科学家发现量子物理宝石几何结构

外国媒体报道说，最近物理学家报道了类似宝石的几何物体的发现，这可以大大简化粒子相互作用的计算，并挑战时间和空间是现实的基本组成部分的概念。“这是一种完全新颖和简单的方法，”英国牛津大学的数学物理学家安德鲁·霍奇斯说。

它揭示了粒子相互作用——作为自然界中最基本的事件——可能是高度发展的几何学的结果，这是十多年来重建量子场论的努力的结果，量子场论是一种用来描述基本粒子及其相互作用的理论。在此之前，粒子相互作用的计算需要应用包含数千项的数学方程。现在它可以通过计算相应的宝石“扩增体”的数量来描述新的多维几何结构，而且它只会产生相当于一个项的表达式。

量子物理学宝石几何学

“这种效率真是不可思议，”哈佛大学的理论物理学家雅各布·布盖利说，他也是两篇描述这一新奇想法的文章之一的作者。"你可以很容易地在纸上进行计算机以前无法完成的计算."

量子场论的新几何版本也有助于发现能够无缝连接大尺度和小尺度宇宙的量子引力理论。到目前为止，试图从量子尺度将重力结合到物理定律的尝试遇到了荒谬的无限和深度悖论。这个Amplituhedron，或类似的几何物体，将有助于消除两个根深蒂固的物理定律:局部性和统一性。

“两者都深深植根于我们看待事物的传统方式，”新泽西普林斯顿高等研究院的物理学教授尼玛·阿卡尼·哈姆德说，他也是两篇新文章的主要作者。

位置意味着粒子只能在时间和空间附近相互作用，而单位意味着量子力学相互作用的所有可能结果之和是1。这些概念是量子场论的核心支柱，但在某些情况下，引力也涉及其中，两者都将被分解，这意味着它们都不是自然的基本方面。

研究粒子相互作用的最新几何方法从最初的假设中去除了局部性和统一性。扩增体不是基于时空和可能性，这些特征只是作为宝石几何的结果出现的。普通的时空和周围的粒子只是一个想法。英国剑桥大学的理论物理学家大卫·斯金纳说:“这个更好的想法能让你从完全不同的角度看待事物。”。

Amplituhedron没有描述重力本身，但是Akani-Hamad和他的同事认为，可能有另一个相关的几何物体描述重力，它的特征将解释为什么粒子存在，为什么它似乎随着时间的推移在三维空间移动。因为“我们知道，最终我们需要找到一个没有位置和统一的理论，”布盖利说。"这是描述引力量子理论的起点."

振幅体就像一颗高纬度的精密多面宝石，包含了可以计算的现实的基本特征——散射振幅，它代表了特定粒子集在碰撞后变成其他粒子的可能性。这些数字是由粒子物理学家计算出来的，并在大型强子对撞机等粒子加速器中进行了高精度测试。

这种有60年历史的计算散射振幅的方法是由诺贝尔物理学家理查德·理查德·费曼倡导的。他画了一张所有可能散射模式的图表，并总结了不同模式的可能性。最简单的费曼图看起来像一棵树:碰撞中的粒子像根一样聚集在一起，产生的粒子像树枝一样散开。更复杂的图表有循环，在循环中，碰撞的粒子变成不可见的“虚拟粒子”，它们相互作用，直到达到真正的最终产品。该图表可能有一个循环，两个循环，甚至多个循环-越来越多的散射过程的巴洛克式迭代对最终振幅的贡献越来越小。虚拟粒子从未在自然界中被发现，但从数学角度来看，它们是实现统一所必需的。

“费曼图表的数量如此之大，以至于在计算机时代到来之前，即使非常简单的计算也无法进行。”布盖利说。一个看似简单的事件，比如两个被称为胶子的亚原子粒子的碰撞，产生了四个能量更少的胶子(在大型强子对撞机中每秒发生数十亿次)，涉及220个图形，这些图形一起产生了数千个用于计算散射振幅的项。到1986年，费曼的设备鲁伯·戈德堡机器变得越来越明显。鲁伯·戈德堡机械指的是一种设计得过于复杂的机械组合，实际上以迂回的方式完成某些工作非常简单。

为了准备超导超级对撞机的建造(该项目后来被取消)，理论家们希望计算已知粒子相互作用的散射振幅来确定背景，以便突出有趣或无关的信号。然而，即使是两个胶子到四个胶子的过程也是如此复杂，以至于一组物理学家两年前写道，“他们可能无法在可预见的未来评估这个过程。”

伊利诺伊州美国能源部费米国家加速器实验室的理论家斯蒂芬·帕克和汤米·泰勒认为这种说法是一种挑战。他们运用一些数学技巧将2 -4胶子的振幅计算从数百万项简化为一个9页的方程，该方程在20世纪80年代由计算机处理。然后，基于他们在其他胶子相互作用中观察到的散射振幅模式，帕克和泰勒提出了一个更简单的项表达式，该表达式被计算机证实相当于一个9页的方程。

换句话说，量子场论的传统机制——通常涉及数百个费曼图和数千个数学术语——模糊了原本会更简单的东西。正如布盖里所说:“如果结果只是一个函数，为什么要增加数百万个东西？”“那时，我们知道我们已经取得了重要的成果。我们当时就知道了，但问题是我们如何处理它？”