισσότερων σωματιδίων. «Μόλις κωδικοποιήσετε τα μοτίβα που παρατηρείτε στα μαθηματικά, τα μαθηματικά είναι προγνωστικά. σου λέει περισσότερα πράγματα που μπορείς να παρατηρήσεις», εξήγησε η Helen Quinn, επίτιμη σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Τα μοτίβα πρότειναν επίσης μια πιο αφηρημένη και δυνητικά βαθύτερη προοπτική για το τι είναι στην πραγματικότητα τα σωματίδια.

Ένα σωματίδιο είναι μια "μη αναγώγιμη
Αναπαράσταση μιας ομάδας"

Ο Mark Van Raamsdonk θυμάται την αρχή της πρώτης τάξης που πήρε στην κβαντική θεωρία πεδίου ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Ο καθηγητής μπήκε μέσα, κοίταξε τους μαθητές και ρώτησε, «Τι είναι ένα σωματίδιο;»

«Μια ανεπίτρεπτη αναπαράσταση της ομάδας Πουανκαρέ», απάντησε ένας πρόωρος συμμαθητής.

Θεωρώντας τον φαινομενικά σωστό ορισμό ως γενική γνώση, ο καθηγητής παρέλειψε οποιαδήποτε εξήγηση και ξεκίνησε μια ανεξιχνίαστη σειρά διαλέξεων. "Όλο αυτό το εξάμηνο δεν έμαθα τίποτα από το μάθημα", είπε ο Van Raamsdonk, ο οποίος είναι τώρα ένας σεβαστός θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας.

Είναι η τυπική βαθιά απάντηση των ανθρώπων που γνωρίζουν:Τα σωματίδια είναι "αναπαραστάσεις" "ομάδων συμμετρίας", οι οποίες είναι σύνολα μετασχηματισμών που μπορούν να γίνουν σε αντικείμενα.

Πάρτε, για παράδειγμα, ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Περιστρέφοντάς το κατά 120 ή 240 μοίρες ή αντανακλώντας το κατά μήκος της γραμμής από κάθε γωνία έως το μέσο της απέναντι πλευράς ή χωρίς να κάνετε τίποτα, αφήνετε το τρίγωνο να φαίνεται όπως πριν. Αυτές οι έξι συμμετρίες σχηματίζουν μια ομάδα. Η ομάδα μπορεί να εκφραστεί ως ένα σύνολο μαθηματικών πινάκων — πίνακες αριθμών που, όταν πολλαπλασιάζονται με συντεταγμένες ενός ισόπλευρου τριγώνου, επιστρέφουν τις ίδιες συντεταγμένες. Ένα τέτοιο σύνολο πινάκων είναι μια «αναπαράσταση» της ομάδας συμμετρίας.

Ομοίως, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και άλλα θεμελιώδη σωματίδια είναι αντικείμενα που ουσιαστικά μένουν ίδια όταν επενεργούνται από μια συγκεκριμένη ομάδα. Δηλαδή, τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Πουανκαρέ:η ομάδα των 10 τρόπων κίνησης στο χωροχρονικό συνεχές. Τα αντικείμενα μπορούν να μετατοπιστούν σε τρεις χωρικές κατευθύνσεις ή να μετατοπιστούν στο χρόνο. Μπορούν επίσης να περιστρέφονται προς τρεις κατευθύνσεις ή να λαμβάνουν ώθηση σε οποιαδήποτε από αυτές τις κατευθύνσεις. Το 1939, ο μαθηματικός φυσικός Eugene Wigner αναγνώρισε τα σωματίδια ως τα απλούστερα δυνατά αντικείμενα που μπορούν να μετακινηθούν, να περιστραφούν και να ενισχυθούν.

Για να μεταμορφωθεί ένα αντικείμενο όμορφα κάτω από αυτούς τους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, συνειδητοποίησε, πρέπει να έχει ένα ορισμένο ελάχιστο σύνολο ιδιοτήτων και τα σωματίδια έχουν αυτές τις ιδιότητες. Το ένα είναι η ενέργεια. Κατά βάθος, η ενέργεια είναι απλώς η ιδιότητα που παραμένει ίδια όταν το αντικείμενο μετατοπίζεται στο χρόνο. Η ορμή είναι η ιδιότητα που παραμένει ίδια καθώς το αντικείμενο κινείται στο διάστημα.

Απαιτείται μια τρίτη ιδιότητα για να προσδιοριστεί πώς αλλάζουν τα σωματίδια κάτω από συνδυασμούς χωρικών περιστροφών και ωθήσεων (οι οποίες, μαζί, είναι περιστροφές στο χωροχρόνο). Αυτή η βασική ιδιότητα είναι "spin". Την εποχή της εργασίας του Wigner, οι φυσικοί γνώριζαν ήδη ότι τα σωματίδια έχουν σπιν, ένα είδος εγγενούς γωνιακής ορμής που καθορίζει πολλές πτυχές της συμπεριφοράς των σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του αν δρουν όπως η ύλη (όπως τα ηλεκτρόνια) ή ως μια δύναμη (όπως τα φωτόνια). Ο Wigner έδειξε ότι, κατά βάθος, "το σπιν είναι απλώς μια ετικέτα που έχουν τα σωματίδια επειδή ο κόσμος έχει περιστροφές", δήλωσε ο Nima Arkani-Hamed, σωματιδιακός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ.

Οι διαφορετικές αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré είναι σωματίδια με διαφορετικούς αριθμούς ετικετών περιστροφής ή βαθμούς ελευθερίας που επηρεάζονται από τις περιστροφές. Υπάρχουν, για παράδειγμα, σωματίδια με τρεις βαθμούς περιστροφής ελευθερίας. Αυτά τα σωματίδια περιστρέφονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα γνωστά τρισδιάστατα αντικείμενα. Όλα τα σωματίδια ύλης, εν τω μεταξύ, έχουν δύο βαθμούς ελευθερίας περιστροφής, που ονομάζονται «spin-up» και «spin-down», τα οποία περιστρέφονται διαφορετικά. Εάν περιστρέψετε ένα ηλεκτρόνιο κατά 360 μοίρες, η κατάστασή του θα αντιστραφεί, ακριβώς όπως ένα βέλος, όταν μετακινείται γύρω από μια λωρίδα 2D Möbius, επιστρέφει στραμμένο προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Στη φύση εμφανίζονται επίσης στοιχειώδη σωματίδια με ετικέτες μίας και πέντε περιστροφής. Μόνο μια αναπαράσταση της ομάδας Poincaré με τέσσερις ετικέτες περιστροφής φαίνεται να λείπει.

Η αντιστοιχία μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων και αναπαραστάσεων είναι τόσο καθαρή που ορισμένοι φυσικοί - όπως ο καθηγητής του Van Raamsdonk - τις εξισώνουν. Άλλοι το βλέπουν αυτό ως σύγχυση. «Η αναπαράσταση δεν είναι το σωματίδιο. η αναπαράσταση είναι ένας τρόπος περιγραφής ορισμένων ιδιοτήτων του σωματιδίου», δήλωσε ο Sheldon Glashow, νομπελίστας θεωρητικός των σωματιδίων και ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. "Ας μην μπερδεύουμε τα δύο."

"Τα σωματίδια έχουν τόσα πολλά στρώματα"

Είτε υπάρχει διάκριση είτε όχι, η σχέση μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της θεωρίας των ομάδων έγινε πλουσιότερη και πιο περίπλοκη κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα. Οι ανακαλύψεις έδειξαν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν απλώς το ελάχιστο σύνολο ετικετών που απαιτούνται για την πλοήγηση στον χωροχρόνο. έχουν επιπλέον, κάπως περιττές ετικέτες επίσης.

Τα σωματίδια με την ίδια ενέργεια, ορμή και σπιν συμπεριφέρονται πανομοιότυπα στους 10 μετασχηματισμούς Poincaré, αλλά μπορεί να διαφέρουν με άλλους τρόπους. Για παράδειγμα, μπορούν να μεταφέρουν διαφορετικές ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου. Καθώς ο «ολόκληρος ο ζωολογικός κήπος των σωματιδίων» (όπως το έθεσε ο Κουίν) ανακαλύφθηκε στα μέσα του 20ού αιώνα, αποκαλύφθηκαν πρόσθετες διακρίσεις μεταξύ των σωματιδίων, που απαιτούσαν νέες ετικέτες που ονομάζονται «χρώμα» και «γεύση».

Ακριβώς όπως τα σωματίδια είναι αναπαραστάσεις της ομάδας Πουανκαρέ, οι θεωρητικοί κατάλαβαν ότι οι επιπλέον ιδιότητές τους αντικατοπτρίζουν πρόσθετους τρόπους με τους οποίους μπορούν να μετασχηματιστούν. Αλλά αντί να μετατοπίζουν αντικείμενα στο χωροχρόνο, αυτοί οι νέοι μετασχηματισμοί είναι πιο αφηρημένοι. αλλάζουν τις «εσωτερικές» καταστάσεις των σωματιδίων, ελλείψει καλύτερης λέξης.

Πάρτε την ιδιότητα που είναι γνωστή ως χρώμα:Στη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι τα κουάρκ, τα στοιχειώδη συστατικά των ατομικών πυρήνων, υπάρχουν σε έναν πιθανό συνδυασμό τριών πιθανών καταστάσεων, τις οποίες ονόμασαν «κόκκινο», «πράσινο» και «μπλε». Αυτές οι καταστάσεις δεν έχουν καμία σχέση με το πραγματικό χρώμα ή οποιαδήποτε άλλη αντιληπτή ιδιότητα. Είναι ο αριθμός των ετικετών που έχει σημασία:Τα κουάρκ, με τις τρεις ετικέτες τους, είναι αναπαραστάσεις μιας ομάδας μετασχηματισμών που ονομάζονται SU(3) που αποτελούνται από τους άπειρους τρόπους μαθηματικής ανάμειξης των τριών ετικετών.

Ενώ τα σωματίδια με χρώμα είναι αναπαραστάσεις της ομάδας συμμετρίας SU(3), τα σωματίδια με τις εσωτερικές ιδιότητες της γεύσης και του ηλεκτρικού φορτίου είναι αναπαραστάσεις των ομάδων συμμετρίας SU(2) και U(1), αντίστοιχα. Έτσι, το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής - η κβαντική θεωρία πεδίου όλων των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και οι αλληλεπιδράσεις τους - λέγεται συχνά ότι αντιπροσωπεύει την ομάδα συμμετρίας SU(3) × SU(2) × U(1), που αποτελείται από όλους τους συνδυασμούς τις πράξεις συμμετρίας στις τρεις υποομάδες. (Το ότι τα σωματίδια μετασχηματίζονται επίσης κάτω από την ομάδα Poincaré είναι προφανώς πολύ προφανές για να το αναφέρουμε.)

Το Καθιερωμένο Μοντέλο βασιλεύει μισό αιώνα μετά την ανάπτυξή του. Ωστόσο, είναι μια ελλιπής περιγραφή του σύμπαντος. Το σημαντικότερο είναι ότι του λείπει η δύναμη της βαρύτητας, την οποία η κβαντική θεωρία πεδίου δεν μπορεί να χειριστεί πλήρως. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν περιγράφει χωριστά τη βαρύτητα ως καμπύλες στο χωροχρονικό ύφασμα. Επιπλέον, η τριμερής δομή SU(3) × SU(2) × U(1) του Καθιερωμένου Μοντέλου εγείρει ερωτήματα. Για παράδειγμα:«Από πού στο διάολο προήλθαν όλα αυτά;» όπως το έθεσε ο Δημήτρης Νανόπουλος. «Εντάξει, ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί», συνέχισε ο Νανόπουλος, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας που ήταν ενεργός κατά τις πρώτες μέρες του Καθιερωμένου Μοντέλου. «Μα τι είναι αυτό το πράγμα; Δεν μπορεί να είναι τρεις ομάδες εκεί. Εννοώ, το «Θεός» είναι καλύτερο από αυτό — ο Θεός σε εισαγωγικά.»

Τα σωματίδια "Μπορεί να είναι δονούμενες χορδές"

Στη δεκαετία του 1970, ο Glashow, ο Nanopoulos και άλλοι προσπάθησαν να προσαρμόσουν τις συμμετρίες SU(3), SU(2) και U(1) μέσα σε μια ενιαία, μεγαλύτερη ομάδα μετασχηματισμών, με την ιδέα ότι τα σωματίδια ήταν αναπαραστάσεις μιας ενιαίας ομάδας συμμετρίας στο αρχή του σύμπαντος. (Καθώς έσπασαν οι συμμετρίες, εμφανίστηκαν επιπλοκές.) Ο πιο φυσικός υποψήφιος για μια τέτοια «μεγάλη ενοποιημένη θεωρία» ήταν μια ομάδα συμμετρίας που ονομαζόταν SU(5), αλλά τα πειράματα σύντομα απέκλεισαν αυτήν την επιλογή. Άλλες, λιγότερο ελκυστικές δυνατότητες παραμένουν στο παιχνίδι.

Οι ερευνητές έθεσαν ακόμη μεγαλύτερες ελπίδες στη θεωρία χορδών:την ιδέα ότι αν ζουμάρατε αρκετά στα σωματίδια, δεν θα βλέπατε σημεία αλλά μονοδιάστατες δονούμενες χορδές. Θα δείτε επίσης έξι επιπλέον χωρικές διαστάσεις, οι οποίες σύμφωνα με τη θεωρία χορδών είναι κουλουριασμένες σε κάθε σημείο του οικείου 4D χωροχρονικού μας υφάσματος. Η γεωμετρία των μικρών διαστάσεων καθορίζει τις ιδιότητες των χορδών και συνεπώς τον μακροσκοπικό κόσμο. Οι «εσωτερικές» συμμετρίες σωματιδίων, όπως οι πράξεις SU(3) που μεταμορφώνουν το χρώμα των κουάρκ, αποκτούν φυσικό νόημα:Αυτές οι πράξεις αντιστοιχούν, στην εικόνα χορδών, σε περιστροφές στις μικρές χωρικές διαστάσεις, όπως ακριβώς το σπιν αντανακλά περιστροφές στις μεγάλες διαστάσεις . "Η γεωμετρία σου δίνει συμμετρία, σου δίνει σωματίδια και όλα αυτά πάνε μαζί", είπε ο Νανόπουλος.

Ωστόσο, εάν υπάρχουν συμβολοσειρές ή επιπλέον διαστάσεις, είναι πολύ μικρές για να εντοπιστούν πειραματικά. Με την απουσία τους, άλλες ιδέες έχουν ανθίσει. Την τελευταία δεκαετία, δύο προσεγγίσεις συγκεκριμένα έχουν προσελκύσει τα πιο λαμπρά μυαλά στη σύγχρονη θεμελιώδη φυσική. Και οι δύο προσεγγίσεις ανανεώνουν την εικόνα των σωματιδίων για άλλη μια φορά.

Ένα σωματίδιο είναι μια "παραμόρφωση του ωκεανού Qubit"

Η πρώτη από αυτές τις ερευνητικές προσπάθειες βασίζεται στο σύνθημα «it-from-qubit», το οποίο εκφράζει την υπόθεση ότι τα πάντα στο σύμπαν - όλα τα σωματίδια, καθώς και το χωροχρονικό ύφασμα αυτά τα σωματίδια κολλάνε σαν βατόμουρα σε μάφιν - προκύπτουν κβαντικών δυαδικών ψηφίων πληροφοριών ή qubits. Τα Qubits είναι πιθανολογικοί συνδυασμοί δύο καταστάσεων, με την ένδειξη 0 και 1. (Τα Qubits μπορούν να αποθηκευτούν σε φυσικά συστήματα όπως ακριβώς τα bit μπορούν να αποθηκευτούν σε τρανζίστορ, αλλά μπορείτε να τα σκεφτείτε πιο αφηρημένα, ως πληροφορίες.) Όταν υπάρχουν πολλά qubits, Οι πιθανές καταστάσεις τους μπορεί να μπερδευτούν, έτσι ώστε η κατάσταση του καθενός να εξαρτάται από τις καταστάσεις όλων των άλλων. Μέσω αυτών των απρόβλεπτων, ένας μικρός αριθμός μπερδεμένων qubits μπορεί να κωδικοποιήσει έναν τεράστιο όγκο πληροφοριών.

Στην σύλληψη it-from-qubit του σύμπαντος, αν θέλετε να καταλάβετε τι είναι τα σωματίδια, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε τον χωροχρόνο. Το 2010, ο Van Raamsdonk, μέλος του στρατοπέδου it-from-qubit, έγραψε ένα δοκίμιο με επιρροή δηλώνοντας με τόλμη αυτό που υποδήλωναν διάφοροι υπολογισμοί. Υποστήριξε ότι τα μπερδεμένα qubits μπορεί να συρράψουν το χωροχρονικό ύφασμα.

Υπολογισμοί, πειράματα σκέψης και παραδείγματα παιχνιδιών από δεκαετίες πίσω υποδηλώνουν ότι ο χωροχρόνος έχει «ολογραφικές» ιδιότητες:Είναι δυνατό να κωδικοποιηθούν όλες οι πληροφορίες για μια περιοχή του χωροχρόνου σε βαθμούς ελευθερίας σε μια λιγότερη διάσταση — συχνά στην επιφάνεια της περιοχής. "Τα τελευταία 10 χρόνια, μάθαμε πολλά περισσότερα για το πώς λειτουργεί αυτή η κωδικοποίηση", είπε ο Van Raamsdonk.

Αυτό που είναι πιο εκπληκτικό και συναρπαστικό για τους φυσικούς σχετικά με αυτήν την ολογραφική σχέση είναι ότι ο χωροχρόνος είναι καμπύλος επειδή περιλαμβάνει τη βαρύτητα. Αλλά το σύστημα χαμηλότερων διαστάσεων που κωδικοποιεί πληροφορίες σχετικά με αυτόν τον καμπυλωτό χωροχρόνο είναι ένα καθαρά κβαντικό σύστημα που δεν έχει καμία αίσθηση καμπυλότητας, βαρύτητας ή ακόμα και γεωμετρίας. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα μπερδεμένων qubits.

Σύμφωνα με την υπόθεση it-from-qubit, οι ιδιότητες του χωροχρόνου - η στιβαρότητά του, οι συμμετρίες του - προέρχονται ουσιαστικά από τον τρόπο με τον οποίο τα 0 και 1 είναι πλεγμένα μεταξύ τους. Η μακροχρόνια αναζήτηση για μια κβαντική περιγραφή της βαρύτητας γίνεται θέμα αναγνώρισης του μοτίβου εμπλοκής qubit που κωδικοποιεί το συγκεκριμένο είδος χωροχρονικού υφάσματος που βρίσκεται στο πραγματικό σύμπαν.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές γνωρίζουν πολύ περισσότερα για το πώς λειτουργεί όλο αυτό σε σύμπαντα παιχνιδιών που έχουν αρνητικά καμπυλωτό χωροχρόνο σε σχήμα σέλας - κυρίως επειδή είναι σχετικά εύκολο να δουλέψεις μαζί τους. Το σύμπαν μας, αντίθετα, είναι θετικά κυρτό. Αλλά οι ερευνητές ανακάλυψαν, προς έκπληξή τους, ότι όποτε εμφανιστεί αρνητικά κυρτός χωροχρόνος σαν ολόγραμμα, σωματίδια έρχονται για τη βόλτα. Δηλαδή, κάθε φορά που ένα σύστημα qubit κωδικοποιεί ολογραφικά μια περιοχή του χωροχρόνου, υπάρχουν πάντα μοτίβα εμπλοκής qubit που αντιστοιχούν σε τοπικά bits ενέργειας που επιπλέουν στον κόσμο υψηλότερων διαστάσεων.

Είναι σημαντικό ότι οι αλγεβρικές πράξεις στα qubit, όταν μεταφράζονται με όρους χωροχρόνου, «συμπεριφέρονται ακριβώς όπως οι περιστροφές που δρουν στα σωματίδια», είπε ο Van Raamsdonk. «Συνειδητοποιείτε ότι αυτή η εικόνα κωδικοποιείται από αυτό το μη βαρυτικό κβαντικό σύστημα. Και με κάποιο τρόπο σε αυτόν τον κώδικα, αν μπορείτε να τον αποκωδικοποιήσετε, σας λέει ότι υπάρχουν σωματίδια σε κάποιον άλλο χώρο."

Το γεγονός ότι ο ολογραφικός χωροχρόνος έχει πάντα αυτές τις σωματιδιακές καταστάσεις είναι «στην πραγματικότητα ένα από τα πιο σημαντικά πράγματα που διακρίνει αυτά τα ολογραφικά συστήματα από άλλα κβαντικά συστήματα», είπε. "Νομίζω ότι κανείς δεν καταλαβαίνει πραγματικά τον λόγο για τον οποίο τα ολογραφικά μοντέλα έχουν αυτήν την ιδιότητα."

Είναι δελεαστικό να απεικονίζει κανείς qubits με κάποιο είδος χωρικής διάταξης που δημιουργεί το ολογραφικό σύμπαν, όπως ακριβώς τα γνωστά ολογράμματα προβάλλουν από χωρικά μοτίβα. Αλλά στην πραγματικότητα, οι σχέσεις και οι αλληλεξαρτήσεις των qubits μπορεί να είναι πολύ πιο αφηρημένες, χωρίς καμία πραγματική φυσική διάταξη. «Δεν χρειάζεται να μιλήσετε για αυτά τα 0 και 1 που ζουν σε έναν συγκεκριμένο χώρο», είπε η Netta Engelhardt, ένας φυσικός στο MIT που κέρδισε πρόσφατα το βραβείο New Horizons in Physics για τον υπολογισμό του περιεχομένου κβαντικής πληροφορίας των μαύρων τρυπών. "Μπορείτε να μιλήσετε για την αφηρημένη ύπαρξη των 0 και 1 και πώς ένας τελεστής μπορεί να ενεργήσει στα 0 και 1, και όλα αυτά είναι πολύ πιο αφηρημένες μαθηματικές σχέσεις."

Υπάρχουν σαφώς περισσότερα για να καταλάβουμε. Αλλά αν η εικόνα it-from-qubit είναι σωστή, τότε τα σωματίδια είναι ολογράμματα, όπως ακριβώς ο χωροχρόνος. Ο πιο αληθινός ορισμός τους είναι σε qubits.

"Τα σωματίδια είναι αυτό που μετράμε στους ανιχνευτές"

Ένα άλλο στρατόπεδο ερευνητών που αποκαλούν τους εαυτούς τους «πλατολόγους» επιδιώκει να επιστρέψει τα φώτα της δημοσιότητας στα ίδια τα σωματίδια.

Αυτοί οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η κβαντική θεωρία πεδίου, η τρέχουσα lingua franca της σωματιδιακής φυσικής, λέει μια πολύ περίπλοκη ιστορία. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν την κβαντική θεωρία πεδίου για να υπολογίσουν βασικούς τύπους που ονομάζονται πλάτη σκέδασης, μερικά από τα πιο βασικά υπολογίσιμα χαρακτηριστικά της πραγματικότητας. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται, τα πλάτη υποδεικνύουν πώς τα σωματίδια μπορεί να μορφοποιηθούν ή να διασκορπιστούν. Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων φτιάχνουν τον κόσμο, επομένως ο τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί δοκιμάζουν την περιγραφή του κόσμου είναι να συγκρίνουν τους τύπους πλάτους σκέδασης με τα αποτελέσματα των συγκρούσεων σωματιδίων σε πειράματα όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων της Ευρώπης.

Κανονικά, για να υπολογίσουν τα πλάτη, οι φυσικοί υπολογίζουν συστηματικά όλους τους πιθανούς τρόπους με τους οποίους συγκρουόμενοι κυματισμοί μπορεί να αντηχούν μέσω των κβαντικών πεδίων που διαπερνούν το σύμπαν προτού παράγουν σταθερά σωματίδια που πετούν μακριά από το σημείο της συντριβής. Περιέργως, οι υπολογισμοί που περιλαμβάνουν εκατοντάδες σελίδες άλγεβρας συχνά αποδίδουν, στο τέλος, έναν τύπο μιας γραμμής. Οι πλατειολόγοι υποστηρίζουν ότι η εικόνα του πεδίου συσκοτίζει απλούστερα μαθηματικά μοτίβα. Ο Arkani-Hamed, επικεφαλής της προσπάθειας, αποκάλεσε τα κβαντικά πεδία «μια βολική μυθοπλασία». «Στη φυσική πολύ συχνά γλιστράμε σε ένα λάθος να αποτυπώνουμε έναν φορμαλισμό», είπε. «Αρχίζουμε να διολισθαίνουμε στη γλώσσα του να λέμε ότι τα κβαντικά πεδία είναι πραγματικά και τα σωματίδια είναι διεγέρσεις. Μιλάμε για εικονικά σωματίδια, όλα αυτά — αλλά δεν πηγαίνει κλικ, κλικ, κλικ στον ανιχνευτή κανενός."

Οι πλατειολόγοι πιστεύουν ότι υπάρχει μια μαθηματικά απλούστερη και πιο αληθινή εικόνα των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, διαπιστώνουν ότι η προοπτική της ομαδικής θεωρίας του Wigner για τα σωματίδια μπορεί να επεκταθεί για να περιγράψει επίσης αλληλεπιδράσεις, χωρίς κανένα από τα συνηθισμένα κβαντικά πεδία.

Ο Lance Dixon, ένας εξέχων πλάτος στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC, εξήγησε ότι οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις περιστροφές Poincaré που μελέτησε ο Wigner για να συναγάγουν άμεσα το «πλάτος τριών σημείων» - έναν τύπο που περιγράφει ένα σωματίδιο που χωρίζεται στα δύο. Έχουν επίσης δείξει ότι τα πλάτη τριών σημείων χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία πλάτη τεσσάρων και υψηλότερων σημείων που περιλαμβάνουν όλο και περισσότερα σωματίδια. Αυτές οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις φαινομενικά δημιουργούνται από την αρχή από βασικές συμμετρίες.

«Το πιο ωραίο πράγμα», σύμφωνα με τον Dixon, είναι ότι τα πλάτη σκέδασης που περιλαμβάνουν γκραβιτόνια, τους υποτιθέμενους φορείς της βαρύτητας, αποδεικνύεται ότι είναι το τετράγωνο των πλάτους που περιλαμβάνουν γκλουόνια, τα σωματίδια που κολλούν μεταξύ τους τα κουάρκ. Συσχετίζουμε τη βαρύτητα με το ύφασμα του ίδιου του χωροχρόνου, ενώ τα γκλουόνια κινούνται στον χωροχρόνο. Ωστόσο, τα γκραβιτόνια και τα γκλουόνια φαινομενικά πηγάζουν από τις ίδιες συμμετρίες. "Αυτό είναι πολύ περίεργο και φυσικά δεν είναι πραγματικά κατανοητό με ποσοτικές λεπτομέρειες επειδή οι εικόνες είναι τόσο διαφορετικές", είπε ο Dixon.

Ο Arkani-Hamed και οι συνεργάτες του, εν τω μεταξύ, βρήκαν εντελώς νέες μαθηματικές συσκευές που μεταπηδούν κατευθείαν στην απάντηση, όπως το πλάτος-ένα γεωμετρικό αντικείμενο που κωδικοποιεί πλάτη σκέδασης σωματιδίων στον όγκο του. Η εικόνα των σωματιδίων που συγκρούονται στο χωροχρόνο και πυροδοτούν αλυσιδωτές αντιδράσεις αιτίας και αποτελέσματος έχει φύγει. «Προσπαθούμε να βρούμε αυτά τα αντικείμενα εκεί έξω στον πλατωνικό κόσμο των ιδεών που μας δίνουν [αιτιακές] ιδιότητες αυτόματα», είπε ο Arkani-Hamed. "Τότε μπορούμε να πούμε, "Αχα, τώρα μπορώ να δω γιατί αυτή η εικόνα μπορεί να ερμηνευτεί ως εξέλιξη."

Το It-from-qubit και η amplitudeology προσεγγίζουν τα μεγάλα ερωτήματα τόσο διαφορετικά που είναι δύσκολο να πούμε εάν οι δύο εικόνες συμπληρώνουν ή αντιφάσκουν η μία την άλλη. «Στο τέλος της ημέρας, η κβαντική βαρύτητα έχει κάποια μαθηματική δομή και όλοι την απορρίπτουμε», είπε ο Ένγκελχαρντ. Πρόσθεσε ότι θα χρειαστεί τελικά μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας και του χωροχρόνου για να απαντηθεί το ερώτημα:«Ποια είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του σύμπαντος στις πιο θεμελιώδεις κλίμακες του;» — μια πιο περίπλοκη διατύπωση της ερώτησής μου, "Τι είναι ένα σωματίδιο;"

Εν τω μεταξύ, ο Ένγκελχαρντ είπε:«Δεν ξέρουμε» είναι η σύντομη απάντηση».

:«Τη στιγμή που το ανιχνεύω, καταρρέει το κύμα και γίνεται σωματίδιο. … [Το σωματίδιο είναι] η συνάρτηση κύματος που έχει καταρρεύσει."
—Δημήτρης Νανόπουλος (πίσω στο άρθρο )

:«Τι είναι ένα σωματίδιο από την άποψη ενός φυσικού; Είναι μια κβαντική διέγερση ενός πεδίου. Γράφουμε τη σωματιδιακή φυσική σε μια μαθηματική που ονομάζεται κβαντική θεωρία πεδίου. Σε αυτό, υπάρχουν πολλά διαφορετικά πεδία. κάθε πεδίο έχει διαφορετικές ιδιότητες και διεγέρσεις, και είναι διαφορετικές ανάλογα με τις ιδιότητες, και αυτές τις διεγέρσεις μπορούμε να τις θεωρήσουμε ως ένα σωματίδιο."
—Helen Quinn (επιστροφή στο άρθρο )

:"Τα σωματίδια περιγράφονται στο ελάχιστο από μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις της ομάδας Poincaré."
— Sheldon Glashow

"Από τη θεμελιώδη εργασία του Wigner σχετικά με τις μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις της ομάδας Πουανκαρέ, ήταν ένας (ίσως σιωπηρός) ορισμός στη φυσική ότι ένα στοιχειώδες σωματίδιο "είναι" μια μη αναγώγιμη αναπαράσταση της ομάδας, G , των «συμμετριών της φύσης».
—Yuval Ne'eman και Shlomo Sternberg (επιστροφή στο άρθρο )

:"Τα σωματίδια έχουν τόσα πολλά στρώματα."
—Xiao-Gang Wen (πίσω στο άρθρο )

:"Αυτό που θεωρούμε ως στοιχειώδη σωματίδια, αντίθετα μπορεί να είναι δονούμενες χορδές."
—Mary Gaillard (πίσω στο άρθρο )

:«Κάθε σωματίδιο είναι ένα κβαντισμένο κύμα. Το κύμα είναι μια παραμόρφωση του ωκεανού qubit."
—Xiao-Gang Wen (πίσω στο άρθρο )

:«Τα σωματίδια είναι αυτά που μετράμε στους ανιχνευτές. … Αρχίζουμε να διολισθαίνουμε στη γλώσσα λέγοντας ότι τα κβαντικά πεδία είναι πραγματικά και τα σωματίδια είναι διεγέρσεις. Μιλάμε για εικονικά σωματίδια, όλα αυτά — αλλά δεν πηγαίνει κλικ, κλικ, κλικ στον ανιχνευτή κανενός."
—Nima Arkani-Hamed (επιστροφή στο άρθρο )

Σημείωση του συντάκτη:Ο Mark Van Raamsdonk λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons , το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας. Περισσότερες λεπτομέρειες είναι διαθέσιμο εδώ .