En kosmisk form kunne forklare universets grundlæggende karakter

Fysikere har skabt en 3D-form kaldet Cosmohedron, som kan bruges til at rekonstruere universets kvantebølgefunktion-og potentielt fjerne ideen om rumtid som universets underliggende stof

Er pladsen-tid, som universets stof, eller er der noget dybere?

Hvad er strukturen i vores fysiske virkelighed? Fysikere har længe forestillet sig rum og tid, der sammenvæver i “rumtid”, det metaforiske stof, der ligger til grund for kosmos. Men der kan være noget endnu mere grundlæggende. I stedet for rumtids tre rumlige dimensioner og en af ​​tiden, kunne fysikken i vores verden kodes i et sæt ulige geometriske former-og studere dem kan kortlægge en ny, rumtidsfri vej mod en teori om alt.

”Ideen er, at rum-tid på en eller anden måde skal gå, at den skal erstattes af noget mere primitivt og dybere,” siger Nima Arkani-hamed på Institute for Advanced Study in New Jersey. “Forestillingen om rumtid er nødt til at komme ud af nogle mere abstrakte genstande.”

Nu, der arbejder med Carolina Figueiredo på Princeton University og Francisco Vazão på Max Planck Institute for Physics i Tyskland, har han afsløret et sådant abstrakt objekt. De kalder det kosmohedronen.

Forskerne har undersøgt lignende former, der passer ind i en slags slægtstræ af grundlæggende matematiske genstande. For eksempel koder former kaldet Associahedra, hvordan partikler kan kollidere med eller sprede hinanden – uden at skulle bruge ligninger, der involverer plads og tid. Fysikere har vidst, hvordan man beregner såkaldte spredningsamplituder, der forudsiger, hvad der vil ske i disse kollisioner i årtier, men selv når de er bevæbnet med deres bedste matematiske tricks, ender de ofte med tusinder af linjer med kedelige og vanskelige beregninger, siger Arkani-hamed.

I 2013 opdagede Arkani-hamed og hans kolleger en bestemt form, der havde mange skrå sider og skarpe kanter, svarende til en diamant, der kodede nogle af disse svar, men med mindre matematik involveret i at komme dertil. I stedet for tusinder af ligningslinjer, måtte forskerne tackle det noget enklere problem med at tegne en associahedron for hver kollision og derefter beregne dens volumen. Figueiredo siger, at denne metode trækker på den matematiske struktur af fysikernes sædvanlige ligninger, men ikke kræver, at fysiklovene eksplicit henvises til på hvert trin.

Dette skyldes, at metoden ligner mere et geometrisk byggeprojekt end traditionel ligning. I det enkleste eksempel forestiller forskerne en kollision mellem tre partikler, hvilket fører til oprettelsen af ​​tre nye partikler. Det er et grundlæggende element i fysik, at momentumet for de originale partikler skal matche momentumet for dem, der er skabt efter, og dette udtrykkes ofte ved at skrive to formler, en for partiklerne før og en anden efter og indstille dem matematisk ens.

En alternativ tilgang ser momentumet for partiklerne repræsenteret som en pil, med seks pile i alt – tre før og tre efter. I denne repræsentation betyder momentum, der konserveres, at disse pile, når de sammenføjes, skal forbinde for at danne en seks-sidet form. Forskerne går flere trin videre ved hjælp af et sæt geometriske og kombinatoriske regler for at omdanne disse flade former til juvellignende, tredimensionelle genstande-Associahedra.

Venstre: En associahedron til et legetøjsunivers, hvor tre partikler interagerer med hinanden. Hver kant og toppunkt er afledt af enklere geometriske former, vist som etiketter, efter et sæt komplekse matematiske regler. Højre: Den ækvivalente Cosmohedron, der afslører en dybere struktur for universet

Arbejde på denne måde giver dem mulighed for midlertidigt at afsætte partikler og deres stier i rumtid. 3D Associahedron -formerne er langt mere abstrakte, men bemærkelsesværdigt viser formler, der beskriver mængden af ​​hver sådan form, at matche spredningsamplitudeformlerne, som fysikere traditionelt ville bruge til at forudsige resultaterne af en partikelkollision.

”Du vil på en eller anden måde finde nogle objekter, der (sikrer) dit svar adlyder de grundlæggende principper, der ligger til grund for de fysiske teorier som kvantemekanik og relativitet. Du lægger dem ikke automatisk i, at objektet slags bare ved om dem, ”siger Figueiredo.

Hun og Arkani-hamed sammen med deres kolleger demonstrerede, at denne metode kunne bruges til mange partikler, men de har nu sat deres ambitioner ud over enkle kollisioner. I stedet forsøger de at beskrive hele universet – deraf “Cosmo” i Cosmohedron.

Transformationen fra en associahedron til en kosmohedron er både overraskende enkel og utrolig kraftig. Det involverer at barbere hver af formens kanter for at skabe nye overflader, tilføje ekstra parametre til formlerne, der svarer til Associahedra og giver dem mere mening. Specifikt ved at omdanne en given associahedron til en kosmohedron og derefter studere denne mere komplekse form, kunne forskerne rekonstruere en kvantemekanisk bølgefunktion – formlen, der opsummerer alle egenskaber og mulige adfærd ved et kvanteobjekt.

”(Deres) kosmologiske bølgefunktion forsøger at beskrive hele universet, i dette tilfælde en teoretisk, på én gang,” siger Sebastian Mizera, også hos Princeton, der ikke var involveret i værket.

Jaroslav trnka ved University of California, Davis, siger, at det faktum, at metoden overhovedet fungerer, er ekstremt overraskende, fordi den starter med så forskellige begreber, som disse fysikere normalt anvender. ”Du lægger ikke fysiske egenskaber som lokalitet eller endda nogle partikler eller felter,” siger han.

Det er for tidligt at sige, at ideen om rumtid er helt forældet, eller at rumtid ikke er meningsfuld, men det nye arbejde peger på muligheden for at udtrykke fysiklovene på et helt andet sprog, der ikke gør ‘ Jeg henviser til det, siger trnka. Forskerne forsøger at omskrive den måde, vi forstår kosmos og tager rumtid ud af ordbogen.

Præcis, hvad dette kan betyde for vores særlige univers, forbliver også uklar, fordi Cosmohedron -metoden ikke i øjeblikket fungerer for hver partikel, som vi ved, at der findes. For eksempel er forskerne ikke sikre på, hvordan de bruger deres metode til partikler med en elektrisk ladning, såsom elektroner, fordi elektromagnetiske interaktioner gør matematikken i deres kollisioner mere komplekse. Trnka siger, at holdets opgave nu er at finde flere eksempler, hvor det fungerer.

”I øjeblikket omformulerer vi tingene. I det fjerne er der en verden af ​​fysiske teorier, og der er disse fascinerende matematiske strukturer herover, og hvad vi ser, er, at der er disse underjordiske forbindelser mellem nogle af dem, ”siger Arkani-hamed. ”Der er meget, som vi gerne vil forstå bedre. Vi føler, at der foregår noget bemærkelsesværdigt, og dette er virkelig det første skridt. ”