현실에 대한 다음 이론을 찾고 있는 입자물리학자들은 결코 실패하지 않을 것으로 알고 있는 수학적 구조, 즉 S-행렬로 알려진 가능성의 표를 참고하고 있습니다.
입자 충돌 중에 무슨 일이 일어나는지 정확히 알지 못하더라도 물리학자들은 'S-매트릭스'를 통해 가능한 결과를 평가할 수 있습니다.
Nico Roper/Quanta 매거진
소개
1943년 독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 양자 이론의 위기에 대해 숙고함으로써 제2차 세계 대전에 대한 관심을 돌렸습니다. 입자가 어떻게 행동해야 하는지에 대한 예측은 때때로 무의미하고 무한한 결과를 제공했습니다. 이러한 무한함은 하이젠베르크로 하여금 양자 물리학이 현실을 묘사하는 방식을 불신하게 만들었고, 혁명적인 새로운 이론이 결국 입자 물리학을 전복하고 문제를 해결할 것이라고 기대하게 만들었습니다. 그러나 그러한 이론이 없더라도 그는 발전이 계속될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 핵심은 미래에 어떤 새로운 이론이 등장하더라도 살아남을 수 있는 확실한 사실에 초점을 맞추는 것이었습니다.
Heisenberg는 이러한 사실이 관찰, 특히 입자 충돌의 결과라고 결정했습니다. 두 입자가 충돌하면 최종 제품이 나타나기 전에 많은 양자 변환을 경험할 수 있습니다. 하이젠베르크는 중간의 신비한 동적 현상을 무시하고 대신 초기 및 최종 입자에만 주의를 기울였습니다. 그는 산란 행렬(Scattering Matrix), 줄여서 S-행렬(S-matrix)이라는 테이블에 가능한 결과를 수집했습니다. 입자 물리학의 궁극적인 이론이 아무리 이상하다고 밝혀졌다 하더라도 올바른 S-행렬을 예측해야 합니다. 따라서 이 매트릭스의 규칙과 패턴을 연구함으로써 Heisenberg는 자신의 작업이 시간의 시험을 견딜 것임을 보장했습니다.
하이젠베르크의 엄격한 관점은 점점 더 커지고 약해졌고, 물리학자들이 양자 이론에 대한 자신감을 얻으면서 희미해지고 새로운 미스터리에 직면했을 때 급증했습니다. 이제 입자 물리학자들은 다시 혁명적이고 새로운 현실 이론을 찾고 있습니다. 그것을 찾기 위해 그들은 믿을 수 있는 유일한 사실인 S-매트릭스의 항목으로 되돌아갔습니다.
가능성의 목록
S-매트릭스는 하이젠베르크의 발명품이 아니었습니다. 폴 디랙(Paul Dirac)이 처음 개념을 탐구했고, "양자 거품"과 "웜홀"이라는 용어를 만든 존 휠러(John Wheeler)가 이름을 생각해 냈습니다. 하이젠베르크는 이 아이디어를 단순한 도구가 아닌 관점으로 다루면서 아이디어를 더욱 발전시켰습니다. 종말, 우주 가장자리에서 충돌은 어떤 모습일까요?
1940년대 양자역학의 선구자인 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 혁명적인 새로운 이론이 곧 입자물리학을 대체할 것이라고 예상했습니다. 그는 S-매트릭스의 출시를 준비하기 위해 개발했습니다.
알파 히스토리카/알라미
2012년에 발견된 가장 최근의 기본 입자인 힉스 보손(Higgs boson)을 생각해 보십시오. 이 입자는 10억분의 1초 미만의 수명을 갖고 100만분의 1미터 미만으로 이동할 수 있습니다. 그 작은 규모에 비해 순간적으로 힉스 보손을 생성하는 입자 충돌기를 작동하는 물리학자들은 아주 먼 거리에서 아주 오랫동안 존재합니다. 이 원거리 관점은 S-매트릭스에 포착됩니다.
S-행렬이 어떻게 작동하는지 보려면 입자를 충돌시키는 대신 주사위를 던진다고 상상해 보세요. 하나의 주사위로 6개의 가능한 결과가 있고 각 결과가 나올 확률은 1/6입니다. 두 개의 주사위를 사용하면 확률이 서로 다른 12가지 결과가 나올 수 있습니다.
이제 테이블에 확률을 차트로 표시해 보세요. 테이블의 각 항목은 주어진 수의 주사위로 특정 숫자를 굴릴 확률을 표시합니다. 테이블을 행렬이라고 합니다.
Merrill Sherman/Quanta 매거진
그 행렬이 주사위에 대해 하는 일을 S-행렬이 입자에 대해 수행합니다. 각 행은 주사위 수와 같은 초기 입자를 선택합니다. 혼자 여행하는 힉스 보손이나 전자와 양전자로 시작할 수도 있습니다. 각 열은 출력입니다. Higgs는 한 쌍의 W 보존 또는 (아마도) 한 쌍의 쿼크로 변형될 수 있습니다. 각 항목은 주어진 출력을 관찰할 확률입니다.
(양자 이론에서 각 항목은 "허수" 제곱근 -1을 포함할 수 있는 값인 복소수입니다. 친숙한 확률을 얻으려면 절대값을 사용합니다.)
이와 같은 확률표를 계산할 수 있다면 실험을 통해 이론을 확인할 수 있다고 Heisenberg는 추론했습니다. 하지만 다음 세기에는 더 많은 일을 할 수 있음을 보여주게 될 것입니다. S-행렬을 연구함으로써 하이젠베르크와 그의 지적 후손들은 일반적으로 물리학이 어떻게 되어야 하는지를 연구하게 되었습니다.
논리적 예측
1940년대 이후 물리학자들은 결국 혁명이 필요하지 않다는 것을 깨달았습니다. 그들은 충돌 중에 생성될 수 있는 모든 입자와 입자가 서로 상호 작용하는 방식을 지정하는 라그랑지안이라는 공식을 더 잘 사용하는 방법을 배웠습니다. 이 공식은 관찰할 수 없는 중간 순간에도 충돌 중에 실제로 무슨 일이 일어났는지 추론하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 더 깊은 이해를 통해 물리학자들은 문제의 무한성을 피하고 입자 충돌의 싸움에 곧바로 뛰어들 수 있습니다.
그러나 1960년대에 양자 이론은 물리학자들을 다시 한번 실망시켰습니다. 실험을 통해 양성자와 중성자와 유사하지만 질량과 전하의 폭이 넓은 새로운 입자의 어지러운 배열이 밝혀졌습니다. 완전한 라그랑지안은 이 수많은 "강입자" 입자를 설명해야 하지만 그 숫자는 압도적이었습니다. 북유럽 이론물리학연구소의 명예교수인 파올로 디 베키아는 당시의 정서를 회상했다. "모든 강입자를 포함하는 라그랑지안을 작성해야 할까요? 할 일이 아닌 것 같았습니다."
물리학자들은 다시 한번 혁명을 꿈꿨다. 얼마 지나지 않아 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 물리학자인 제프리 츄(Geoffrey Chew)는 대담하고 새로운 접근법을 옹호했습니다. 그와 그의 추종자들은 입자 충돌 중에 순간적으로만 발생할 수 있는 복잡한 강입자 상호작용을 무시하기를 바랐습니다. 대신 탐지기에서 관찰할 수 있는 결과에 초점을 맞췄습니다.
"버클리에서는 라그랑지안을 잊어버리고 S-행렬, 즉 실험과 더 직접적으로 관련된 양을 직접 구성해야 한다는 아이디어가 나왔습니다."
캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 물리학자인 제프리 츄(Geoffrey Chew)는 논리적 요구 사항에 따라 S-행렬을 추측하여 새로 발견된 입자의 대박을 묘사하려고 시도했습니다.
로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory), AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection 제공
그렇게 하기 위해 그들은 S-매트릭스가 피할 수 없는 몇 가지 물리적, 수학적 원리를 반영해야 한다는 것을 관찰했습니다. 예를 들어 S-행렬에서 파생된 확률은 모든 확률과 마찬가지로 0과 1 사이여야 합니다. Chew의 그룹은 마치 자체 부트스트랩을 사용하는 것처럼 특정 결과를 추론하기 위해 이와 같은 일반적인 논리적 요구 사항을 사용하기를 바랐습니다. 그들은 그들의 프로그램을 S-매트릭스 부트스트랩이라고 불렀습니다.
Chew의 그룹은 탐색 중에 유망한 이론을 식별했으며, 부트스트랩이 진정한 상승을 생성했음을 보여주었습니다. 수많은 물리학자들이 S-행렬 운동에 참여했으며, 이는 궁극적으로 끈 이론으로 이어지는 S-행렬을 탄생시켰습니다.
그러나 강입자 이론을 위한 경쟁에서 부트스트래퍼가 추월당했습니다. 물리학자들은 복잡하고 다양한 강입자가 사실 소수의 기본 입자인 쿼크와 글루온으로 구성되어 있다는 사실을 곧 깨달았습니다. 연구자들은 1970년대에 이러한 입자와 상호작용을 라그랑지안으로 묶었습니다.
쿼크와 글루온에 관한 새로운 이론이 성공하면서 라그랑지안은 다시 한번 우세하게 되었습니다. 물리학자들은 현재까지 알려진 모든 입자의 관찰된 행동을 요약하는 마스터 라그랑지안을 계속해서 식별할 것입니다. 이제 우리는 이것을 라그랑지안 입자 물리학의 표준 모델이라고 부릅니다.
현대적인 부흥
이제 물리학은 다시 불확실한 미래에 직면해 있습니다. 물리학자들은 표준모델 라그랑지안이 불완전하다는 것을 알고 있습니다. 그러나 실험이 현재의 이론이 처리할 수 있는 것 이상의 결과를 낳기까지는 수십 년 또는 심지어 수백 년이 걸릴 수도 있습니다. 그러나 그렇게 되면 물리학자들은 그들의 세계관이 산산조각날 것으로 예상합니다. 양자역학과 중력의 조화는 이전 시대보다 훨씬 더 극적인 혁명을 요구하는 것으로 보이며, 다음 현실의 구성 요소가 무엇일지 아무도 모릅니다. 이렇게 불확실한 시기에 물리학자들은 다시 한 번 남아 있을 것으로 알고 있는 유일한 아이디어인 S-행렬로 돌아가고 있습니다.
CERN 박사후 연구원 Lucía Córdova와 같은 일부는 Chew 그룹이 시작한 검색 범위를 확대하고 있습니다. 그녀와 동료들은 수치 기법을 사용하여 실행 가능한 S-행렬의 공간을 계획하고 있습니다. 이러한 탐구는 양자 중력에 필요할 수 있는 라그랑주가 없는 이론을 이해하는 유일한 방법일 수 있습니다.
뉴저지주 프린스턴 고등연구소의 물리학자인 세바스찬 미제라(Sebastian Mizera)와 같은 다른 사람들은 특정 입자의 거동을 포착하는 단일 S-매트릭스 부트스트래핑이라는 츄의 원래 꿈에서 새로운 희망을 발견했습니다. 그와 다른 연구자들은 최근 글루온과 같은 질량이 없는 입자에 중점을 두었습니다.
S-행렬 부트스트랩은 거대한 강입자 연구에서 탄생했으며, 순진하게도 질량이 없는 입자는 이런 방식으로 이해하기가 훨씬 더 어려울 것 같았습니다. 그러나 “수십년 후, 정반대의 사실이 밝혀졌습니다”라고 Mizera는 말했습니다. 질량이 없는 입자의 예상치 못한 단순성은 입자의 상호 작용이 몇 가지 간단한 규칙만으로 부트스트랩될 수 있음을 의미합니다. 이러한 방식으로 물리학자들은 라그랑주를 피하고 S-행렬만으로 글루온 및 기타 입자 이론을 완전히 정의했습니다.
3월 워크숍에서 Mizera는 동료 S-매트릭스 매니아들을 만났습니다. 최근의 발전에 영감을 받아 그들은 모든 S-매트릭스를 지배하는 보다 보편적인 규칙을 계속 추구하고 있습니다. 하이젠버그와 츄처럼 그들은 관찰에 집중하고 미래 이론의 형태가 불확실할 때에도 지속될 진실을 발견하기 위해 노력합니다.
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