Dragulj u srcu kvantne fizike

Fizičari su otkrili geometrijski objekt u obliku dragulja koji dovodi u pitanje ideju da su prostor i vrijeme temeljni sastojci prirode.

Umjetnički prikaz amplituhedrona, novootkrivenog matematičkog objekta nalik na višestruki dragulj u višim dimenzijama.

Fizičari su otkrili geometrijski objekt nalik dragulju koji dramatično pojednostavljuje izračunavanje interakcija čestica i dovodi u pitanje ideju da su prostor i vrijeme temeljne komponente stvarnosti.

“Ovo je potpuno novo i mnogo jednostavnije od bilo čega što je učinjeno prije”, rekao je Andrew Hodges, matematički fizičar sa Sveučilišta Oxford koji je pratio rad.



Otkrivenje da interakcije čestica, najosnovniji događaji u prirodi, mogu biti posljedice geometrije, znatno unapređuju desetljeća duga nastojanja da preformuliraju kvantnu teoriju polja, tijelo zakona koji opisuje elementarne čestice i njihove interakcije. Interakcije koje su prethodno izračunate s matematičkim formulama hiljadama linija dugim, sada se mogu opisati izračunavanjem volumena odgovarajućeg “amplituhedrona” u obliku dragulja, koji daje ekvivalentan izraz od samo jednog termina.

“Stupanj učinkovitosti je nevjerojatan”, rekao je Jacob Bourjaily, teoretski fizičar sa Sveučilišta Harvard i jedan od istraživača koji su razvili novu ideju. “Na papiru možete lako napraviti računanje koje je bilo nemoguće i prije s računalom.”

Nova geometrijska verzija kvantne teorije polja mogla bi također olakšati potragu za teorijom kvantne gravitacije koja bi neprimjetno povezivala velike i male slike svemira. Pokušaji da se gravitacija uključi u zakone fizike na kvantnom mjerilu naletjeli su na besmislene beskonačnosti i duboke paradokse. Amplituhedron, ili sličan geometrijski objekt, mogao bi pomoći uklanjanjem dva duboko ukorijenjena načela fizike: lokalitet i unitarnost.

“Oboje su teško ožičeni na uobičajeni način na koji razmišljamo o stvarima”, rekao je Nima Arkani-Hamed, profesor fizike na Institutu za napredne studije u Princetonu, NJ, i glavni autor novog rada, koji predstavlja u razgovorima i u predstojećem radu. “Oba su sumnjiva.”



Lokalnost je pojam da čestice mogu komunicirati samo sa susjednih položaja u prostoru i vremenu. A unitarnost drži da vjerojatnosti svih mogućih ishoda kvantno-mehaničke interakcije moraju biti veće. Koncepti su središnji stupovi kvantne teorije polja u svom izvornom obliku, ali u određenim situacijama koje uključuju gravitaciju, obje se raspadaju, što sugerira da niti jedan nije temeljni aspekt prirode.

U skladu s tom idejom, novi geometrijski pristup interakcijama čestica uklanja lokalitet i jedinstvo iz svojih polaznih pretpostavki. Amplituhedron nije izgrađen iz prostora-vremena i vjerojatnosti; ta svojstva nastaju kao posljedica geometrije dragulja. Uobičajena slika prostora i vremena, kao i čestice koje se kreću u njima, je konstrukt.

“To je bolja formulacija koja vas navodi na razmišljanje o svemu na potpuno drugačiji način”, rekao je David Skinner, teoretski fizičar sa Sveučilišta Cambridge.

Sam amplituhedron ne opisuje gravitaciju. Ali Arkani-Hamed i njegovi suradnici misle da bi to mogao biti srodni geometrijski objekt. Njegova bi svojstva razjasnila zašto se čini da čestice postoje i zašto se čini da se kreću u tri dimenzije prostora i da se mijenjaju tijekom vremena.

Budući da “znamo da u konačnici trebamo pronaći teoriju koja nema “jedinstvo i lokalitet “, rekao je Bourjaily,” to je polazna točka u konačnom opisu kvantne teorije gravitacije. ”

Amplituhedron izgleda kao zamršen, višestruki dragulj u višim dimenzijama. Kodirani u svom volumenu su najosnovnije značajke stvarnosti koje se mogu izračunati, “amplitude raspršenja”, koje predstavljaju vjerojatnost da će se određeni skup čestica nakon sudara pretvoriti u određene druge čestice. Ovi brojevi su ono što fizičari čestica izračunavaju i testiraju na visoku preciznost na akceleratorima čestica kao što je Large Hadron Collider u Švicarskoj.

60-godišnja metoda za izračunavanje amplituda raspršenja – što je bila velika inovacija u to vrijeme – stvorena je od pionir fizičara Richarda Feynmana, dobitnika Nobelove nagrade. Skicirao je crteže svih načina na koje se može dogoditi proces rasipanja, a zatim sumirao vjerovatnoće različitih crteža. Najjednostavniji Feynman-ovi dijagrami izgledaju kao drveće: Čestice uključene u sudar dolaze zajedno kao korijeni, a čestice koje nastaju ispaljuju se kao grane. Komplikovaniji dijagrami imaju petlje, gde se čestice sudara pretvaraju u nevidljive „virtuelne čestice“ koje međusobno komuniciraju prije nego što se razbiju kao pravi konačni proizvodi. Postoje dijagrami sa jednom petljom, dvije petlje, tri petlje i tako dalje – sve baroknije iteracije procesa rasipanja koje postepeno doprinose njegovoj ukupnoj amplitudi. Virtuelne čestice se nikada ne posmatraju u prirodi, ali se smatraju matematički neophodnim za unitarnost – zahtjev da se vjerovatnoće saberu u jedan.

Za daljnje čitanje posjetite:

https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-geometry-underlying-particle-physics-20130917/

 520 total views,  2 views today

Arnes K.

Ja sam nastavnik i profesor fizike koji nastoji da ispuni rupe u svom i svačijem znanju kako bi svi bili bolje informisani i mogli da donosimo bolje odluke i živimo bolji život.

Šta vi mislite o ovom? Ostavite vaš komentar i podijelite mišljenje sa svima.

Sva Fizika
%d bloggers like this: