ปีที่แล้วนักฟิสิกส์อนุภาค แลนซ์ ดิกสัน กำลังเตรียมการบรรยายเมื่อเขาสังเกตเห็นความคล้ายคลึงกันระหว่างสูตรสองสูตรที่เขาวางแผนที่จะรวมไว้ในสไลด์ของเขา
สูตรที่เรียกว่าแอมพลิจูดกระเจิง ให้ความน่าจะเป็นของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ของการชนกันของอนุภาค หนึ่งในแอมพลิจูดของการกระเจิงแสดงถึงความน่าจะเป็นของอนุภาคกลูออนสองตัวที่ชนกันและทำให้เกิดกลูออนสี่ตัว อีกอันหนึ่งให้ความน่าจะเป็นที่กลูออนสองอันชนกันเพื่อผลิตกลูออนและอนุภาคฮิกส์
“ฉันรู้สึกสับสนเล็กน้อยเพราะมันดูคล้ายกัน” ดิกสันซึ่งเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว “จากนั้นฉันก็ตระหนักว่าตัวเลขโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน — เพียงว่า [คำสั่ง] กลับกัน ”
เขาแบ่งปันข้อสังเกตของเขากับผู้ร่วมงานผ่าน Zoom เมื่อรู้ว่าไม่มีเหตุผลใดที่แอมพลิจูดการกระเจิงทั้งสองควรสอดคล้องกัน กลุ่มนี้คิดว่าบางทีอาจเป็นเรื่องบังเอิญ พวกเขาเริ่มคำนวณแอมพลิจูดทั้งสองที่ระดับความแม่นยำที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ (ยิ่งมีความแม่นยำมากเท่าไหร่ก็ยิ่งต้องเปรียบเทียบคำศัพท์มากขึ้น) ในตอนท้ายของการโทร เมื่อคำนวณคำศัพท์นับพันที่ยังคงเห็นด้วย นักฟิสิกส์ค่อนข้างแน่ใจว่าพวกเขากำลังเผชิญกับความเป็นคู่ใหม่ - ความเชื่อมโยงที่ซ่อนอยู่ระหว่างปรากฏการณ์สองอย่างที่แตกต่างกันซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยความเข้าใจฟิสิกส์ในปัจจุบันของเรา
ตอนนี้ ความเป็นคู่ตรงข้ามตามที่นักวิจัยเรียกมันว่าได้รับการยืนยันสำหรับการคำนวณที่มีความแม่นยำสูงซึ่งเกี่ยวข้องกับคำศัพท์ 93 ล้านคำ ในขณะที่ความเป็นคู่นี้เกิดขึ้นในทฤษฎีแบบง่ายของกลูออนและอนุภาคอื่น ๆ ที่ไม่ได้อธิบายจักรวาลของเราเลย แต่ก็มีเบาะแสที่ความเป็นคู่ที่คล้ายคลึงกันอาจมีอยู่ในโลกแห่งความเป็นจริง นักวิจัยหวังว่าการตรวจสอบการค้นพบที่แปลกประหลาดนี้จะช่วยให้พวกเขาสร้างความสัมพันธ์ใหม่ระหว่างแง่มุมที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกันของฟิสิกส์อนุภาค
“นี่เป็นการค้นพบที่วิเศษมากเพราะเป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงโดยสิ้นเชิง” . กล่าว อนาสตาเซีย โวโลวิชนักฟิสิกส์อนุภาคจากมหาวิทยาลัยบราวน์ “และยังไม่มีคำอธิบายว่าเหตุใดจึงควรเป็นความจริง”
DNA ของการกระเจิงของอนุภาค
Dixon และทีมของเขาค้นพบความเป็นคู่ตรงข้ามโดยใช้ "รหัส" พิเศษเพื่อคำนวณแอมพลิจูดการกระเจิงอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีดั้งเดิม โดยทั่วไป ในการหาความน่าจะเป็นของกลูออนพลังงานสูงสองตัวที่กระเจิงเพื่อผลิตกลูออนที่มีพลังงานต่ำสี่ตัว ตัวอย่างเช่น คุณต้องพิจารณาเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่อาจให้ผลลัพธ์นี้ คุณรู้จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเรื่องราว (สองกลูออนกลายเป็นสี่) แต่คุณต้องรู้ตรงกลางด้วย — รวมถึงอนุภาคทั้งหมดที่สามารถโผล่เข้าและออกจากการดำรงอยู่ได้ชั่วคราว ต้องขอบคุณความไม่แน่นอนของควอนตัม ตามเนื้อผ้า คุณต้องบวกความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ระดับกลางที่เป็นไปได้แต่ละรายการ โดยแยกทีละรายการ
ในปี 2010 การคำนวณที่ยุ่งยากเหล่านี้ถูกนักวิจัยสี่คนหลีกเลี่ยง รวมถึงโวโลวิชผู้ซึ่ง พบทางลัด พวกเขาตระหนักว่านิพจน์ที่ซับซ้อนจำนวนมากในการคำนวณแอมพลิจูดสามารถกำจัดได้โดยการจัดโครงสร้างใหม่ทั้งหมดให้เป็นโครงสร้างใหม่ องค์ประกอบพื้นฐาน XNUMX ประการของโครงสร้างใหม่ที่เรียกว่า "ตัวอักษร" เป็นตัวแปรที่แสดงถึงการรวมกันของพลังงานและโมเมนตัมของอนุภาคแต่ละชนิด ตัวอักษรหกตัวประกอบเป็นคำ และคำต่างๆ รวมกันเพื่อสร้างเงื่อนไขในแต่ละแอมพลิจูดที่กระเจิง
ดิกสันเปรียบเทียบรูปแบบใหม่นี้กับรหัสพันธุกรรม ซึ่งองค์ประกอบทางเคมีสี่แบบรวมกันเพื่อสร้างยีนในสายดีเอ็นเอ เช่นเดียวกับรหัสพันธุกรรม "DNA ของการกระเจิงของอนุภาค" ตามที่เขาเรียกว่ามีกฎเกณฑ์เกี่ยวกับคำที่อนุญาตให้ใช้ร่วมกันได้ กฎเหล่านี้บางส่วนปฏิบัติตามหลักการทางกายภาพหรือทางคณิตศาสตร์ที่เป็นที่รู้จัก แต่กฎเกณฑ์อื่นๆ ดูเหมือนเป็นกฎเกณฑ์ วิธีเดียวที่จะค้นพบกฎบางอย่างคือการมองหารูปแบบที่ซ่อนอยู่ในการคำนวณที่ยาวนาน
เมื่อพบแล้ว กฎที่ไม่อาจเข้าใจได้เหล่านี้ได้ช่วยให้นักฟิสิกส์อนุภาคคำนวณแอมพลิจูดการกระเจิงที่ระดับความแม่นยำที่สูงกว่าที่สามารถทำได้ด้วยวิธีดั้งเดิม การปรับโครงสร้างใหม่ยังช่วยให้ Dixon และผู้ทำงานร่วมกันของเขามองเห็นความเชื่อมโยงที่ซ่อนอยู่ระหว่างแอมพลิจูดการกระเจิงทั้งสองที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกัน
แผนที่ตรงข้าม
หัวใจของความเป็นคู่คือ "แผนที่ตรงข้าม" ในเรขาคณิต แผนที่ตรงข้ามจะใช้จุดบนทรงกลมและสลับพิกัด ส่งผลให้คุณตรงผ่านจุดศูนย์กลางของทรงกลมไปยังจุดที่อยู่อีกด้านหนึ่ง มันเทียบเท่าทางคณิตศาสตร์ของการขุดหลุมจากชิลีไปยังประเทศจีน
ในแอมพลิจูดแบบกระเจิง แผนที่ตรงข้ามที่ Dixon พบนั้นเป็นนามธรรมมากกว่าเล็กน้อย มันสลับลำดับของตัวอักษรที่ใช้ในการคำนวณแอมพลิจูด ใช้แมปตรงข้ามนี้กับเงื่อนไขทั้งหมดในแอมพลิจูดการกระเจิงสำหรับกลูออนสองกลูออนกลายเป็นสี่ และ (หลังจากการเปลี่ยนแปลงตัวแปรอย่างง่าย) สิ่งนี้จะให้แอมพลิจูดของกลูออนสองกลูออนกลายเป็นหนึ่งกลูออนบวกฮิกส์
ในการเปรียบเทียบ DNA ของ Dixon ความเป็นคู่เปรียบเสมือนการอ่านลำดับพันธุกรรมย้อนหลังและตระหนักว่ามันเข้ารหัสโปรตีนใหม่ทั้งหมดที่ไม่เกี่ยวข้องกับลำดับที่เข้ารหัสโดยลำดับดั้งเดิม
“เราทุกคนเคยเชื่อว่าแผนที่ตรงกันข้ามนั้นไร้ประโยชน์ … ดูเหมือนว่าจะไม่มีนัยสำคัญทางกายภาพหรือทำอะไรที่มีความหมาย” . กล่าว แมตต์ ฟอน ฮิปเปลผู้เชี่ยวชาญด้านแอมพลิจูดที่สถาบัน Niels Bohr ในโคเปนเฮเกนซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัย “และตอนนี้มีการใช้ความเป็นคู่ที่อธิบายไม่ได้โดยสิ้นเชิง ซึ่งค่อนข้างดุร้าย”
ไม่ใช่โลกของเรา
ตอนนี้มีคำถามใหญ่สองข้อ ประการแรก เหตุใดความเป็นคู่จึงมีอยู่? และประการที่สองจะพบว่ามีการเชื่อมต่อที่คล้ายกันในโลกแห่งความเป็นจริงหรือไม่?
อนุภาคมูลฐานที่รู้จักกัน 17 อนุภาคที่ประกอบด้วยโลกของเราปฏิบัติตามชุดของสมการที่เรียกว่า แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค. ตามแบบจำลองมาตรฐาน กลูออนสองกลูออน ซึ่งเป็นอนุภาคไร้มวลซึ่งยึดเกาะนิวเคลียสของอะตอมเข้าด้วยกัน โต้ตอบกันอย่างง่ายดายเพื่อเพิ่มจำนวนของตัวเองเป็นสองเท่า กลายเป็นสี่กลูออน อย่างไรก็ตาม ในการผลิตกลูออนหนึ่งกลูออนและอนุภาคฮิกส์หนึ่งอนุภาค กลูออนที่ชนกันจะต้องแปรสภาพเป็นควาร์กและแอนติควาร์กก่อน สิ่งเหล่านี้จะเปลี่ยนเป็นกลูออนและฮิกส์โดยใช้แรงที่แตกต่างจากแรงที่ควบคุมการทำงานร่วมกันของกลูออน
กระบวนการกระเจิงทั้งสองนี้แตกต่างกันมาก โดยกระบวนการหนึ่งเกี่ยวข้องกับภาคส่วนที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงของแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งความเป็นคู่ระหว่างพวกเขานั้นน่าประหลาดใจมาก
แต่ความเป็นคู่ตรงข้ามกับขั้วก็คาดไม่ถึงเช่นกัน แม้แต่ในแบบจำลองฟิสิกส์อนุภาคแบบง่ายที่ดิกสันและเพื่อนร่วมงานกำลังศึกษาอยู่ โมเดลของเล่นของพวกเขาควบคุมกลูออนในจินตนาการด้วยความสมมาตรพิเศษ ซึ่งช่วยให้คำนวณแอมพลิจูดการกระเจิงได้แม่นยำยิ่งขึ้น ความเป็นคู่เชื่อมโยงกระบวนการกระเจิงที่เกี่ยวข้องกับกลูออนเหล่านี้และกระบวนการที่ต้องมีปฏิสัมพันธ์ภายนอกกับอนุภาคที่อธิบายโดยทฤษฎีที่แตกต่างกัน
ดิกสันคิดว่าเขามีเงื่อนงำเล็กน้อยเกี่ยวกับที่มาของความเป็นคู่
ระลึกถึงกฎที่อธิบายไม่ได้ซึ่งพบโดย Volovich และเพื่อนร่วมงานของเธอซึ่งกำหนดว่าชุดคำใดบ้างที่ได้รับอนุญาตในแอมพลิจูดที่กระเจิง กฎบางข้อดูเหมือนจะจำกัดโดยพลการโดยพลการว่าตัวอักษรใดสามารถปรากฏต่อกันได้ในแอมพลิจูดสองกลูออนถึงกลูออนบวกฮิกส์ แต่แมปกฎเหล่านั้นกับอีกด้านหนึ่งของความเป็นคู่ แล้วพวกมันก็กลายเป็นชุดของ กฎเกณฑ์ที่มั่นคง ที่รับรองความเป็นเวรกรรม - รับประกันว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่เข้ามาจะเกิดขึ้นก่อนที่อนุภาคที่ส่งออกจะปรากฏขึ้น
สำหรับ Dixon นี่เป็นคำใบ้เล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับความสัมพันธ์ทางกายภาพที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นระหว่างแอมพลิจูดทั้งสอง และเหตุผลที่ทำให้คิดว่าสิ่งที่คล้ายกันอาจมีอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน “แต่มันค่อนข้างอ่อนแอ” เขากล่าว “มันเป็นข้อมูลมือสอง”
มีการค้นพบความเป็นคู่อื่น ๆ ระหว่างปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แตกต่างกันแล้ว ตัวอย่างเช่น การโต้ตอบของ AdS-CFT ซึ่งโลกตามทฤษฎีที่ปราศจากแรงโน้มถ่วงเป็นโลกที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นสองเท่า ได้เติมเชื้อเพลิงให้กับงานวิจัยหลายพันฉบับนับตั้งแต่การค้นพบในปี 1997 แต่ความเป็นคู่นี้ก็เช่นกัน มีอยู่สำหรับโลกความโน้มถ่วงที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่บิดเบี้ยวซึ่งแตกต่างจากจักรวาลจริงเท่านั้น ถึงกระนั้น สำหรับนักฟิสิกส์หลายคน ความจริงที่ว่าความเป็นคู่หลายอย่างเกือบจะถืออยู่ในโลกของเรา บ่งบอกว่าพวกมันอาจกำลังขีดข่วนพื้นผิวของโครงสร้างทางทฤษฎีที่ครอบคลุมทุกอย่าง ซึ่งความเชื่อมโยงที่น่าประหลาดใจเหล่านี้ปรากฏให้เห็น “ฉันคิดว่าพวกเขาทั้งหมดเป็นส่วนหนึ่งของเรื่องราว” ดิกสันกล่าว
