"진면체"가 발견된 지 10년 후, 물리학자들은 입자가 어떻게 움직이는지에 대한 표준적인 그림의 기초가 되는 시대를 초월한 기하학을 더 많이 발굴했습니다.
2022년 가을, 캐롤라이나 피게이레도(Carolina Figueiredo)라는 프린스턴 대학교 대학원생은 우연히 엄청난 우연의 일치를 발견했습니다. 그녀는 세 가지 다른 유형의 아원자 입자가 관련된 충돌은 모두 동일한 잔해를 생성할 것이라고 계산했습니다. 마치 런던, 도쿄, 뉴욕 지도 위에 그리드를 깔고 세 도시 모두 같은 좌표에 기차역이 있는 것을 보는 것과 같았습니다.
"그들은 매우 다른 [입자] 이론입니다. 서로 연결될 이유가 없습니다."라고 Figueiredo는 말했습니다.
우연의 일치는 곧 음모임이 드러났습니다. 세 가지 유형의 입자를 설명하는 이론은 올바른 관점에서 볼 때 본질적으로 하나였습니다. Figueiredo와 그녀의 동료들은 이 음모가 현실의 기본 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 복잡한 사업을 잠재적으로 단순화할 수 있는 숨겨진 구조의 존재에서 비롯된다는 것을 깨달았습니다.
거의 20년 동안 Figueiredo의 박사 지도교수인 Nima Arkani-Hamed는 물리학을 수행하는 새로운 방법을 찾는 데 앞장서 왔습니다. 많은 물리학자들은 공간과 시간에서 발생하는 양자 사건의 관점에서 현실을 개념화하는 데 있어서 길의 끝에 도달했다고 믿습니다. 그러한 언어는 예를 들어 시공간 구조가 현재 형태로 존재하지 않았을 때와 같이 우주의 시작을 쉽게 설명할 수 없습니다. 따라서 아르카니-하메드는 시공간에서 움직이고 상호 작용하는 양자 입자에 대한 일반적인 개념이 더 깊고 더 추상적인 개념의 근사치라고 의심하며, 이것이 발견된다면 양자 중력과 우주의 기원에 대해 이야기하는 데 더 나은 언어가 될 수 있습니다.
2013년에 Arkani-Hamed와 그의 학생인 Jaroslav Trnka가 특정 입자 상호 작용의 결과를 예측하는 보석 같은 기하학적 물체를 발견하면서 중요한 발전이 이루어졌습니다. 그들은 그 물체를 "진면체"라고 불렀습니다. 그러나 그 물체는 현실 세계의 입자에 적용되지 않았습니다. 그래서 아르카니-하메드와 그의 동료들은 그러한 물건을 더 많이 찾았습니다.
이제 Figueiredo의 음모는 입자 물리학의 기초가 되는 것으로 보이는 추상적 기하학적 구조의 또 다른 표현입니다.
뉴저지주 프린스턴 고등연구소에서 진폭을 연구하고 있지만 최근 연구에는 참여하지 않은 물리학자 세바스찬 미제라(Sebastian Mizera)는 "전체 프로그램은 시공간과 양자 역학에 대한 니마의 장기적인 꿈에 조금씩 더 가까워지고 있다"고 말했습니다.
진폭면체와 마찬가지로 "표면학"으로 알려진 새로운 기하학적 방법은 "파인만 다이어그램"을 사용하여 입자가 시공을 통해 이동할 수 있는 수많은 방법을 추적하는 전통적인 접근 방식을 우회하여 양자 물리학을 간소화합니다. 입자의 충돌 가능성과 궤적에 대한 이러한 묘사는 복잡한 방정식으로 해석됩니다. 표면학을 통해 물리학자들은 동일한 결과를 보다 직접적으로 얻을 수 있습니다.
표면학의 새로운 도구를 선택하고 있는 브라운 대학교의 물리학자 마커스 스프래들린(Marcus Spradlin)은 “이것은 매우 많은 수의 파인만 다이어그램을 조립할 수 있는 자연스러운 프레임워크 또는 장부 메커니즘을 제공합니다.”라고 말했습니다. “정보가 기하급수적으로 압축되고 있습니다.”
프린스턴 대학의 대학원생인 캐롤리나 피게이레도(Carolina Figueiredo)는 겉보기에 관련이 없어 보이는 양자 입자 세 종이 동일하게 행동하는 놀라운 우연의 일치를 발견했습니다.
안드레아 케인/고등연구소
초대칭으로 알려진 균형을 제공하기 위해 이국적인 입자가 필요한 진폭면체와 달리 표면학은 보다 현실적이고 비대칭적인 입자에 적용됩니다. Spradlin은 "완전히 불가지론적입니다. 초대칭에는 전혀 신경을 쓰지 않습니다."라고 말했습니다. "저를 포함한 일부 사람들에게는 이것이 정말 놀라운 일이라고 생각합니다."
이제 문제는 입자 물리학에 대한 이 새롭고 보다 원시적인 기하학적 접근 방식을 통해 이론 물리학자들이 공간과 시간의 한계를 완전히 벗어날 수 있는지 여부입니다.
펜실베이니아 주립대학교의 물리학자인 Jacob Bourjaily는 "우리는 마법을 찾아야 했습니다. 아마도 이것이 바로 그것일 것입니다."라고 말했습니다. "시공간을 없애는 것인지는 모르겠습니다. 그런데 문은 처음 봤어요."
파인만의 문제
Figueiredo는 팬데믹이 잦아드는 동안 새로운 마법의 필요성을 직접 느꼈습니다. 그녀는 50년 넘게 물리학자들에게 도전이 되어온 과제, 즉 양자 입자가 충돌할 때 무슨 일이 일어날지 예측하는 작업에 어려움을 겪고 있었습니다. 1940년대 후반, 전후 시대의 가장 뛰어난 세 사람인 Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga 및 Richard Feynman이 전하 입자 문제를 해결하기 위해 수년에 걸친 노력을 기울였습니다. 그들의 궁극적인 성공은 그들에게 노벨상을 안겨줄 것이었습니다. 파인만의 계획은 가장 시각적이어서 물리학자들이 양자 세계에 대해 생각하는 방식을 지배하게 되었습니다.
두 개의 양자 입자가 함께 모이면 어떤 일이든 일어날 수 있습니다. 그것들은 하나로 합쳐질 수도 있고, 여러 개로 쪼개질 수도 있고, 사라질 수도 있고, 위의 순서대로 나타날 수도 있습니다. 그리고 실제로 일어날 일은 어떤 의미에서는 이 모든 것과 다른 많은 가능성의 조합입니다. 파인만 다이어그램은 시공간을 통한 입자의 궤적을 나타내는 선을 연결하여 어떤 일이 일어날 수 있는지 추적합니다. 각 다이어그램은 아원자 사건의 가능한 시퀀스 하나를 포착하고 해당 시퀀스가 발생할 확률을 나타내는 "진폭"이라는 숫자에 대한 방정식을 제공합니다. 물리학자들은 진폭을 충분히 더하면 돌, 건물, 나무, 사람이 나온다고 믿습니다. Arkani-Hamed는 “세상의 거의 모든 일은 반복해서 일어나는 일들의 연결입니다.”라고 말했습니다. “그냥 좋은 옛날 것들이 서로 튀는 것뿐이에요.”
이러한 진폭에는 내재된 수수께끼 같은 긴장감이 있습니다. 이는 파인만과 슈윙거 시절부터 여러 세대의 양자 물리학자들을 괴롭혔던 긴장감입니다. 칠판에 앉아 비잔틴 입자 궤적을 스케치하고 무시무시한 공식을 평가하는 데 몇 시간을 소비하다 보면 용어가 상쇄되고 복잡한 표현이 녹아서 매우 간단한 답이 남는다는 사실을 발견할 수도 있습니다. 고전적인 예에서는 문자 그대로 숫자 1이 나옵니다.
Bourjaily는 “필요한 노력의 정도는 엄청납니다.”라고 말했습니다. "그리고 매번 당신이 하는 예측은 그 단순함으로 당신을 조롱합니다."
Figueiredo는 파인만 다이어그램 없이 답을 얻는 새로운 방법을 찾기 위해 수년을 보냈던 IAS의 선도적인 이론 물리학자인 Arkani-Hamed의 강연에 참석했을 때 상황의 이상함과 씨름하고 있었습니다. 그녀는 YouTube에서 일련의 강의를 듣게 되었는데, 그 강의에서 그는 특별한 경우에 입자가 공간을 통해 어떻게 이동하는지에 대해 걱정하지 않고 입자 충돌의 특정 결과의 진폭으로 바로 이동할 수 있는 방법을 보여주었습니다.
특정 기본 논리적 요구 사항을 충족하는 리버스 엔지니어링 답변을 포함하는 Arkani-Hamed의 지름길은 대체 방법이 있다는 Figueiredo의 의심을 확인했습니다. "이렇게 아주 간단한 질문을 하면 답을 얻을 수 있습니다. 정말 놀라운 일이었습니다."라고 그녀는 말했습니다.
그녀는 다이어트 콜라를 먹고 달리는 자연의 힘이자 물리학에 대한 지칠 줄 모르는 열정인 Arkani-Hamed와 함께 일하기 위해 정기적으로 프린스턴 캠퍼스에서 IAS까지 30분 거리를 걷기 시작했습니다.
Arkani-Hamed와 그의 협력자들은 1700년대 후반 물리학을 뒤흔들었던 개념적 혁명을 일으키기를 열망합니다. Joseph-Louis Lagrange는 자연의 힘이나 법칙을 발견하지 못했지만 모든 물리학자는 그의 이름을 알고 있습니다. 그는 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 스타일로 힘들게 행동을 계산하지 않고도 미래를 예측할 수 있고 동등하고 반대되는 반응을 보일 수 있음을 보여주었습니다. 대신, 라그랑주는 다양한 경로에 필요한 에너지를 고려하고 가장 쉬운 경로를 식별하여 물체가 따라갈 경로를 예측하는 방법을 배웠습니다. 라그랑주의 방법은 당시에는 단순한 수학적 편의로 보였지만 우주를 일련의 떨어지는 도미노로 보는 뉴턴의 기계론적 관점의 구속복을 풀어주었습니다. 2세기 후, 라그랑주의 접근 방식은 파인만에게 양자역학의 급진적인 무작위성을 수용할 수 있는 보다 유연한 프레임워크를 제공했습니다.
이제 많은 진폭 연구자들은 양자 물리학의 재구성이 차세대 물리학 혁명, 즉 양자 중력 이론과 시공간의 기원을 위한 무대를 마련할 수 있기를 바라고 있습니다.
이미 몇 가지 작은 혁명이 일어났습니다. 하나는 2000년대 중반에 Ruth Britto, Freddy Cachazo, Bo Feng 및 Edward Witten이 물리학자들이 수백 페이지에 달하는 파인만 다이어그램을 단순한 선으로 압축할 수 있는 방정식인 "재귀 관계"를 발견했을 때 나타났습니다.
비슷한 시기에 Arkani-Hamed는 몇 번의 사고 실험을 통해 공간과 시간이 진정으로 근거가 있는 물리적 개념인지 의심하게 된 후 입자 물리학에 대한 새로운 개념적 관점을 찾는 데 동참했습니다. 몇 년 후, 그와 Trnka는 진폭면체를 발견했습니다.
진폭면체는 상호작용에 관련된 입자의 수와 방향을 윤곽선으로 인코딩하는 곡선 모양입니다. 그 볼륨은 해당 상호 작용이 발생하는 진폭을 제공합니다. 이 볼륨은 상호 작용이 이루어질 수 있는 다양한 대안적 방식을 묘사하는 모든 파인만 다이어그램의 진폭의 합과 동일하지만, 이 경우 시공간 역학을 참조하지 않고 답을 계산합니다. 필요한 것은 상호작용 전후에 존재하는 입자의 운동량 목록뿐입니다.
펜실베이니아 대학에서 양자중력을 연구하고 있는 물리학자 비제이 발라수브라마니안(Vijay Balasubramanian)은 “산란이 어떻게 일어나든 실제 구조에 의해 제어된다”고 말했습니다. “시공간을 논할 필요는 없습니다.”
놀라운 발견으로 인해 새로운 사람들이 검색에 참여하게 되었습니다. 그러나 진폭면체는 이국적인 파트너 입자와 함께 사용되는 입자 이론, 즉 초대칭성이라는 단순화된 균형에만 적용되었습니다. (일반적으로 말하면, 하나의 양자 "이론"은 하나의 특정 입자 세트에 대한 하나의 특정 규칙 세트를 설명합니다. 따라서 많은 양자 이론이 있으며, 일부는 실제 입자에 대한 것이고 다른 일부는 가상의 입자에 대한 것입니다.)
나중에 이 그룹에 합류하게 될 물리학자인 줄리오 살바토리(Giulio Salvatori)는 "당신이 보고 있는 놀라운 것들이 현실 세계와 아무 관련이 없을 수도 있다는 사실에 약간 의심이 듭니다."라고 말했습니다.
다음 해에 Arkani-Hamed 팀은 유사한 방식으로 작동하는 두 번째 유형의 모양인 "결합면체"를 확인했습니다. 그것은 편평한 면을 가지고 있었고, 그 부피는 연구하기 더 쉬운 단순화된 양자 이론의 입자에 대한 산란 진폭을 제공했습니다. 이 이론의 입자는 실제 원자핵의 쿼크와 글루온에 의해 운반되는 "색"이라는 유형의 전하를 운반합니다. (이 전하는 실제 색상과는 아무런 관련이 없지만 전하가 결합하여 색상 중립 복합 입자를 만드는 방법에 대한 수학은 빨간색, 녹색 및 파란색 빛이 함께 흰색을 만드는 방법과 유사합니다.)
이 이론의 입자에는 초대칭 파트너도 부족합니다. 따라서 결합면체는 현실 세계를 향한 주요 단계를 나타냅니다. 그러나 그 모양은 부분적인 대답만을 제공했으며, 아원자 사건의 가장 짧은 시퀀스에 대해서만 진폭을 생성했습니다.
돌파구가 임박했음을 감지한 Arkani-Hamed는 수학자 Pierre-Guy Plamondon 및 Hugh Thomas와 함께 결합면체의 이상한 모양에 대한 이해를 독립적으로 발전시켜온 젊은 물리학자들인 Salvatori와 Hadleigh Frost를 옥스퍼드 대학교에 영입했습니다. 2019년에 갱단은 이러한 모든 진폭에 대한 기하학적 경로를 찾기 시작했습니다.
그런 다음 전염병이 닥쳤고 팀은 시공간을 떠나 Zoom의 디지털 에테르에서 작업했습니다. 그들은 2년 후 양자물리학을 수행하는 두 번째 혁명적인 방식으로 등장했습니다.
표면의 곡선
그들이 직면한 미스터리는 일반적으로 수많은 분할과 병합이 있는 더 복잡한 시공간 궤적에서 발생하는 진폭을 얻는 방법이었습니다. 이 경우 결합면체의 부피를 계산하는 방법이 명확하지 않았습니다.
Frost는 “우리는 심층 원칙이 무엇인지 정확히 말할 수 없었습니다.”라고 말했습니다.
Arkani-Hamed는 1990년대 TV 쇼 Twin Peaks에 출연하는 습관이 있었습니다. 백그라운드에서 실행 중입니다. 그는 쇼의 수수께끼 같은 분위기에서 편안함을 찾았고 다양한 모양과 다이어그램을 만지작거리며 몇 달 동안 쇼를 수십 번 재생했습니다. "그들은 온갖 종류의 미친 캐릭터가 등장하는 미친 이상한 미스터리를 찾으려고 노력하고 있습니다. 나도 그렇습니다." 어느 날 오후 그는 Twin Peaks 내부 배경인 "Black Lodge"의 디지털 빨간색 커튼에 둘러싸여 Zoom을 통해 나에게 말했습니다. 우주는 표준 시공간 밖에 있습니다.
계속해서 막다른 골목에 부딪힌 후, 연구자들은 한 발 물러났습니다. 그들은 이미 이해하고 있는 더 단순한 사건으로 돌아갔고, 그 진폭은 모양의 부피에서 비롯되었습니다. 모양은 용어의 순서를 합산하는 고등학교 수학의 방정식인 다항식으로 정의될 수 있습니다. 그러나 이들은 표면에서 비틀리고 회전하는 곡선에 해당한다는 점에서 특수 다항식이라는 것을 그룹은 깨달았습니다. 이를 통해 그들은 입자 충돌을 예측하는 새로운 기술인 표면학의 핵심인 표면을 우연히 발견했습니다.
작동 방식은 다음과 같습니다. 두 개의 입자가 충돌하고 세 개의 입자가 잔해에서 나올 확률을 계산해야 한다고 가정해 보겠습니다. 이 5개 입자 상호 작용에 대해 단일 Feynman 다이어그램으로 시작하십시오. 누구라도 가능합니다. 두 개의 입자 궤적이 들어오고 세 개가 나오는 것을 보여줍니다. 선을 두껍게 만들어 표면을 형성하고 표면 전체에 걸쳐 모든 교차점을 탐색하는 곡선을 그립니다. 이 시점에서 계산은 시공간을 뒤에 남겨 둡니다. 더 이상 입자가 궤적을 따라 이동하고 충돌하는 것을 상상하지 않습니다. 대신 표면의 구조를 기록하는 곡선이 주역이 됩니다.
각 곡선은 왼쪽 및 오른쪽 회전의 순서로 작성될 수 있습니다. 이 수열을 더 작은 수열로 나누는 다양한 방법을 모두 열거하면 특수 다항식 중 하나인 수학적 표현이 생성됩니다. 일부 실험 데이터와 함께 모든 곡선에 대한 다항식을 사용하여 5개 입자 상호 작용의 진폭을 계산할 수 있습니다. 평신도에게는 많은 일입니다. 하지만 양자물리학자에게는 이는 어린아이의 장난입니다.
Spradlin은 "이것은 5학년에게 가르칠 수 있는 공식입니다."라고 말했습니다. "곡선 모음을 보고 곡선이 서로를 돌면서 발생할 수 있는 다양한 일을 계산합니다."
연구자들은 이 절차가 그들을 당황하게 만들었던 일련의 긴 사건을 포함하여 모든 진폭에 대해 작동한다는 것을 발견했습니다. 더 복잡한 상호 작용에서 입자를 분할하고 병합하면 곡선이 순환할 수 있는 구멍이 있는 표면으로 변환되지만 절차는 동일하게 유지됩니다. 그들은 또한 곡선이 결합면체의 면에 해당한다는 것을 확인하여 결합면체와 표면학이 동일한 수학의 두 가지 반영이라는 것을 확립했습니다.
그러나 표면학의 비결은 표면의 굽이치는 곡선 각각이 수많은 파인만 다이어그램을 대체한다는 것입니다. Spradlin은 이를 십진수 표기법에 비유했습니다. 숫자 7,312를 네 자리 숫자 또는 수천 개의 눈금 표시로 나타낼 수 있습니다. 표면학은 진폭에 대해 유사한 작업을 수행하여 더 추상적이고 신비로우면서도 훨씬 더 효율적인 방식으로 입자 상호 작용을 나타냅니다. “그것은 고생물리학과 같습니다.” Frost가 말했습니다. "하지만 그로부터 이 모든 것이 나옵니다."
이 그룹은 2023년 9월에 총 108페이지에 달하는 두 권의 사전 인쇄본으로 연구 결과를 발표했습니다. 그들은 현실 세계를 향한 큰 도약을 이루었습니다. 그러나 그들은 아직 거기에 도달하지 못했습니다. 그들이 연구하고 있던 유색 입자에 대한 단순화된 양자 이론에는 실제 입자를 설명하는 데 방해가 되는 특정 기능이 부족합니다.
그때 Figueiredo가 갱단에 합류했습니다. 그녀는 마침내 격차를 줄이는 데 도움을 줄 것입니다.
숨겨진 0
두 가지 양자 이론, 즉 초대칭 이론과 "파이제곱 트레이스 파이"가 아르카니-하메드의 기하학적 노력에 처음으로 포함된 것은 우연이 아닙니다. 둘 다 기본 진폭을 갖습니다. 진폭은 분모 위에 분자가 있는 분수 형태를 취합니다. 그리고 이 두 이론에서는 입자 운동량과 같은 속성과 같은 모든 변수가 분모에 들어갑니다.
진폭 연구자들은 분모에 집착합니다. 충돌을 올바르게 정렬하면 분모의 값은 작아지고 분수의 전체 값은 커지기 때문입니다. 큰 진폭은 크리스마스 트리와 같은 입자 탐지기를 밝히는 종류의 아원자 사건 가능성이 매우 높다는 것을 의미합니다. 이러한 특별한 사건을 특이점이라고 하며 이는 모든 양자 이론의 지문입니다. (이러한 특이점은 블랙홀의 중심에 있다고 생각되는 특이점과 관련이 없다는 점에 유의하십시오.) 특이점은 처음에 아르카니-하메드를 진폭면체와 결합면체로 이끌었습니다.
그러나 우리 세계의 실제 입자를 설명하는 양자 이론은 분자에도 변수를 넣습니다. 예를 들어 전자와 같은 입자는 스핀이라는 일종의 고유한 각운동량을 가지며 스핀 효과를 포착하는 용어가 위로 올라갑니다.
Figueiredo는 분자가 보다 현실적인 입자 상호 작용의 기하학적 토대를 찾는 비결이 될 수 있다고 생각했습니다. 그녀는 분모 대신에 분수의 분자가 매우 작아지는 충돌을 찾기 시작했습니다. 이러한 진폭의 전체 값은 0에 가까워지므로 확률이 희박하고 본질적으로 금지된 충돌을 나타냅니다.
이러한 "0"은 특이점보다 더 파악하기 어렵습니다. 파인만 다이어그램으로는 보기 어렵고 (정의상) 실험적으로 관찰하는 것은 거의 불가능합니다. 그러나 Figueiredo는 Arkani-Hamed 그룹으로부터 자취 파이 입방체 진폭을 결합면체의 부피로 재구성하는 방법을 배웠습니다. 그래서 그녀는 들어오고 나가는 입자를 조정하고 모양을 평평하게 만들어 볼륨을 사라지게 만드는 충돌을 찾았습니다.
이로 인해 그녀는 미량 파이 세제곱의 0이 되었습니다. 그런 다음 그녀는 변덕스럽게 다른 이론을 확인했습니다. 그녀는 동일한 충돌을 조사했지만 파이온(다른 규칙에 따라 작동하는 실제 입자)을 사용했습니다. 파이온에 대해 알려진 기하학적 이론이 없기 때문에 그녀는 파인만 다이어그램을 사용하여 진폭을 계산해야 했습니다. 그 결과는 놀라웠습니다. 파이온 이론은 또한 정확히 동일한 충돌을 불법으로 규정했습니다.
더 넓은 입자 물리학 커뮤니티에 Figueiredo의 음모는 갑자기 나타났습니다. Bourjaily는 Arkani-Hamed가 작년 컨퍼런스에서 결과를 놀렸을 때 청중에 있었습니다. 그는 다른 물리학자들이 파이온이 실제로 그렇게 근본적으로 단순한 입자와 유사하게 행동할 수 있는지 궁금해하며 머리를 긁적였던 것을 회상합니다. Bourjaily는 최대 14개의 입자와 관련된 충돌 음모를 신속하게 확인했습니다. 그 결과가 유효하다는 사실을 알게 된 그는 새로운 계획이 어떻게 최근에 발표된 예측을 사소한 계산으로 줄였는가에 놀랐습니다.
박사 학위를 취득한 Bourjaily는 “그들은 공짜로 얻은 힘들게 얻은 결과였습니다.”라고 말했습니다. 아르카니-하메드와 함께. “왜 그게 사실인지 모르겠어요.”
음모는 계속되었습니다. Yang-Mills 이론으로 알려진 글루온 법칙에 따르면 동일한 충돌은 불법인 것으로 밝혀졌습니다. 완전히 다른 세 가지 이론처럼 보였던 것은 모두 동일한 0을 공유했습니다. 피게이레도는 “이에 대한 합리적인 설명이 없었다”고 말했다.
추가 조사를 통해 이유가 밝혀졌습니다. 트레이스 파이 3차 이론의 곡선은 진폭에 대한 방정식을 제공합니다. 0은 이 진폭을 매우 견고하게 만듭니다. Figueiredo와 공동 작업자는 수정하고 0을 유지할 수 있는 방정식의 한 부분만 있습니다. 한 가지 방법으로 조정하면 파이온이 생겼습니다. 또 다른 하나는 글루온을 제공합니다. 그들은 세 가지 이론 모두 본질적으로 동일한 방식으로 표면의 곡선에서 나온다는 것을 깨달았습니다. Figueiredo와 Arkani-Hamed는 협력자인 Qu Cao, Jin Dong, Song He와 함께 지난 겨울에 연구 결과를 게시했습니다.
"우리는 이전에 알지 못했던 실제 프로세스에 대해 배우고 있습니다. 파이 입방체 [입자], 파이온 및 글루온이 … 매우 밀접하게 관련되어 있다는 사실과 같이" Arkani-Hamed가 말했습니다.
우여곡절
이후 다른 그룹도 더욱 발전했습니다.
처음에는 표면학 체계가 정수량의 스핀을 갖는 입자인 보존 사이의 충돌에만 적용되었습니다. 그러나 전자와 같이 우리 세계를 구성하는 많은 물질 입자는 반정수 양의 스핀을 갖는 페르미온입니다. Spradlin, Anastasia Volovich 및 Marcos Skowronek이 이끄는 Brown의 그룹은 표면학을 새로운 입자로 확장하는 데 진전을 이루었습니다. 그룹은 특정 장난감 페르미온을 수용할 수 있는 곡선에 대한 새로운 규칙 세트를 작성했습니다.
당시 데이비스 캘리포니아 대학교의 물리학자 슈루티 파란자페(Shruti Paranjape)는 지난 12월 한 회의에서 어떤 양자 이론이 "숨겨진" 0을 공유하는지 나열한 슬라이드를 보았을 때 그녀는 순간적인 인식을 느꼈습니다. 그것들은 모두 한 이론의 진폭의 두 복사본을 결합하여 다른 이론의 진폭을 만드는 것이 가능한 이론이었습니다. 이중 복사본이라고 알려진 다소 신비한 작업입니다. 그녀와 그녀의 동료들은 이론을 이중 복사할 수 있다면 그 이론은 Figueiredo가 발견한 0을 갖게 될 것임을 보여주었습니다. 이는 더 많은 이론이 기하학적 접힘에 포함될 수 있다는 또 다른 힌트입니다.
원래의 표면학 그룹은 그들의 곡선이 유색 입자의 진폭보다 훨씬 더 많은 것을 알고 있다는 징후를 추적하고 있습니다.
일반적인 절차는 서로 교차하지 않는 곡선만 그리는 것입니다. 그러나 자기교차 곡선을 포함시키면 이상하게 보이는 진폭이 나타나는데, 이는 입자 사이의 충돌이 아니라 끈으로 알려진 더 긴 물체 사이의 얽힌 상호작용을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 표면학은 양자 입자가 진동하는 에너지 끈으로 구성되어 있다고 가정하는 양자 중력의 후보 이론인 끈 이론의 또 다른 경로인 것으로 보입니다. Arkani-Hamed는 “우리가 아는 한 이 형식론에는 끈 이론이 포함되어 있지만 더 많은 일을 할 수 있게 해줍니다.”라고 말했습니다.
캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 박사후 연구원인 Shruti Paranjape는 표면학을 통해 밝혀진 입자 거동의 패턴을 수수께끼의 "이중 복사" 현상과 연결했습니다.
아시시 카카르
표면학은 중력을 전달하는 것으로 생각되는 입자인 중력을 설명할 수도 있습니다. 각 곡선이 트레이스 파이 큐브 진폭에 얼마나 기여하는지 연구하는 동안 그룹은 피할 수 없지만 최종 답을 변경하지는 않는 곡선을 발견했습니다. 표면에 구멍이 있으면 이 곡선은 구멍 주위를 영원히 돌며 결코 빠져나오지 않습니다. 시공간 관점에서 볼 때 이러한 곡선은 미량 파이 입방체 이론의 범위를 넘어서는 사건, 즉 연구자들이 궁극적으로 중력자를 설명할 수 있다고 믿는 무색 입자를 포착합니다.
이는 양자 중력에 대한 새로운 이론적 틀을 개발하려는 아르카니-하메드의 궁극적인 열망을 향한 중요한 단계가 될 것입니다.
Arkani-Hamed는 “아직 중력에 관한 완전한 작업 그림이 없습니다.”라고 말했습니다. "하지만 중력이 따라올 것이라는 암시가 점점 더 많아지고 있습니다."
새로운 시대를 위한 물리학
양자 중력에는 중력자보다 더 많은 것이 있는데, 이는 시공간에서 가장 약한 파동을 나타냅니다. 완전한 이론은 별이 붕괴하고 블랙홀을 형성하여 시공간 구조를 망각하게 만들 때 어떤 일이 일어나는지 설명하기 위해 잔물결을 넘어야 합니다. 또한 빅뱅 동안 시공간이 어떻게 존재하게 되었는지도 설명해야 합니다. 파인만 다이어그램은 양자장의 최소한의 파동만 포착하며 그 이상은 포착하지 않습니다. 따라서 물리학자들이 "비섭동적" 이론이라고 부르는 전체 그림은 이들 연구자들이 탐구하고 있는 기하학적 고생물학의 범위를 넘어서는 것일 수 있습니다.
매사추세츠 공과대학의 이론 물리학자인 다니엘 할로우(Daniel Harlow)는 “이것이 우리에게 시공간을 구축하는 방법을 알려준다면 나는 놀랄 것입니다.”라고 말했습니다. "내 편견은 양자 중력의 모든 좋은 것들이 교란되지 않는다는 것입니다."
Harlow는 블랙홀 내부를 포함하여 시공간 전체를 하나의 낮은 차원에서 움직이는 양자 입자의 홀로그램으로 처리하여 시공간 전체를 포착하려는 홀로그램이라는 또 다른 인기 연구 프로그램을 추진하고 있습니다.
Arkani-Hamed는 파인만 다이어그램 너머의 시공간 측면에 대한 맹목이 그의 접근 방식의 가장 큰 약점이라는 데 동의합니다. 그러나 그의 본능은 시공간이 출현하는 자연에 대한 더 깊은 수학적 설명이 어떤 방식으로든, 심지어 가장 약한 파문에도 불구하고 모든 물리학에 영향을 미칠 것이라는 것입니다. "어디서나 반향을 남겨야 합니다. 빅뱅에만 관련되어서는 안 됩니다."라고 그는 말했습니다.
그는 홀로그램이 충분히 급진적이지 않다고 생각합니다. 이는 공간의 한 차원이 어떻게 나타날 수 있는지 보여 주지만, 그렇지 않으면 양자 이론의 모든 친숙한 요소가 처음부터 거기에 있습니다. 일부 공간, 위치 및 시간을 표시하는 시계입니다. Arkani-Hamed는 이러한 모든 요소가 표면학에서와 마찬가지로 좀 더 원시적인 것에서 함께 나타나야 한다고 생각합니다.
그는 이 탐구가 야심적이며 어느 시점에서든 여전히 실패할 수 있다고 강조합니다. 그러나 그와 그의 협력자들은 그들이 얼마나 멀리까지 왔는지에 고무되어 앞으로 돌진하고 있습니다. 그는 소문난 성을 찾아 정글을 탐험하는 노력을 비유한다. 수색대는 진폭면체와 표면학이라는 두 개의 대리석 조각상을 우연히 발견했습니다. 어떻게 성 자체가 밖에 있지 않을 수 있나요?
“나에게 있어서 그것들은 모두 우리가 아직 보지 못한 훨씬 더 완벽한 것의 완벽한 덩어리입니다.”
수정: 2024년 9월 25일
기사에서는 원래 Shruti Paranjape가 숨겨진 제로에 대한 작업을 수행할 당시 대학원생으로 밝혀졌으나 실제로는 박사후 연구원이었습니다.
