《连线》:量子物理深处的宝石

译者: XMJiangNan | 发布: | 发布时间:2014-07-21,星期一 | 阅读:2,083
原文:Scientists Discover a Jewel at the Heart of Quantum Physics – Wired Science
原作者:Simons Science News

制图: Rick Leche/Flickr

本周物理学家宣布他们发现了一个宝石状的几何结构,能够极大简化粒子间相互作用的计算,并动摇了时空作为真实世界基本构造的基石。

Andrew Hodges,牛津大学数学物理学家,一直关注这项工作并如此评价:“这项工作是全新的,并且较之前的工作有极大的简化。”

自然界最基本的粒子相互作用是几何效应,这是数十年来量子场论重建的重大进展。量子场论描述基本粒子及其相互作用。之前要用成千上万项的方程计算的相互作用,如今只要计算相应的宝石状几何结构“amplituhedron”的体积就行,其表达式仅有一项。

“不可思议的简化”,Jacob Bourjaily如是说。他是哈佛大学的理论物理学家,并且是两篇做出该发现论文的第一篇的作者之一。“你现在可以在纸上手算,而之前用计算机都算不动。”

这 种量子场论的几何观也能极大促进量子重力理论的发展,以期将宇宙的最大及最小的图景无缝拼接。之前试图将重力与量子物理结合的努力都碰到了无意义的无穷大 和深刻的悖论。而如今的“amplituhedron”抑或类似的几何结构有希望解决困难,因为其移除了深深烙在物理学中两条原则:定域性和幺正性。

“两者都是根深蒂固的思想,但都很可疑”,Nima Arkani-Hamed说道。他是普林斯顿高等研究院教授,并是这两篇新论文的第一作者,这两篇论文分别于去年十二月和上周投往物理学预印网站 arXiv.org。

Nima Arkani-Hamed, 普林斯顿高等学术研究所教授,以及他之前的学生、共同作者Jaroslav Trnka。后者于七月博士毕业于普林斯顿,如今是加州理工大学的博士后。

定域性是指粒子只能与相邻时空的粒子作用;幺正性指出量子力学作用的所有可能结果的概率之和为1。这是量子场理论的支柱,但当包括重力时,二者都不能满足,这预示着它们都不是自然界的根本。

基于此,在粒子相互作用的几何学方法中,其最初假定就不包含定域性和幺正性。“amplituhedron”并不构建在时空和概率之上:它们都只是这种宝石几何学的结果。通常意义上的时空及粒子景象都是一种几何构造。

剑桥大学的理论物理学家David Skinner评论道,“这是种更佳的数学表述,它让你用全新的方式思考。”

“amplituhedron”本身不描述重力,但是Arkani-Hamed及其合作者认为,也许存在相关的几何结构能表述重力,其性质将决定为何粒子存在,并解释粒子在三维空间中的运动及随时间演化。

Bourjaily称,因为“我们知道最终必须有一种理论不包含”幺正性和定域性,“这将是建立终极的量子重力理论的开端”。

笨拙的机器

“amplituhedron”在高维下就像复杂的多面宝石,其体积代表了自然界所能被计算的最基本特征,“散射振幅”,表征特定粒子通过碰撞转化为其他特定种类粒子的可能性。粒子物理学家计算这些数,并通过粒子加速器(如瑞士的大型强子对撞机)进行高精度的验证。

20世纪的物理学巨匠,理查德·费曼(Richard Feynman)。他发明一种方式,通过画出所有可能途径,来计算粒子相互作用的概率。2005年一套纪念费曼的邮票上有“费曼图”的例子。美国邮政局。

60年前,作为那个时代的重大成果,诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼开创了计算散射振幅的方法。他将散射过程所有可能途径画成线图,并将不同路径的概率加和。最简单的费曼图看上去像树一般:碰撞的粒子像根一样汇集,生成的粒子像枝条一样射出。更复杂的图谱有环,碰撞粒子在“长出”新的真实粒子“枝条”之前,会先变成不可见的“虚粒子”并相互作用。有的图有一个环,有的有两个,三个,如此等等——散射过程这种怪异的迭代过程越多,其对总的散射振幅的贡献就越小。虚粒子不可观测,但对于数学上的幺正性,即总概率为1,是必要的。

Bourjaily 说道,“费曼图的数目太多了,哪怕计算非常简单的过程也必须用计算机进行”。一个看上去简单的事件,例如两个亚原子粒子(胶子)碰撞生成四个更低能量的胶 子(这在大型强子对撞机里每秒发生数十亿次),包含220个费曼图,最终计算散射振幅需要成千上万项。

到了1986年,人们已经明晰地认识到,费曼图的方法对该问题的处理过于复杂。

为了在德克萨斯州建超导超级对撞机(该项目于1993年取消),理论学家们想要计算各种已知粒子相互作用的散射振幅,以作为想要研究的新信号凸显出来的背景。但即便2胶子变为4胶子的过程都如此复杂,以致一组物理学家在1984年写到,“这在可预见的将来都无法估算。”

Stephen Parke和Tommy Taylor,伊利诺伊州的费米国立加速器实验室的理论研究者,决定直面这一挑战。通过运用一些数学技巧,他们成功将2胶子向4胶子转化的振幅计算从几十 亿项简化为9页纸的公式,这用80年代的超级计算机就能处理。然后,基于他们在其他胶子作用的散射振幅中观察到的一种模式,他们猜测了散射振幅的只含一项 的简单表达式(Phys Rev L, 1986)。计算机验证了其等效于9页纸的表达式。换句话说,传统的量子场论方法包含数百个费曼图,这在数学表达式中包含成千上万项:而事实上它们将简单 的东西极大的复杂化了。正如Bourjaily所说,“如果最终所得仅是一个函数,为何要将数百万项去加和?”

“当时我们就知道我们得到了一个重要结果”,Parke说道。“我们立即意识到了重要性,可我们并不清楚如何进一步阐明它。”

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