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量子物理存类宝石几何结构 或挑战时间空间概念

http://www.kexue.com 2013-12-19 09:26:35 凤凰科技  发表评论


量子物理宝石几何结构

  近日物理学家报告称发现了类似宝石的几何物体,它能够极大的简化对粒子交互作用的计算并挑战了时间和空间是现实的基本组成部分的概念。“这是完全新颖而更简单的方法,”英国牛津大学数学物理学家安德鲁-霍季斯(Andrew Hodges)这样说道。

  它揭示了粒子相互作用——作为自然界最基本的事件——可能是为了重造量子场论而付出长达十多年的努力产生的几何学高度发展的结果,量子理论是用于描述基本粒子和它们之间相互作用的理论。在此之前计算粒子相互作用需要运用包含上千个术语的数学方程式,现在可以通过计算相应的宝石“Amplituhedron”新多维几何结构的量来描述,且它只会产生相当于一个术语的表达。

  “这种效率性真是令人难以置信,”美国哈佛大学的理论物理学家雅各布-布杰利(Jacob Bourjaily)这样说道,他还是描述这一新颖观点的两篇文章其中一篇的作者。“你可以轻易的在纸上进行之前用计算机无法实现的计算。”

  量子场论的新几何版本还能够帮助寻找能够无缝连接大规模和小规模宇宙的量子引力理论。目前为止从量子规模将引力结合进入物理定律的尝试都遭遇了荒谬的无限性和深度悖论。这个Amplituhedron,或者类似的几何物体,将帮助移除两大根深蒂固的物理定律:位置性和统一性。

  “两者已经深深的根植于我们思考事物的常规方式,” 美国新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学教授尼玛-阿卡尼-哈马德(Nima Arkani-Hamed)这样说道,他也是这两篇新文章的首席作者。

  位置性指的是粒子只能在时间和空间的临近位置发生相互作用,统一性是指一个量子力学相互作用的所有可能结果的可能性总和为1。这些概念是量子场论的中央支柱,但在某些情景里也涉及引力,两者都会发生分解,这暗示着没有一个是自然的基本方面。

  研究粒子相互作用的最新几何方法从开始的假设里移除了位置性和统一性,Amplituhedron并非建立于时空和可能性,这些特性仅仅作为宝石几何学的结果出现。常见的时空以及环绕运行的粒子只是一个设想。“这种更好的构想使得你会从完全不同的角度看待事物,”英国剑桥大学的理论物理学家大卫-斯金纳(David Skinner)这样说道。

  Amplituhedron本身并不描述重力,但阿卡尼-哈马德和他的同事认为可能存在另一个相关的几何物体描述重力,它的特性将解释粒子为什么存在,以及它为何随着时间的推移似乎在三维空间里移动。由于“我们知道最终我们将需要找到一个没有位置性和统一性的理论,” 布杰利说道。“这是描述引力量子理论的起点。”

  Amplituhedron像一个更高纬度的精密多面的宝石,它里面包含能够被计算的现实的基本特性——散射振幅,它代表一个特定粒子集在碰撞后变成某种其它粒子的可能性。这些数目便是粒子物理学家计算并在类似大型强子对撞机的粒子加速器里进行高精度测试的对象。

  这个用于计算散射振幅的60年历史的方法是由诺贝尔奖获得者物理学家理查德-费曼(Richard Feynman)提倡的。他绘制了所有散射过程可能发生方式的线图并总计了不同方式的可能性。最简单的费曼图表看起来像棵树:碰撞中的粒子聚集在一起,类似树根,产生的粒子则像树枝一样分散开来。更加复杂的图表则有回路,碰撞的粒子会变成不可见的“虚拟粒子”,彼此相互作用直到伸出真正的最终产品。图表可能有一个回路、两个回路甚至多个回路——越来越多的散落过程的巴洛克式迭代对最终振幅的贡献只会越来越少。虚拟粒子从未在自然界内被发现过,但它们从数学角度上来说是实现统一性所必不可少的。

  “费曼图表的数量是如此巨大以至于即使非常简单过程的计算也无法进行,直到计算机时代的到来才改变这一现状。” 布杰利说道。一个看似简单的事件,例如两个名为胶子的亚原子粒子碰撞产生四个更少能量的胶子(这在大型强子对撞机里每秒要发生几十亿次),涉及220个图表,它们共同产生了上千个术语用于计算散射振幅。到1986年,费曼的设备鲁布-戈德堡机械(Rube Goldberg machine)已经变得日益明显。鲁布-戈德堡机械指的是一种被设计得过度复杂的机械组合,以迂回曲折的方法去完成一些其实是非常简单的工作。

  为了准备建造超导超级对撞机(这一项目随后被取消),理论学家希望计算出已知粒子相互作用的散射振幅以确定一个背景,使得有趣或者外来的信号能够凸显。但是,即使是两胶子至四胶子的过程也是如此复杂,一组物理学家两年前就已经写道“他们在可见的未来可能也无法评估这一过程。”

  美国伊利诺伊州美国能源部费米国家加速器实验室的理论学家斯蒂芬-帕克(Stephen Parke)和汤米-泰勒(Tommy Taylor)认为这一陈述是项挑战。他们利用了少数数学技巧将2胶子-4胶子的振幅计算从几百万个术语简化到只有9页长的方程式,而这是20世纪80年代的计算机能够处理的。然后,基于他们在其它胶子相互作用中观察到的散射振幅样式,帕克和泰勒想了一个更简单的一术语表达,经电脑证实后者相当于9页的方程式。

  换句话说,量子场论的传统机械——往往涉及几百个费曼图表,带有上千个数学术语——模糊了某些本来更简单的事物。正如布杰利所言:“你为什么要将上百万的事物相加,如果结果仅仅是一个功能而已?”“在那时我们就知道我们得到了一个重要的结果,我们当时就知道了,但问题是我们该如何处理它呢?”

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