W zeszłym roku fizyk cząstek Lanca Dixona Przygotowywał wykład, gdy zauważył uderzające podobieństwo między dwiema formułami, które planował umieścić na swoich slajdach.
Wzory, zwane amplitudami rozpraszania, podają prawdopodobieństwa możliwych skutków zderzeń cząstek. Jedna z amplitud rozpraszania reprezentowała prawdopodobieństwo zderzenia dwóch cząstek gluonów i wytworzenia czterech gluonów; drugi podawał prawdopodobieństwo zderzenia dwóch gluonów w celu wytworzenia gluonu i cząstki Higgsa.
„Byłem trochę zdezorientowany, ponieważ wyglądały trochę podobnie”, powiedział Dixon, profesor na Uniwersytecie Stanforda, „a potem zdałem sobie sprawę, że liczby były w zasadzie takie same – po prostu [kolejność] się odwróciła. ”
Swoją obserwacją podzielił się ze współpracownikami na temat Zooma. Nie wiedząc, dlaczego obie amplitudy rozpraszania powinny odpowiadać, grupa pomyślała, że może to zbieg okoliczności. Zaczęli obliczać dwie amplitudy na coraz wyższych poziomach precyzji (im większa precyzja, tym więcej terminów musieli porównać). Pod koniec rozmowy, po obliczeniu tysięcy terminów, które wciąż się zgadzały, fizycy byli prawie pewni, że mają do czynienia z nową dualnością — ukrytym połączeniem między dwoma różnymi zjawiskami, którego nie można wyjaśnić naszym obecnym rozumieniem fizyki.
Teraz antypodowa dualność, jak nazywają to naukowcy, został potwierdzony w przypadku bardzo precyzyjnych obliczeń obejmujących 93 miliony terminów. Chociaż ta dwoistość pojawia się w uproszczonej teorii gluonów i innych cząstek, która nie do końca opisuje nasz wszechświat, istnieją wskazówki, że podobna dwoistość może występować w prawdziwym świecie. Naukowcy mają nadzieję, że zbadanie dziwnego odkrycia może pomóc im w nawiązaniu nowych połączeń między pozornie niepowiązanymi aspektami fizyki cząstek elementarnych.
„To wspaniałe odkrycie, ponieważ jest całkowicie nieoczekiwane” – powiedział Anastazja Wołowicz, fizyk cząstek z Brown University, „i wciąż nie ma wyjaśnienia, dlaczego powinno to być prawdą”.
DNA rozpraszania cząstek
Dixon i jego zespół odkryli dualizm antypodów, używając specjalnego „kodu” do obliczania amplitud rozpraszania wydajniej niż w przypadku tradycyjnych metod. Zazwyczaj, aby obliczyć prawdopodobieństwo, że dwa gluony o wysokiej energii rozproszą się i wytworzą na przykład cztery gluony o niższej energii, musisz rozważyć wszystkie możliwe ścieżki, które mogą dać taki wynik. Znasz początek i koniec historii (dwa gluony stają się czterema), ale musisz także znać środek — w tym wszystkie cząstki, które mogą tymczasowo pojawiać się i znikać dzięki niepewności kwantowej. Tradycyjnie musisz zsumować prawdopodobieństwo każdego możliwego zdarzenia środkowego, biorąc je pojedynczo.
W 2010 roku te kłopotliwe obliczenia obeszły czterech badaczy, w tym Volovich, który: znalazłem skrót. Zdali sobie sprawę, że wiele skomplikowanych wyrażeń w obliczeniach amplitudy można wyeliminować, reorganizując wszystko w nową strukturę. Sześć podstawowych elementów nowej struktury, zwanych „literami”, to zmienne reprezentujące kombinacje energii i pędu każdej cząstki. Sześć liter tworzy słowa, które łączą się, tworząc terminy w każdej amplitudzie rozpraszania.
Dixon porównuje ten nowy schemat z kodem genetycznym, w którym cztery chemiczne bloki budulcowe łączą się, tworząc geny w nici DNA. Podobnie jak kod genetyczny, „DNA rozpraszania cząstek”, jak to nazywa, ma reguły określające, które kombinacje słów są dozwolone. Niektóre z tych reguł wynikają ze znanych zasad fizycznych lub matematycznych, ale inne wydają się arbitralne. Jedynym sposobem na odkrycie niektórych zasad jest poszukiwanie ukrytych wzorców w długich obliczeniach.
Po odkryciu, te nieodgadnione zasady pomogły fizykom cząstek w obliczeniu amplitud rozpraszania na znacznie wyższym poziomie precyzji, niż mogliby osiągnąć przy użyciu tradycyjnego podejścia. Restrukturyzacja pozwoliła również Dixonowi i jego współpracownikom dostrzec ukryty związek między dwiema pozornie niepowiązanymi amplitudami rozpraszania.
Mapa Antypodów
W sercu dualizmu znajduje się „mapa antypodów”. W geometrii mapa antypodów przyjmuje punkt na kuli i odwraca współrzędne, wysyłając cię prosto przez środek kuli do punktu po drugiej stronie. To matematyczny odpowiednik kopania dziury od Chile do Chin.
W amplitudach rozpraszania mapa antypodów, którą znalazł Dixon, jest nieco bardziej abstrakcyjna. Odwraca kolejność liter użytych do obliczenia amplitudy. Zastosuj tę mapę antypodów do wszystkich wyrazów w amplitudzie rozpraszania dla dwóch gluonów przechodzących w cztery, a (po prostej zmianie zmiennych) otrzymamy amplitudę dla dwóch gluonów, które stają się jednym gluonem plus Higgs.
W analogii do DNA Dixona dwoistość jest jak odczytywanie sekwencji genetycznej wstecz i uświadomienie sobie, że koduje ona całkowicie nowe białko, niezwiązane z tym, które jest kodowane przez oryginalną sekwencję.
„Wszyscy byliśmy kiedyś przekonani, że mapa antypodów jest bezużyteczna. … Wydawało się, że nie ma żadnego fizycznego znaczenia ani nie robi nic znaczącego” – powiedział Matta von Hippela, specjalista ds. amplitudy w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze, który nie był zaangażowany w badania. „A teraz używa go ta całkowicie niewytłumaczalna dualność, która jest dość dzika”.
Niezupełnie nasz świat
Mamy teraz dwa duże pytania. Po pierwsze, dlaczego istnieje dualność? A po drugie, czy podobne połączenie zostanie znalezione w prawdziwym świecie?
17 znanych cząstek elementarnych, z których składa się nasz świat, podlega zestawowi równań zwanym Standardowy model fizyki cząstek elementarnych. Zgodnie z Modelem Standardowym dwa gluony, bezmasowe cząstki, które sklejają jądra atomowe, łatwo oddziałują ze sobą, podwajając swoją liczbę, stając się czterema gluonami. Jednakże, aby wytworzyć jeden gluon i jedną cząstkę Higgsa, zderzające się gluony muszą najpierw przekształcić się w kwark i antykwark; te następnie przekształcają się w gluon i Higgsa poprzez inną siłę niż ta, która rządzi wzajemnymi oddziaływaniami gluonów.
Te dwa procesy rozpraszania są tak różne, a jeden dotyczy zupełnie innego sektora Modelu Standardowego, że dualizm między nimi byłby bardzo zaskakujący.
Ale dualność antypodów jest również nieoczekiwana, nawet w uproszczonym modelu fizyki cząstek elementarnych, który studiował Dixon i jego koledzy. Ich zabawkowy model rządzi fikcyjnymi gluonami z dodatkowymi symetriami, które umożliwiają dokładniejsze obliczenia amplitud rozpraszania. Dualność łączy proces rozpraszania obejmujący te gluony i taki, który wymaga zewnętrznej interakcji z cząstkami opisanymi przez inną teorię.
Dixon myśli, że ma bardzo wątłą wskazówkę na temat tego, skąd bierze się dwoistość.
Przypomnij sobie te niewytłumaczalne zasady, które odkrył Volovich i jej współpracownicy, które dyktują, które kombinacje słów są dozwolone w rozproszonej amplitudzie. Niektóre z reguł wydają się arbitralnie ograniczać, które litery mogą występować obok siebie w amplitudzie dwóch gluon-to-gluon-plus-Higgs. Ale przenieś te zasady na drugą stronę dualności, a przekształcą się one w zbiór ugruntowane zasady które zapewniają przyczynowość — gwarantując, że interakcje między przychodzącymi cząsteczkami zachodzą przed pojawieniem się cząsteczek wychodzących.
Dla Dixona jest to drobna wskazówka na temat głębszego fizycznego połączenia między dwiema amplitudami i powód, by sądzić, że coś podobnego może mieć miejsce w Modelu Standardowym. — Ale jest dość słaby — powiedział. „To jak informacje z drugiej ręki”.
Znaleziono już inne dwoistości między różnymi zjawiskami fizycznymi. Na przykład korespondencja AdS-CFT, w której teoretyczny świat bez grawitacji jest podwójny do świata z grawitacją, od czasu jej odkrycia w 1997 roku napędza tysiące artykułów naukowych. Ale ta dwoistość również istnieje tylko w świecie grawitacyjnym o zakrzywionej geometrii, niepodobnej do rzeczywistego wszechświata. Jednak dla wielu fizyków fakt, że wiele dualności niemal utrzymuje się w naszym świecie, sugeruje, że mogą oni drapać powierzchnię wszechogarniającej struktury teoretycznej, w której manifestują się te zaskakujące powiązania. „Myślę, że oni wszyscy są częścią historii”, powiedziała Dixon.
