Открита е скрита връзка между два на пръв поглед несвързани резултата от сблъсък на частици. Това е най-новият пример за загадъчната мрежа от математически връзки между различни теории на физиката.
Когато физикът на елементарните частици Ланс Диксън (Lance Dixon) подготвял лекция миналата година, забелязва поразителна прилика между две формули, които планирал да включи в слайдовете си.
Формулите, наречени амплитуди на разсейване, дават вероятностите за възможните резултати от сблъсъците на частици. Едната от амплитудите на разсейване представяла вероятността две глуонни частици да се сблъскат и да произведат четири глуона, другата давала вероятността два глуона да се сблъскат и да произведат глуон и частица на Хигс.
"Малко се обърках, защото изглеждаха някак си сходни", разказва Диксън, който е професор в Станфордския университет, "а после разбрах, че числата в общи линии са едни и същи - просто [редът] е обърнат."
Той споделя наблюденията си със своите сътрудници. Тъй като не знаели причина двете амплитуди на разсейване да си съответстват, групата си помислила, че това може би е съвпадение. И започнали да изчисляват двете амплитуди при все по-високи нива на точност (колкото по-голяма е точността, толкова повече членове трябва да се сравняват). До края на разговора, след като изчислили хиляди членове, които продължавали да съвпадат, физиците били напълно сигурни, че са се натъкнали с нова двойственост - скрита връзка между две различни явления, която не може да бъде обяснена с настоящото ни разбиране за физиката.
Сега антиподната двойственост (дуалност), както я наричат изследователите, е потвърдена при високопрецизни изчисления, включващи 93 милиона члена. Макар че тази двойственост възниква в опростена теория за глуоните и други частици, която не описва напълно нашата Вселена, има улики, че подобна двойственост може да се прояви и в реалния свят. Изследователите се надяват, че изследването на странното откритие може да им помогне да направят нови връзки между привидно несвързани аспекти на физиката на частиците.
"Това е великолепно откритие, защото е напълно неочаквано", коментира Анастасия Волович (Anastasia Volovich), физик на елементарните частици в университета Браун, "и все още няма обяснение защо е така."
ДНК на разсейването на частиците
Диксън и екипът му откриват антиподната двойственост, като използват специален "код" за изчисляване на амплитудите на разсейване по-ефективно, отколкото биха могли с традиционните методи. Обикновено, за да се определи вероятността два високоенергийни глуона да се разсеят, за да се получат четири по-нискоенергийни глуона, например, трябва да се разгледат всички възможни пътища, които могат да доведат до този резултат. Знаете началото и края на историята (два глуона се превръщат в четири), но трябва да знаете и средата - включително всички частици, които могат временно да се появят и да изчезнат благодарение на квантовата неопределеност. Традиционно трябва да се събере вероятността за всяко възможно средно събитие, като се вземат едно по едно.
През 2010 г. четирима изследователи, сред които и Волович, заобикалят тези тромави изчисления и намират пряк път. Те разбират, че много от сложните изрази в едно амплитудно изчисление могат да бъдат премахнати, като се реорганизира всичко в нова структура. Шестте основни елемента на новата структура, наречени "букви", са променливи, представляващи комбинации от енергията и импулса на всяка частица. Шестте букви съставляват думи, а думите се комбинират, за да образуват членове във всяка амплитуда на разсейване.
Диксън сравнява тази нова схема с генетичния код, в който четири химически градивни елемента се комбинират, за да образуват гените в една верига на ДНК. Подобно на генетичния код, "ДНК на разсейването на частици", както той я нарича, има правила за това кои комбинации от думи са позволени. Някои от тези правила произтичат от известни физически или математически принципи, но други изглеждат произволни. Единственият начин да се открият някои от правилата е да се търсят скрити закономерности в дългите изчисления.
Веднъж открити, тези неразгадаеми правила помагат на физиците на елементарни частици да изчисляват амплитудите на разсейване с много по-висока точност, отколкото биха могли да постигнат с традиционния подход. Преструктурирането също така позволява на Диксън и неговите сътрудници да забележат скритата връзка между две на пръв поглед несвързани амплитуди на разсейване.
Антиподната карта
В основата на двойствеността е "картата на антиподите".
В най-общ смисъл антипод е нещо коренно противоположно (обратното), противоположни обекти. В географията това са противоположните точки на земното кълбо като Чили и Китай. В геометрията антиподната карта се получава като полярните координати на всяка точка от сфера спрямо центъра се обръщат със срещуположните.
При амплитудите на разсейване антиподната карта, която Диксън открива, е малко по-абстрактна. Тя обръща реда на буквите, използвани за изчисляване на амплитудата. Прилагайки тази антиподна карта към всички членове в амплитудата на разсейване за два глуона, които се превръщат в четири, (след проста промяна на променливите) се получава амплитудата за два глуона, които се превръщат в един глуон плюс Хигс.
По аналогия с ДНК на Диксън двойнствеността е като да прочетеш генетична последователност назад и да разбереш, че тя кодира напълно нов протеин, който не е свързан с този, кодиран от оригиналната последователност.
"Преди всички бяхме убедени, че антиподната карта е безполезна. ... Изглеждаше, че тя няма никакво физическо значение или че не прави нищо смислено", споделя Мат фон Хипел (Matt von Hippel), специалист по амплитудите в Института "Нилс Бор" в Копенхаген, който не е участвал в изследването. "А сега има тази напълно необяснима двойственост, която я използва, което е доста безумно".
Не съвсем като нашия свят
Сега има два големи въпроса. Първо, защо съществува двойствеността? И второ, ще се установи ли, че подобна връзка е валидна и в реалния свят?
17-те познати елементарни частици, от които се състои нашият свят, се подчиняват на набор от уравнения, наречени Стандартен модел на физиката на елементарните частици. Според Стандартния модел два глуона, частиците без маса, които слепват атомните ядра, лесно взаимодействат помежду си, за да удвоят собствения си брой, превръщайки се в четири глуона. За да се получи един глуон и една частица на Хигс обаче, сблъскващите се глуони трябва първо да се превърнат в кварк и антикварк; след това те се трансформират в глуон и Хигс чрез сила, различна от тази, която управлява взаимните взаимодействия на глуоните.
Тези два процеса на разсейване са толкова различни, като единият включва съвсем различен сектор на Стандартния модел, че двойствеността между тях би била много изненадваща.
Но антиподният дуализъм е неочакван дори и в опростения модел на физиката на елементарните частици, който Диксън и колегите му са изследвали. Техният модел-играчка управлява измислени глуони с допълнителни симетрии, които позволяват по-прецизни изчисления на амплитудите на разсейване. Дуализмът свързва процес на разсейване, включващ тези глуони, и такъв, който изисква външно взаимодействие с частици, описани от друга теория.
Диксън смята, че има много слаба представа за това откъде идва двойствеността.
Спомнете си онези необясними правила, открити от Волович и нейните колеги, които диктуват кои комбинации от думи са позволени в амплитудата на разсейване. Някои от правилата изглежда произволно ограничават кои букви могат да се появят една до друга в амплитудата от два глуона до глуон плюс Хигс. Но ако прехвърлим тези правила от другата страна на дуализма, те се превръщат в набор от добре установени правила, които осигуряват причинно-следствена връзка - гарантират, че взаимодействията между входящите частици се случват преди появата на изходящите частици.
За Диксън това е малък намек за по-дълбока физическа връзка между двете амплитуди и причина да се смята, че нещо подобно може да е налице и в Стандартния модел. "Но това е доста слабо", смята той. "Това е нещо като информация от втора ръка."
Вече са открити и други дуалности между различни физически явления. Съответствието анти-де Ситер (или съкратено - AdS - пространство) например, при което теоретичен свят без гравитация е дуален на свят с гравитация, подхранва хиляди научни статии от откриването му през 1997 г. насам. Но и тази двойственост съществува само за гравитационен свят с изкривена геометрия, различна от тази на реалната вселена (вж "Хуан Малдасена: Илюзията гравитация"). Все пак за много физици фактът, че множество дуалности почти съществуват в нашия свят, подсказва, че те може би очертават повърхността на една всеобхватна теоретична структура, в която се проявяват тези изненадващи връзки. "Мисля, че всички те са част от историята", споделя Диксън.
Източник: Particle Physicists Puzzle Over a New Duality, Quanta magazine
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари