未解決の宇宙の謎と比較して、過去半世紀にわたって物理学で結晶化された最も深遠な事実の 1 つについて語られることはほとんどありません。違う。アムステルダム大学の理論物理学者であるダニエル・バウマンは、「私たちが持っている物理法則には自由がありません」と述べています。
1960 年代以降、そして過去 10 年間でますます増加しているバウマンのような物理学者は、「ブートストラップ」として知られる手法を使用して、自然の法則がどうあるべきかを推測してきました。このアプローチは、法律が本質的に相互の一貫性を通じて相互に指示し合うことを前提としています。つまり、自然は「独自のブートストラップによって自分自身を引き上げる」ということです。このアイデアは、宇宙について膨大な量を説明することが判明しました.
ブートストラップの際、物理学者は、さまざまな量の「スピン」または固有の角運動量を持つ素粒子がどのように一貫して振る舞うかを決定します。これを行うことで、宇宙を形成する既知の力の基本的な形を再発見します。最も印象的なのは、2 つのスピン単位を持つ粒子の場合です。ノーベル賞受賞者のスティーブン ワインバーグが 1964 年に示したように、スピン 2 粒子の存在は必然的に一般相対性理論 (アルバート アインシュタインの重力理論) につながります。アインシュタインは、落下するエレベーターとゆがんだ空間と時間についての抽象的な考えを通じて一般相対性理論に到達しましたが、その理論は、基本的な粒子の数学的に一貫した動作からも直接導かれます。
ワインバーグの証明の近代化と一般化に貢献した CEA サクレーの理論物理学研究所の理論物理学者であるローレンティウ ロディナは、次のように述べています。 2014 年。「つまり、その性質は何よりも一貫性があります。」
ブートストラップの仕組み
粒子のスピンは、その根底にある対称性、または変化しないように変換できる方法を反映しています。たとえば、スピン 1 粒子は、完全に 1 回転した後、同じ状態に戻ります。スピン $latex \frac{1}{2}$ 粒子が同じ状態に戻るには、完全に 2 回転する必要がありますが、スピン 2 粒子は半回転しただけで同じように見えます。素粒子は、0、$latex \frac{1}{2}$、1、$latex \frac{3}{2}$ または 2 単位のスピンしか運ぶことができません。
与えられたスピンの粒子にどのような振る舞いが可能なのかを理解するために、ブートストラッパーは、2 つの粒子が消滅して 3 番目の粒子が生成されるなど、単純な粒子相互作用を考慮します。粒子のスピンは、これらの相互作用に制約を課します。たとえば、スピン 2 粒子の相互作用は、関与するすべての粒子が 180 度回転しても同じままでなければなりません。これは、そのような半回転では対称であるためです。
相互作用は、他のいくつかの基本的な規則に従わなければなりません。運動量は保存する必要があります。相互作用は局所性を尊重する必要があります。これは、粒子が空間と時間で出会うことによって散乱することを指示します。そして、起こり得るすべての結果の確率は、合計が 1 になる必要があります。これは、ユニタリティとして知られる原則です。これらの一貫性の条件は、粒子の相互作用が満たさなければならない代数方程式に変換されます。特定の相互作用に対応する方程式に解がある場合、これらの解は自然界で実現される傾向があります。
たとえば、光と電磁気の質量のないスピン 1 粒子である光子の場合を考えてみましょう。このような粒子の場合、4 つの粒子の相互作用 (おそらく衝突と散乱の後に 2 つの粒子が入って 2 つが出てくる) を表す方程式には、実行可能な解決策がありません。したがって、光子はこのように相互作用しません。 「これが、光波が互いに散乱せず、巨視的な距離で見ることができる理由です」とバウマンは説明しました。ただし、光子は、spin-$latex \frac{1}{2}$ 電子など、他の種類の粒子が関与する相互作用に参加できます。光子の相互作用に対するこれらの制約は、マクスウェルの方程式、154 年前の電磁気学の理論につながります。
あるいは、原子核同士を結びつける強い力を伝える粒子であるグルオンを考えてみましょう。グルオンも質量のないスピン 1 粒子ですが、同じ質量のないスピン 1 粒子が複数種類ある場合を表しています。光子とは異なり、グルオンは 4 粒子相互作用方程式を満たすことができます。つまり、自己相互作用します。これらのグルオンの自己相互作用に対する制約は、強い力の理論である量子色力学によって与えられる説明と一致します。
3 番目のシナリオには、質量を持つスピン 1 粒子が含まれます。質量は、宇宙の誕生時に対称性が破られたときに発生しました。定数 — 遍在するヒッグス場の値 — が自発的にゼロから正の数にシフトし、多くの粒子に質量が吹き込まれました。ヒッグス対称性の破れにより、放射性崩壊の原因となる弱い力のキャリアである W ボソンと Z ボソンと呼ばれる大規模なスピン 1 粒子が作成されました。
フランスのオルセーにある理論物理学研究所の理論物理学者 Adam Falkowski は次のように述べています。この場合、4 粒子相互作用方程式の解は、最初は無限大に悩まされているように見えます。しかし、物理学者は、この相互作用が 3 つの異なる方法で進行する可能性があり、3 つの異なるオプションに関連する数学用語が完全に共謀して無限大を打ち消し、解決を可能にすることを発見しました。
その解決策がグラビトンです。スピン 2 粒子は、それ自体と他のすべての粒子に等しい強度で結合します。この公平性は、一般相対性理論の中心的な教義に直接つながります。等価原理、アインシュタインの仮説である、重力は曲がった時空を通過する加速度と区別できず、重力質量と固有質量は同じものです。 Falkowski は、ブートストラップ アプローチについて次のように述べています。
このように、基本的な対称性によって基本的な粒子相互作用に課される制約を考えることによって、物理学者は、原子を形成する強い力と弱い力、および宇宙全体を形作る電磁気力と重力の力の存在を理解することができます。
さらに、ブートストラッパーは、多くの異なるスピン 0 粒子が可能であることを発見しました。唯一知られている例は、他の粒子に質量を吹き込む対称性を破るヒッグス場に関連する粒子であるヒッグス粒子です。インフレトンと呼ばれる仮説上のスピン 0 粒子が、宇宙の初期膨張を引き起こした可能性があります。これらの粒子の角運動量の欠如は、相互作用を制限する対称性が少ないことを意味します。このため、ブートストラッパーは自然の支配法則についてあまり推測できず、自然自体がより創造的なライセンスを持っています。
Spin-$latex \frac{1}{2}$ 物質粒子も自由度が高くなります。これらは私たちが物質と呼ぶ大質量粒子のファミリーを構成し、それらは質量とさまざまな力への結合によって個別に区別されます。私たちの宇宙には、たとえば、グルーオンと光子の両方と相互作用する spin-$latex \frac{1}{2}$ クォークと、どちらとも相互作用しない spin-$latex \frac{1}{2}$ ニュートリノが含まれています。
スピン スペクトルは 2 で停止します。これは、4 粒子相互作用方程式の無限大によって、より高いスピン値を持つ質量のない粒子がすべて消滅するためです。極度に質量が大きい場合、より高いスピン状態が存在する可能性があり、そのような粒子は弦理論などの重力の量子理論で役割を果たします。しかし、より高いスピンの粒子は検出できず、巨視的な世界に影響を与えることはできません.
未知の国
Spin-$latex \frac{3}{2}$ 粒子は 0, $latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, 2 パターンを完成できますが、宇宙で「超対称性」が真である場合、つまり、整数スピンを持つすべての力粒子に、半整数スピンを持つ対応する物質粒子がある場合。近年の実験では、超対称性の最も単純なバージョンの多くが除外されています。しかし、スピン スペクトルのギャップは、超対称性が真実で、スピン $latex \frac{3}{2}$ 粒子が存在するという希望を持ち続ける理由として、一部の物理学者を驚かせます。
彼の作品では、バウマンはブートストラップを宇宙の始まりに適用しています。最近の Quanta 記事では、彼と他の物理学者がどのように対称性やその他の原理を使用して、最初の瞬間の可能性を制限したかを説明しました.
Baumann 氏は、「法則が不可避であるということは美的に喜ばしい」と述べ、「物理法則には必然性があり、それをほんの一握りの原則によって要約することができ、それが構築ブロックにつながり、巨視的な世界を構築する」と述べた。 .」
訂正: 2019 年 12 月 16 日
この話の元のバージョンでは、ブートストラップ法を使用する物理学者は、自然の 4 つの力を「再発見」または「再導出」できると述べていました。言い回しは、彼らがそれらの力の詳細について完全な知識を得ることができ、それらが許可されている唯一のものであることを暗示していました.代わりに、ブートストラップ法は可能な力に強い制約を課します。質量のないスピン 1 粒子とスピン 2 粒子の場合、ブートストラップはそれぞれ電磁気学と一般相対性理論につながります。大規模なスピン 0、大規模なスピン 1 粒子、および同じタイプの複数の質量のないスピン 1 粒子の場合、ブートストラップは相互作用の性質に対してより緩い制約を課しますが、ヒッグス場、弱い力、および強い力が出現します。可能性として。それに応じて、記事のテキストとサブタイトルが改訂されました。
