I fjor, partikkelfysikeren Lance Dixon forberedte et foredrag da han la merke til en slående likhet mellom to formler som han planla å inkludere i lysbildene sine.
Formlene, kalt spredningsamplituder, gir sannsynlighetene for mulige utfall av partikkelkollisjoner. En av spredningsamplitudene representerte sannsynligheten for at to gluonpartikler kolliderte og produserer fire gluoner; den andre ga sannsynligheten for at to gluoner kolliderte for å produsere en gluon og en Higgs-partikkel.
"Jeg ble litt forvirret fordi de så litt like ut," sa Dixon, som er professor ved Stanford University, "og så skjønte jeg at tallene i bunn og grunn var de samme - det er bare at [rekkefølgen] hadde blitt snudd. ”
Han delte sin observasjon med sine samarbeidspartnere over Zoom. Da gruppen ikke visste noen grunn til at de to spredningsamplitudene skulle samsvare, trodde gruppen kanskje det var en tilfeldighet. De begynte å beregne de to amplitudene med stadig høyere presisjonsnivåer (jo større presisjon, jo flere termer måtte de sammenligne). Ved slutten av samtalen, etter å ha beregnet tusenvis av termer som stadig stemte, var fysikerne ganske sikre på at de hadde å gjøre med en ny dualitet - en skjult forbindelse mellom to forskjellige fenomener som ikke kunne forklares av vår nåværende forståelse av fysikk.
Nå, antipodal dualitet, som forskerne kaller det, har blitt bekreftet for høypresisjonsberegninger som involverer 93 millioner termer. Mens denne dualiteten oppstår i en forenklet teori om gluoner og andre partikler som ikke helt beskriver universet vårt, er det ledetråder som en lignende dualitet kan ha i den virkelige verden. Forskere håper at å undersøke det merkelige funnet kan hjelpe dem med å lage nye forbindelser mellom tilsynelatende urelaterte aspekter ved partikkelfysikk.
"Dette er en fantastisk oppdagelse fordi den er helt uventet," sa Anastasia Volovich, en partikkelfysiker ved Brown University, "og det er fortsatt ingen forklaring på hvorfor det burde være sant."
DNAet til partikkelspredning
Dixon og teamet hans oppdaget den antipodale dualiteten ved å bruke en spesiell "kode" for å beregne spredningsamplituder mer effektivt enn de kunne med tradisjonelle metoder. Vanligvis, for å finne ut sannsynligheten for at to høyenergigluoner sprer seg for å produsere fire lavenergigluoner, for eksempel, må du vurdere alle mulige veier som kan gi dette resultatet. Du kjenner begynnelsen og slutten av historien (to gluoner blir fire), men du må også kjenne midten - inkludert alle partiklene som midlertidig kan dukke inn og ut av eksistensen, takket være kvanteusikkerhet. Tradisjonelt må du legge sammen sannsynligheten for hver mulig midthendelse, og ta dem én om gangen.
I 2010 ble disse tungvinte beregningene omgått av fire forskere, inkludert Volovich, som fant en snarvei. De innså at mange av de kompliserte uttrykkene i en amplitudeberegning kunne elimineres ved å omorganisere alt til en ny struktur. De seks grunnleggende elementene i den nye strukturen, kalt "bokstaver", er variabler som representerer kombinasjoner av hver partikkels energi og momentum. De seks bokstavene utgjør ord, og ordene kombineres for å danne termer i hver spredningsamplitude.
Dixon sammenligner dette nye opplegget med den genetiske koden, der fire kjemiske byggesteiner kombineres for å danne genene i en DNA-streng. I likhet med den genetiske koden har «DNA for partikkelspredning», som han kaller det, regler for hvilke kombinasjoner av ord som er tillatt. Noen av disse reglene følger av kjente fysiske eller matematiske prinsipper, men andre virker vilkårlige. Den eneste måten å oppdage noen av reglene på er ved å se etter skjulte mønstre i de lange beregningene.
Når de først ble funnet, har disse uutgrunnelige reglene hjulpet partikkelfysikere med å beregne spredningsamplituder med mye høyere presisjonsnivåer enn de kunne oppnå med den tradisjonelle tilnærmingen. Omstruktureringen tillot også Dixon og hans samarbeidspartnere å oppdage den skjulte forbindelsen mellom de to tilsynelatende urelaterte spredningsamplitudene.
Antipode kart
I hjertet av dualiteten er "antipodekartet." I geometri tar et antipodekart et punkt på en sfære og inverterer koordinatene, og sender deg rett gjennom sfærens sentrum til et punkt på den andre siden. Det er den matematiske ekvivalenten til å grave et hull fra Chile til Kina.
Når det gjelder spredning av amplituder, er antipodekartet som Dixon fant litt mer abstrakt. Den inverterer rekkefølgen på bokstavene som brukes til å beregne amplituden. Bruk dette antipodekartet på alle leddene i spredningsamplituden for to gluoner som blir fire, og (etter en enkel endring av variabler) gir dette amplituden for to gluoner som blir en gluon pluss en Higgs.
I Dixons DNA-analogi er dualiteten som å lese en genetisk sekvens bakover og innse at den koder for et helt nytt protein som ikke er relatert til det som er kodet av den opprinnelige sekvensen.
"Vi pleide alle å være overbevist om at antipodekartet var ubrukelig. ... Det så ikke ut til å ha noen fysisk betydning, eller å gjøre noe meningsfullt," sa Matt von Hippel, en amplitudespesialist ved Niels Bohr Institute i København som ikke var involvert i forskningen. "Og nå er det denne helt uforklarlige dualiteten som bruker den, som er ganske vill."
Ikke helt vår verden
Det er nå to store spørsmål. For det første, hvorfor eksisterer dualiteten? Og for det andre, vil en lignende forbindelse bli funnet i den virkelige verden?
De 17 kjente elementærpartiklene som utgjør vår verden overholder et sett med ligninger kalt Standard modell for partikkelfysikk. I følge standardmodellen samhandler to gluoner, de masseløse partiklene som limer sammen atomkjerner, lett med hverandre for å doble sitt eget antall, og blir til fire gluoner. For å produsere én gluon og én Higgs-partikkel, må imidlertid kolliderende gluoner først forvandles til en kvark og en antikvark; disse forvandles deretter til en gluon og en Higgs via en annen kraft enn den som styrer gluonenes gjensidige interaksjoner.
Disse to spredningsprosessene er så forskjellige, med en som involverer en helt annen sektor av standardmodellen, at en dualitet mellom dem ville være veldig overraskende.
Men den antipodale dualiteten er også uventet selv i den forenklede modellen for partikkelfysikk som Dixon og kollegene hans studerte. Leketøysmodellen deres styrer fiktive gluoner med ekstra symmetrier, som muliggjør mer presise beregninger av spredningsamplituder. Dualiteten forbinder en spredningsprosess som involverer disse gluonene og en som krever en ekstern interaksjon med partikler beskrevet av en annen teori.
Dixon tror han har en veldig spinkel anelse om hvor dualiteten kommer fra.
Husk de uforklarlige reglene funnet av Volovich og hennes kolleger som dikterer hvilke kombinasjoner av ord som er tillatt i en spredningsamplitude. Noen av reglene ser ut til å begrense hvilke bokstaver som kan vises ved siden av hverandre i to-gluon-til-gluon-pluss-Higgs-amplituden. Men kartlegg disse reglene til den andre siden av dualiteten, og de forvandles til et sett med veletablerte regler som sikrer kausalitet - garanterer at interaksjonene mellom innkommende partikler skjer før de utgående partiklene vises.
For Dixon er dette et lite hint om en dypere fysisk forbindelse mellom de to amplitudene, og en grunn til å tenke at noe lignende kan holde i standardmodellen. "Men det er ganske svakt," sa han. "Det er som annenhåndsinformasjon."
Andre dualiteter mellom ulike fysiske fenomener er allerede funnet. AdS-CFT-korrespondansen, for eksempel, der en teoretisk verden uten tyngdekraft er dobbelt med en verden med tyngdekraft, har drevet tusenvis av forskningsartikler siden oppdagelsen i 1997. Men også denne dualiteten eksisterer bare for en gravitasjonsverden med en skjev geometri i motsetning til det faktiske universet. Likevel, for mange fysikere, antyder det faktum at flere dualiteter nesten holder i vår verden at de kan skrape overflaten av en altomfattende teoretisk struktur der disse overraskende forbindelsene er manifesterte. "Jeg tror de alle er en del av historien," sa Dixon.
