Πέρυσι, ο σωματιδιακός φυσικός Λανς Ντίξον ετοίμαζε μια διάλεξη όταν παρατήρησε μια εντυπωσιακή ομοιότητα μεταξύ δύο τύπων που σχεδίαζε να συμπεριλάβει στις διαφάνειές του.
Οι τύποι, που ονομάζονται πλάτη σκέδασης, δίνουν τις πιθανότητες πιθανών αποτελεσμάτων συγκρούσεων σωματιδίων. Ένα από τα πλάτη σκέδασης αντιπροσώπευε την πιθανότητα δύο σωματιδίων γκλουονίου να συγκρούονται και να παράγουν τέσσερα γκλουόνια. το άλλο έδωσε την πιθανότητα δύο γκλουονίων να συγκρούονται για να παράγουν ένα γλουόνιο και ένα σωματίδιο Higgs.
«Έγινα λίγο σύγχυση γιατί έμοιαζαν κάπως παρόμοια», είπε ο Ντίξον, ο οποίος είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, «και μετά συνειδητοποίησα ότι οι αριθμοί ήταν βασικά οι ίδιοι — απλώς η [η σειρά] είχε αντιστραφεί. ”
Μοιράστηκε την παρατήρησή του με τους συνεργάτες του μέσω του Zoom. Μη γνωρίζοντας ότι δεν υπήρχε λόγος να αντιστοιχούν τα δύο πλάτη σκέδασης, η ομάδα σκέφτηκε ότι ίσως ήταν σύμπτωση. Άρχισαν να υπολογίζουν τα δύο πλάτη σε προοδευτικά υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας (όσο μεγαλύτερη ήταν η ακρίβεια, τόσο περισσότεροι όροι έπρεπε να συγκρίνουν). Στο τέλος της κλήσης, έχοντας υπολογίσει χιλιάδες όρους που συνέχιζαν να συμφωνούν, οι φυσικοί ήταν αρκετά σίγουροι ότι είχαν να κάνουν με μια νέα δυαδικότητα - μια κρυφή σύνδεση μεταξύ δύο διαφορετικών φαινομένων που δεν μπορούσε να εξηγηθεί από την τρέχουσα κατανόησή μας για τη φυσική.
Τώρα, το αντιποδική δυαδικότητα, όπως το αποκαλούν οι ερευνητές, έχει επιβεβαιωθεί για υπολογισμούς υψηλής ακρίβειας που περιλαμβάνουν 93 εκατομμύρια όρους. Ενώ αυτή η δυαδικότητα προκύπτει σε μια απλοποιημένη θεωρία γκλουονίων και άλλων σωματιδίων που δεν περιγράφει ακριβώς το σύμπαν μας, υπάρχουν ενδείξεις ότι μια παρόμοια δυαδικότητα μπορεί να ισχύει στον πραγματικό κόσμο. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η διερεύνηση του παράξενου ευρήματος θα μπορούσε να τους βοηθήσει να δημιουργήσουν νέες συνδέσεις μεταξύ φαινομενικά άσχετων πτυχών της σωματιδιακής φυσικής.
«Αυτή είναι μια θαυμάσια ανακάλυψη γιατί είναι εντελώς απροσδόκητη», είπε Αναστασία Βόλοβιτς, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Μπράουν, «και δεν υπάρχει ακόμα καμία εξήγηση για το γιατί θα έπρεπε να είναι αλήθεια».
Το DNA της Σκέδασης Σωματιδίων
Ο Ντίξον και η ομάδα του ανακάλυψαν την αντιποδική δυαδικότητα χρησιμοποιώντας έναν ειδικό «κώδικα» για να υπολογίσουν τα πλάτη της σκέδασης πιο αποτελεσματικά από ό,τι θα μπορούσαν με τις παραδοσιακές μεθόδους. Συνήθως, για να υπολογίσετε την πιθανότητα δύο γκλουονίων υψηλής ενέργειας να διασκορπιστούν για να παράγουν τέσσερα γκλουόνια χαμηλότερης ενέργειας, για παράδειγμα, πρέπει να εξετάσετε όλες τις πιθανές οδούς που θα μπορούσαν να αποδώσουν αυτό το αποτέλεσμα. Γνωρίζετε την αρχή και το τέλος της ιστορίας (δύο γκλουόνια γίνονται τέσσερα), αλλά πρέπει επίσης να γνωρίζετε τη μέση — συμπεριλαμβανομένων όλων των σωματιδίων που μπορούν προσωρινά να εισέλθουν και να φύγουν, χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα. Παραδοσιακά, πρέπει να αθροίσετε την πιθανότητα κάθε πιθανού μεσαίου γεγονότος, λαμβάνοντας τα ένα-ένα.
Το 2010, αυτοί οι δυσκίνητοι υπολογισμοί παρακάμφθηκαν από τέσσερις ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Volovich, ο οποίος βρήκε μια συντόμευση. Συνειδητοποίησαν ότι πολλές από τις περίπλοκες εκφράσεις σε έναν υπολογισμό πλάτους θα μπορούσαν να εξαλειφθούν με την αναδιοργάνωση των πάντων σε μια νέα δομή. Τα έξι βασικά στοιχεία της νέας δομής, που ονομάζονται «γράμματα», είναι μεταβλητές που αντιπροσωπεύουν συνδυασμούς της ενέργειας και της ορμής κάθε σωματιδίου. Τα έξι γράμματα συνθέτουν λέξεις και οι λέξεις συνδυάζονται για να σχηματίσουν όρους σε κάθε πλάτος σκέδασης.
Ο Dixon συγκρίνει αυτό το νέο σχήμα με τον γενετικό κώδικα, στον οποίο τέσσερα χημικά δομικά στοιχεία συνδυάζονται για να σχηματίσουν τα γονίδια σε μια αλυσίδα DNA. Όπως ο γενετικός κώδικας, το «DNA της σκέδασης σωματιδίων», όπως το αποκαλεί, έχει κανόνες σχετικά με τους οποίους επιτρέπονται συνδυασμοί λέξεων. Μερικοί από αυτούς τους κανόνες απορρέουν από γνωστές φυσικές ή μαθηματικές αρχές, αλλά άλλοι φαίνονται αυθαίρετοι. Ο μόνος τρόπος για να ανακαλύψετε μερικούς από τους κανόνες είναι να αναζητήσετε κρυφά μοτίβα στους μεγάλους υπολογισμούς.
Μόλις βρεθούν, αυτοί οι ανεξερεύνητοι κανόνες βοήθησαν τους φυσικούς των σωματιδίων να υπολογίσουν τα πλάτη σκέδασης σε πολύ υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας από αυτά που θα μπορούσαν να επιτύχουν με την παραδοσιακή προσέγγιση. Η αναδιάρθρωση επέτρεψε επίσης στον Dixon και στους συνεργάτες του να εντοπίσουν την κρυφή σύνδεση μεταξύ των δύο φαινομενικά άσχετων πλατών σκέδασης.
Χάρτης αντιπόδων
Στην καρδιά της δυαδικότητας βρίσκεται ο «αντίποδος χάρτης». Στη γεωμετρία, ένας αντίποδας χάρτης παίρνει ένα σημείο σε μια σφαίρα και αντιστρέφει τις συντεταγμένες, στέλνοντάς σας κατευθείαν μέσα από το κέντρο της σφαίρας σε ένα σημείο στην άλλη πλευρά. Είναι το μαθηματικό ισοδύναμο με το σκάψιμο μιας τρύπας από τη Χιλή στην Κίνα.
Σε πλάτη σκέδασης, ο χάρτης αντίποδων που βρήκε ο Dixon είναι λίγο πιο αφηρημένος. Αντιστρέφει τη σειρά των γραμμάτων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του πλάτους. Εφαρμόστε αυτόν τον χάρτη αντιπόδων σε όλους τους όρους στο πλάτος σκέδασης για δύο γκλουόνια να γίνουν τέσσερα, και (μετά από μια απλή αλλαγή μεταβλητών) αυτό δίνει το πλάτος για δύο γκλουόνια που γίνονται ένα γλουόνιο συν ένα Higgs.
Στην αναλογία DNA του Dixon, η δυαδικότητα είναι σαν να διαβάζεις μια γενετική αλληλουχία προς τα πίσω και να συνειδητοποιείς ότι κωδικοποιεί μια εντελώς νέα πρωτεΐνη που δεν σχετίζεται με αυτήν που κωδικοποιείται από την αρχική αλληλουχία.
«Όλοι ήμασταν πεπεισμένοι ότι ο χάρτης του αντίποδα ήταν άχρηστος. … Δεν φαινόταν να έχει καμία φυσική σημασία, ή να κάνει κάτι σημαντικό», είπε Ματ φον Χίπελ, ειδικός στο πλάτος στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη που δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Και τώρα υπάρχει αυτή η εντελώς ανεξήγητη δυαδικότητα που το χρησιμοποιεί, που είναι αρκετά άγριο».
Όχι ο κόσμος μας
Τώρα υπάρχουν δύο μεγάλα ερωτήματα. Πρώτον, γιατί υπάρχει η δυαδικότητα; Και δεύτερον, θα βρεθεί μια παρόμοια σύνδεση στον πραγματικό κόσμο;
Τα 17 γνωστά στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούν τον κόσμο μας τηρούν ένα σύνολο εξισώσεων που ονομάζονται το Πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, δύο γκλουόνια, τα σωματίδια χωρίς μάζα που κολλούν μεταξύ τους ατομικούς πυρήνες, αλληλεπιδρούν εύκολα μεταξύ τους για να διπλασιάσουν τον δικό τους αριθμό, και γίνονται τέσσερα γλουόνια. Ωστόσο, για να παραχθεί ένα γκλουόνιο και ένα σωματίδιο Higgs, τα γκλουόνια που συγκρούονται πρέπει πρώτα να μεταμορφωθούν σε κουάρκ και αντικουάρκ. Αυτά στη συνέχεια μετατρέπονται σε γκλουόνιο και Higgs μέσω διαφορετικής δύναμης από αυτή που διέπει τις αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις των γκλουονίων.
Αυτές οι δύο διαδικασίες σκέδασης είναι τόσο διαφορετικές, με τη μία να περιλαμβάνει έναν εντελώς διαφορετικό τομέα του Καθιερωμένου Μοντέλου, που μια δυαδικότητα μεταξύ τους θα ήταν πολύ περίεργη.
Αλλά η αντιποδική δυαδικότητα είναι επίσης απροσδόκητη ακόμη και στο απλοποιημένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που μελετούσαν ο Ντίξον και οι συνεργάτες του. Το μοντέλο παιχνιδιών τους διέπει φανταστικά γκλουόνια με επιπλέον συμμετρίες, οι οποίες επιτρέπουν πιο ακριβείς υπολογισμούς των πλατών σκέδασης. Η δυαδικότητα συνδέει μια διαδικασία σκέδασης που περιλαμβάνει αυτά τα γκλουόνια και μια διαδικασία που απαιτεί μια εξωτερική αλληλεπίδραση με σωματίδια που περιγράφονται από μια διαφορετική θεωρία.
Ο Ντίξον πιστεύει ότι έχει μια πολύ λεπτή ιδέα για το από πού προέρχεται η δυαδικότητα.
Θυμηθείτε εκείνους τους ανεξήγητους κανόνες που βρήκαν η Volovich και οι συνάδελφοί της που υπαγορεύουν ποιοι συνδυασμοί λέξεων επιτρέπονται σε ένα διάσπαρτο πλάτος. Μερικοί από τους κανόνες φαίνεται να περιορίζουν αυθαίρετα ποια γράμματα μπορούν να εμφανίζονται το ένα δίπλα στο άλλο στο πλάτος δύο γκλουονίων-προς-γλουονίων-συν-Higgs. Αλλά αντιστοιχίστε αυτούς τους κανόνες στην άλλη πλευρά της δυαδικότητας και μεταμορφώνονται σε ένα σύνολο καθιερωμένους κανόνες που διασφαλίζουν την αιτιότητα — διασφαλίζοντας ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των εισερχόμενων σωματιδίων πραγματοποιούνται πριν εμφανιστούν τα εξερχόμενα σωματίδια.
Για τον Dixon, αυτή είναι μια μικρή υπόδειξη για μια βαθύτερη φυσική σύνδεση μεταξύ των δύο πλάτη και ένας λόγος να σκεφτεί κανείς ότι κάτι παρόμοιο μπορεί να ισχύει στο Καθιερωμένο Μοντέλο. «Αλλά είναι αρκετά αδύναμο», είπε. «Είναι, σαν, μεταχειρισμένες πληροφορίες».
Άλλες δυαδότητες μεταξύ διαφορετικών φυσικών φαινομένων έχουν ήδη βρεθεί. Η αντιστοιχία AdS-CFT, για παράδειγμα, στην οποία ένας θεωρητικός κόσμος χωρίς βαρύτητα είναι διπλός με έναν κόσμο με βαρύτητα, έχει τροφοδοτήσει χιλιάδες ερευνητικές εργασίες από την ανακάλυψή του το 1997. Αλλά αυτή η δυαδικότητα, επίσης, υπάρχει μόνο για έναν βαρυτικό κόσμο με μια στρεβλή γεωμετρία σε αντίθεση με αυτή του πραγματικού σύμπαντος. Ωστόσο, για πολλούς φυσικούς, το γεγονός ότι οι πολλαπλές δυαδότητες σχεδόν ισχύουν στον κόσμο μας υποδηλώνει ότι θα μπορούσαν να χαράξουν την επιφάνεια μιας συνολικής θεωρητικής δομής στην οποία αυτές οι εκπληκτικές συνδέσεις είναι εμφανείς. «Νομίζω ότι είναι όλα μέρος της ιστορίας», είπε ο Ντίξον.
