Популярная наука

Что такое элементарная частица?

ученица

К идее элементарных частиц можно подойти с удивительно разных точек зрения. Они варьируются от его определения в терминах возбуждения поля до чисто математического подхода, основанного на группах симметрии.
В последние годы два направления исследований начали менять образ мышления об основных составляющих Вселенной. Один из них начинается с образа природы, основанного исключительно на кубитах и ​​квантовой информации.
Другой основан на единственном, что реально можно измерить с помощью экспериментов: вероятности того, что частицы будут так или иначе взаимодействовать. Такие вероятности, кажется, имеют основную структуру, которую физики пытаются разгадать.
Поскольку все во Вселенной сводится к элементарным частицам, возникает естественный вопрос: что это такое? Простой ответ быстро окажется неудовлетворительным. Предполагается, что электроны, фотоны, кварки и другие «фундаментальные» частицы не имеют внутренней структуры или физического расширения. По словам Мэри К. Гайлард, физика элементарных частиц из Калифорнийского университета в Беркли, которая предсказала массу двух типов кварков в 1970-х, «мы в основном думаем о частице как о точечном объекте». Однако частицы различаются по таким характеристикам, как заряд или масса. Как такое возможно, что безразмерная точка «весит»?
«Мы говорим, что они фундаментальны, - говорит Сяо-Ган Вэнь, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, - но это всего лишь способ сказать студентам:« Не спрашивайте! Я не знаю ответ. Это необходимо и готово, больше не спрашивайте ».».
Если бы это был какой-либо другой объект, его свойства зависели бы от его физической структуры и, в конечном итоге, от составляющих его частиц. Но свойства элементарных частиц вытекают не из других составляющих, а из их математической структуры. Формируя точку соприкосновения математики и реальности, частицы охватывают оба мира в своего рода неопределенном равновесии.
Когда мы спрашивали различных физиков о частицах, что такое частица, ответы оказались на удивление разнообразными. Все они подчеркивают, что разные точки зрения не исключают друг друга, а скорее отражают разные грани истины. Они также описали два новых направления исследований, которые пытаются предоставить более полное и удовлетворительное изображение частиц.

Свернутая волновая функция

Свернутая волновая функция

Попытка понять основные составляющие природы восходит к Древней Греции и утверждениям Демокрита о существовании таких объектов. Два тысячелетия спустя Исаак Ньютон и Христиан Гюйгенс обсуждали, состоит ли свет из частиц или волн. Примерно 250 лет спустя квантовая механика доказала, что оба мудреца были правы: свет состоит из небольших пакетов энергии, называемых фотонами, которые могут вести себя как волны или как частицы.
Двойственность волна-частица оказалась признаком большой редкости. В 1920-х годах квантовая механика показала, что фотоны и другие квантовые объекты лучше всего описываются в терминах абстрактных «волновых функций»: зависящих от времени математических сущностей, которые кодируют вероятность того, что частица проявляет определенные свойства или другие. Например, волновая функция электрона может быть рассеяна в пространстве, с которым у него будет несколько возможных местоположений, связанных с ним. Но странно то, что, когда мы используем детектор и измеряем его положение, волновая функция внезапно «схлопывается» в одной точке, и устройство регистрирует частицу там.
Следовательно, частица представляет собой сжатую волновую функцию. Но что это значит? Почему наблюдение вызывает коллапс расширенной функции и появление отдельной частицы? От чего зависит результат измерения? Спустя почти столетие физики все еще не имеют представления.

Возбуждение квантового поля

Возбуждение квантового поля

Вскоре образ стал еще более странным. В 1930-х годах физики осознали, что волновая функция большого количества фотонов в совокупности ведет себя как единая волна, которая распространяется как комбинация электрического и магнитного полей. Это не что иное, как изображение света, обнаруженное в 19 веке Джеймсом Клерком Максвеллом. Но исследователи обнаружили, что можно «квантовать» классическую теорию поля, установив, что поля могут колебаться только в дискретных величинах, известных как кванты поля. Помимо фотонов (квантов света) Поль Дирак и другие физики обнаружили, что эту идею можно распространить на электроны и все остальное. Согласно квантовой теории поля, частицы - это возбуждения квантовых полей, заполняющих пространство.
Утверждая существование таких более фундаментальных полей, квантовая теория поля понизила статус частиц, которые стали всего лишь фрагментами энергии, возбуждающими квантовые поля. Но, несмотря на этот онтологический багаж вездесущих полей, квантовая теория поля в конечном итоге стала языком физики элементарных частиц, поскольку она позволяла предсказать поведение частиц с чрезвычайной точностью, когда они взаимодействуют друг с другом. Именно такие взаимодействия строят мир на базовом уровне.
По мере того как было обнаружено все больше частиц и связанных с ними полей, начала развиваться параллельная перспектива. Свойства частиц и полей, казалось, следовали числовым принципам. И, расширив их, физики смогли предсказать существование новых частиц. «Когда мы математически кодируем наблюдаемые закономерности, эта математика становится предсказательной», - объясняет Хелен Куинн, физик элементарных частиц и заслуженный исследователь из Стэнфорда. В то же время эти математические модели предлагали более абстрактную и потенциально более глубокую перспективу истинной природы частиц.

Представление группы

Представление группы

Марк Ван Рамсдонк вспоминает, как начал свой первый курс квантовой теории поля в докторантуре Принстонского университета. Учитель вошел, посмотрел на учеников и спросил: «Что такое частица?» «Неприводимое представление группы Пуанкаре», - ответил дальновидный одноклассник. Предполагая, что это, казалось бы, правильное определение было известно остальным студентам, профессор отказался от дальнейших объяснений и начал непостижимую серию лекций. «Я ничего не изучал на этом курсе весь семестр», - говорит Ван Рамсдонк, ныне уважаемый физик-теоретик из Университета Британской Колумбии.
Проницательный ответ этого студента является стандартом среди экспертов: частицы - это «репрезентации» групп симметрий, которые, в свою очередь, представляют собой наборы преобразований, которые можно применять к объектам. Рассмотрим равносторонний треугольник. Если мы повернем его на 120 градусов, 240 градусов, мы отразим его относительно линии, соединяющей каждую вершину с центральной точкой противоположной стороны, или, попросту, ничего не сделаем, получившийся треугольник будет идентичен начальному. Эти шесть симметрий образуют группу. Эта группа может быть выражена как набор матриц: таблиц чисел, которые при умножении на координаты равностороннего треугольника возвращают те же координаты. Набор, образованный этими матрицами, составляет «представление» группы симметрии.
Точно так же электроны, фотоны и другие элементарные частицы являются объектами, которые остаются практически такими же, когда на них действует определенная группа. В частности, частицы являются представлениями так называемой группы Пуанкаре: группы, которая диктует десять возможных способов движения в пространственно-временном континууме. Объект может двигаться во всех трех направлениях в пространстве и во времени; он также может вращаться в трех направлениях пространства и двигаться по ним с постоянной скоростью. В 1939 году физик-математик Юджин Вигнер определил частицы как простейшие объекты, которые могут перемещаться, вращаться или перемещаться.
На самом деле Вигнер знал, как увидеть, что для того, чтобы объект мог правильно изменяться при этих десяти преобразованиях группы Пуанкаре, он должен иметь минимальный набор свойств. Это свойства, определяющие частицы. Один из них - энергия: по сути, это не что иное, как количество, которое остается постоянным, когда объект движется во времени. Точно так же импульс - это свойство, которое сохраняется, когда объект движется в пространстве.
Существует третье свойство, которое необходимо указать, чтобы знать, как частицы трансформируются, когда пространственные вращения сочетаются с движениями в трехмерном пространстве (оба типа преобразований вызывают вращения в пространстве-времени). Это свойство и есть спин. Когда Вигнер выполнял свою работу, физики уже знали, что частицы имеют спин, своего рода собственный угловой момент, который определяет многие аспекты поведения частицы, включая то, действует ли она как материя (например, электроны) или как сила. фотоны). Вигнер показал, что в глубине души «спин - это не что иное, как ярлык для частиц, потому что в мире существует вращение», - объясняет Нима Аркани-Хамед, физик-теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне.
Различные представления группы Пуанкаре соответствуют частицам с разным числом «спиновых меток» или степеней свободы, на которые влияет вращение. Например, есть частицы с тремя степенями свободы спина, которые вращаются так же, как трехмерные объекты, с которыми мы знакомы. Со своей стороны, все частицы материи имеют две степени свободы спина, которые мы можем назвать «вращение вверх» и «вращение вниз». Эти частицы вращаются по-разному. Когда мы поворачиваем электрон на 360 градусов, его спиновое состояние меняется на противоположное. В качестве визуальной аналогии мы можем подумать о том, что происходит со стрелкой, движущейся по ленте Мебиуса: после одного поворота стрелка в конечном итоге будет указывать в направлении, противоположном начальному направлению. В природе также существуют элементарные частицы с одной и с пятью спиновыми метками. На данный момент кажется, что не хватает только представления группы Пуанкаре с четырьмя спиновыми метками.
Соответствие между элементарными частицами и представлениями настолько прямое, что некоторые физики, такие как профессор Ван Рамсдонк, идентифицируют их. Другие видят в этом смесь понятий. «Представление - это не частица; это способ описания определенных свойств частицы », - говорит Шелдон Л. Глэшоу, лауреат Нобелевской премии 1979 года по физике и почетный профессор Гарвардского и Бостонского университетов. «Давайте не будем путать их», - предупреждает он.

Многослойные объекты

Многослойные объекты

Независимо от того, есть ли различие или нет, взаимосвязь между физикой элементарных частиц и теорией групп стала богаче на протяжении двадцатого века. Различные открытия показали, что элементарные частицы не просто имеют минимальный набор меток, необходимых для навигации в пространстве-времени. Также на них есть дополнительные и несколько лишние надписи.
Две частицы с одинаковой энергией, импульсом и спином будут вести себя одинаково при десяти преобразованиях группы Пуанкаре. Однако они могут отличаться по другим параметрам, например по электрическому заряду. Когда в середине двадцатого века то, что Куинн называет "зоопарком частиц"», Между ними наблюдалось несколько различий, что вынудило введение новых этикеток. Они известны под прозвищами «цвет» и «аромат». Подобно тому, как частицы представляют собой группу Пуанкаре, теоретики пришли к выводу, что эти дополнительные свойства отражают новые способы преобразования частиц. Но вместо того, чтобы соответствовать движениям в пространстве-времени, такие преобразования оказываются более абстрактными. Так сказать, они меняют «внутренние состояния» частиц.
Рассмотрим свойство с именем "цвет". В 1960-х годах физики пришли к выводу, что кварки, элементарные составляющие атомного ядра, существуют в вероятностной комбинации трех возможных состояний, которые они назвали «красным», «зеленым» и «синим». Эти квалификаторы не имеют никакого отношения к реальным цветам или любому другому воспринимаемому свойству. Единственное, что имеет значение, - это количество меток: кварки, у которых их три, являются представлениями группы преобразований, называемой SU (3), которая состоит из бесконечных способов математического смешивания этих трех меток.
В то время как цветные частицы представляют собой группы симметрии SU (3), частицы с внутренними свойствами вкуса и электрического заряда представляют собой группы симметрии SU (2) и U (1). Вот почему часто говорят, что стандартная модель физики элементарных частиц, квантовая теория поля, которая описывает все известные элементарные частицы и их взаимодействия, соответствует группе симметрии SU (3) × SU (2) × U(1), который состоит из всех возможных комбинаций операций симметрии на трех подгруппах (то, что частицы также преобразуются под действием группы Пуанкаре, вероятно, настолько очевидно, что на данный момент никто, кажется, не чувствует необходимости упоминать об этом).
Спустя полвека после ее разработки стандартная модель все еще действует. Тем не менее, это неполное описание Вселенной. Он не включает гравитацию, взаимодействие, которое квантовая теория поля не может полностью рассмотреть и которое общая теория относительности Эйнштейна независимо описывает как эффект кривизны пространства-времени. Кроме того, трехчастная структура SU (3) × SU (2) × U (1) стандартной модели вызывает вопросы. Димитри Нанопулос, ветеран физики элементарных частиц из Техасского университета A&M, говорит об этом так: «Откуда, черт возьми, все это происходит? Что ж, предположим, это работает. Но что это? Не может быть трех групп. Я имею в виду, что «Бог» в кавычках может сделать намного лучше».

Вибрирующие струны

Вибрирующие струны

В 1970-х годах Глэшоу, Нанопулос и другие исследователи попытались вписать группу SU (3) × SU (2) × U (1) в более крупную группу преобразований. Идея заключалась в том, что при возникновении Вселенной все частицы должны были быть представлениями одной группы симметрии, и что все стало усложняться, когда эта первичная симметрия была нарушена. Наиболее естественным кандидатом для формулирования этой «теории великого объединения» была группа SU (5), но эксперименты вскоре исключили этот вариант. Однако остаются открытыми другие, менее привлекательные возможности.
Исследователи возлагают большие надежды на теорию струн. Это часть идеи о том, что если мы достаточно увеличим частицу, то увидим не точечный объект, а небольшую вибрирующую нить. Мы также обнаружим, что у пространства есть еще шесть измерений, которые, согласно теории струн, будут свертываться сами по себе в каждой точке нашего хорошо известного четырехмерного пространства-времени. В свою очередь, геометрия этих шести измерений определяет свойства струн, а вместе с ними и свойства макроскопического мира. И «внутренние» симметрии частиц, такие как операции SU(3), которые изменяют цвет кварков, таким образом приобретая физический смысл: они соответствуют вращению в этих крошечных пространственных измерениях, подобно тому, как спин отражает вращения в макроскопических измерениях. Согласно Нанопулосу, «геометрия дает нам симметрию, а это, в свою очередь, дает нам частицы; все идет вместе ».
Однако, если существуют струны или дополнительные измерения, они будут слишком малы, чтобы их можно было обнаружить в экспериментах, поэтому при их отсутствии возникли другие идеи. За последнее десятилетие самые яркие умы в области фундаментальной физики привлекли две стратегии. И снова оба оживили изображение частиц.

Искажение в океане кубитов

Искажение в океане кубитов

Первое из этих направлений исследований следует за лозунгом на английском языке it from qubit , который выражает гипотезу о том, что все, что существует во Вселенной ( это«То», которое включает не только частицы, но и пространство-время, в которое они встроены) возникает из квантовых битов информации или кубитов. Кубит представляет собой вероятностную комбинацию двух состояний, обычно обозначаемых 0 и 1. И хотя они могут храниться в физических системах, как обычные биты в транзисторах, с более абстрактной точки зрения их можно рассматривать как простую информацию... Когда мы рассматриваем несколько кубитов, их возможные состояния могут быть запутанными, так что каждый из них зависит от всех остальных. Благодаря этим особенностям небольшое количество кубитов может кодировать большой объем информации.
Чтобы понять, чему соответствуют частицы в этой картине Вселенной, мы должны сначала понять пространство-время. В 2010 году Ван Рамсдонк написал влиятельную статью, в которой он обрисовал черным по белому то, что уже было указано различными вычислениями, и где он утверждал, что взаимосвязанные кубиты могут быть «швами», скрепляющими ткань пространства-времени. На протяжении десятилетий различные расчеты, мысленные эксперименты и простые примеры показали, что пространство-время обладает «голографическими» свойствами: вся информация, содержащаяся в области пространства-времени, может быть закодирована в степенях свободы, расположенных в пространстве на одно измерение меньше; пространство, которое часто является границей рассматриваемого региона [ см. «Космос, иллюзия? », Хуан Малдасена; Research and Science , январь 2006 г.]. По словам Ван Рамсдонка, «за последние десять лет мы стали лучше понимать, как работает эта кодировка».
Что наиболее удивительно и увлекательно в голографических отношениях, так это то, что пространство-время имеет кривизну, потому что включает в себя гравитацию; однако пространство наименьшей размерности, которое кодирует информацию изогнутой области, является чисто квантовой системой, в которой отсутствует кривизна, гравитация или даже геометрия. Его можно понимать как систему запутанных кубитов. И согласно этой исследовательской программе, свойства пространства-времени - его устойчивость и симметрия - по сути, происходят из того, как эти нули и единицы переплетаются. Таким образом, долгие поиски квантового описания гравитации можно было бы свести к проблеме определения типа запутанности между кубитами, которая кодирует конкретный вид пространства-времени, которое мы находим во Вселенной.
К настоящему времени физики узнали гораздо больше о том, как эта идея работает в «игрушечных вселенных» с отрицательной кривизной, с которыми относительно легко работать. С другой стороны, наш мир имеет положительную кривизну. Но, к своему удивлению, исследователи обнаружили, что всякий раз, когда отрицательно искривленное пространство-время допускает голографическое описание, в конечном итоге появляются частицы. То есть, всякий раз, когда система кубитов голографически кодирует область пространства-времени, между кубитами будут возникать паттерны сцепления, которые будут соответствовать локализованным порциям энергии, плавающим в этом мире с еще одним измерением.
Важно то, что при переводе алгебраических операций над кубитами на язык пространства-времени «они ведут себя точно так же, как вращение, действующее на частицы», - объясняет Ван Рамсдонк. «Вы понимаете, что это закодированное изображение существует в квантовой системе без гравитации. И каким-то образом этот код - если мы можем его расшифровать - говорит нам, что частицы есть в каком-то другом пространстве », - добавляет он. Тот факт, что голографическое пространство-время всегда содержит эти состояния частиц, является «одной из наиболее важных характеристик, отличающих эти голографические системы от других квантовых систем», - продолжает Ван Рамсдонк. «Я не думаю, что кто-то действительно понимает, почему голографические модели демонстрируют это свойство».
Заманчиво представить себе, что кубиты имеют какое-то пространственное расположение, которое создает голографическую вселенную, точно так же, как обычная голограмма проецируется из пространственных конфигураций. Однако отношения и взаимозависимости между кубитами могут быть гораздо более абстрактными и не иметь пространственного упорядочения. «Необязательно говорить об этих нулях и единицах, как будто они живут в определенном пространстве», - говорит Нетта Энгельхардт, физик из Массачусетского технологического института, которая в 2020 году получила одну из наград за прорыв за свою работу над квантовой информацией, содержащейся в ней. в черной дыре [ см « самый известный Paradox подходит к концу физики в » Джордже Массер; Исследования и наука, Февраль 2021 г.]. «Мы можем говорить об абстрактном существовании нулей и единиц и о том, как оператор будет действовать с ними. И все это не более чем абстрактные математические отношения », - поясняет он.
Несомненно, многое еще предстоит понять. Но если эта основанная на кубитах картина природы верна, тогда частицы будут голограммами, как и само пространство-время. Его правильное определение было бы в терминах кубитов.

Какие детекторы измеряют

Какие детекторы измеряют

Наконец, еще одна группа исследователей, называющих себя « амплитудаологами». Они пытаются вернуть фокус внимания на сами частицы. Его аргумент состоит в том, что квантовая теория поля, язык физики элементарных частиц, рассказывает слишком запутанную историю. Физики используют его для получения определенных основных формул, называемых амплитудами рассеяния, которые являются одними из самых основных характеристик реальности, которые можно вычислить. Когда частицы сталкиваются, амплитуды показывают, как они трансформируются и рассеиваются. А поскольку мир возникает в результате взаимодействия между частицами, физики проверяют свое описание природы, сравнивая вычисленные ими амплитуды рассеяния с результатами экспериментов, например, проведенных на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе.
Как правило, вычисление этих амплитуд требует учета всех возможных способов, которыми рябь квантовых полей может отражаться, прежде чем стать стабильными частицами, которые выйдут из точки, где произошло столкновение. И что интересно, сотни и сотни страниц расчетов часто в конечном итоге сводятся к формуле, которая умещается в одной строке. Поэтому амплитудологи утверждают, что представление в терминах квантовых полей затемняет гораздо более простой математический паттерн. Аркани-Хамед, один из руководителей этой исследовательской программы, называет эти области «удобной выдумкой». «В физике мы очень часто делаем ошибку, воплощая формализм», - говорит он. «Мы начинаем с того, что говорим о том, что реально существуют квантовые поля, а частицы - возбуждения. Речь идет о виртуальных частицах. Но ни один из этих детекторов не срабатывает ".
Амплидологи считают, что существует более правдивая и математически более простая картина взаимодействия между частицами. В некоторых случаях они обнаруживают, что подход Вигнера, основанный на теории групп, также может быть распространен на взаимодействия, без тарабарщины, которую часто включают в себя квантовые поля. Лэнс Дж. Диксон, ведущий специалист по амплитуде из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC), объясняет, что теоретики использовали вращения Пуанкаре, изученные Вигнером, для непосредственного получения «трехточечной амплитуды», формулы, описывающей способ, которым частица может распасться на две части. Они также показали, что эту амплитуду в трех точках можно использовать в качестве основного элемента для построения амплитуд в четырех и более точках, которые соответствуют большему количеству частиц.
Для Диксона самым захватывающим моментом является то, что амплитуды рассеяния гравитонов (гипотетических частиц, передающих гравитацию) оказываются квадратом амплитуд, связанных с глюонами (передатчиками сильного ядерного взаимодействия). Мы связываем гравитацию со структурой пространства-времени, в то время как глюоны распространяются в нем. Несмотря на это, кажется, что оба они происходят из одной и той же симметрии. Это что-то очень странное. Конечно, мы до сих пор не понимаем во всех количественных деталях, почему эти два представления настолько разные », - говорит Диксон.
Со своей стороны, Аркани-Хамед и его сотрудники нашли новые математические основы для непосредственного получения результатов. Один из них - « амплитуэдр », геометрический объект, кодирующий амплитуды рассеяния частиц. Это оставляет картину того, что частицы сталкиваются в пространстве-времени по цепочке причин и следствий. «Мы ищем в платоническом мире идей эти объекты, которые автоматически придают нам причинные свойства», - говорит Аркани-Хамед. Тогда мы можем сказать: «Ага! теперь я понимаю, почему этот образ можно интерпретировать как эволюцию ».
Направление исследований, основанное на кубитах, и амплитудная теория подходят к важным вопросам настолько по-разному, что трудно понять, дополняют ли они друг друга или противоречат друг другу. «В конечном счете, квантовая гравитация имеет некоторую математическую структуру, которую мы пока только царапаем», - говорит Энгельхардт. В конечном итоге, добавляет она, потребуется квантовая теория гравитации и пространства-времени, чтобы понять фундаментальные элементы Вселенной в самых основных масштабах - более сложная версия вопроса о том, что такое частица. Энгельгардт признает, что на данный момент «краткий ответ -«мы не знаем ».

 

Эта статья изначально появилась на QuantaMagazine.org , независимом издании, продвигаемом Фондом Саймонса с целью улучшения понимания науки общественностью.