为什么物理定律是不可避免的

经许可转载自广达电脑杂志”年代抽象博客

C与宇宙未解之谜相比，关于过去半个世纪以来物理学中最深刻的事实之一的讨论要少得多：令人惊讶的是，大自然就是这样，因为它没有任何不同。“我们所拥有的物理定律中没有自由，”他说丹尼尔·鲍曼他是阿姆斯特丹大学的理论物理学家。

自20世纪60年代以来，在过去的十年中，鲍曼这样的物理学家越来越多地使用一种被称为“自举”的技术来推断自然规律。这种方法假设定律本质上是通过它们的相互一致性相互支配的，即大自然“通过自己的引导自我提升”。这个想法最终解释了大量关于宇宙的问题。

“我发现这种推理比爱因斯坦的抽象推理更有说服力。”

在自举过程中，物理学家确定了具有不同“自旋”量或固有角动量的基本粒子的行为是如何一致的。通过这样做，他们重新发现了塑造宇宙的四种基本力量。最引人注目的是具有两个自旋单位的粒子：诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）显示1964年，自旋2粒子的存在不可避免地导致了广义相对论——阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论。爱因斯坦通过对下落的电梯和扭曲的空间和时间的抽象思考得出了广义相对论，但该理论也直接遵循了一个基本粒子在数学上的一致行为。

“我发现重力[和其他力量]的必然性是自然界最深刻、最鼓舞人心的事实之一，”他说Laurentiu罗迪纳他是CEA Saclay理论物理研究所的理论物理学家，曾帮助现代化和普遍化2014年温伯格的证明。“也就是说，自然首先是自洽的。”

自举电路是如何工作的

粒子的自旋反映了它潜在的对称性，或者它可以被变换而保持不变的方式。例如，自旋为1的粒子在旋转一整圈后返回到相同的状态。自旋为1/2的粒子必须完成两次完整的旋转才能回到相同的状态，而自旋为2的粒子仅旋转半圈后看起来是相同的。基本粒子只能携带0、1/2、1、3/2或2个自旋单位。

为了弄清楚给定自旋的粒子可能的行为，自举者考虑简单的粒子相互作用，比如两个粒子湮灭并产生第三个粒子。粒子的自旋限制了这些相互作用。例如，当所有参与粒子旋转180度时，自旋2粒子的相互作用必须保持不变，因为它们在这样的半圈内是对称的。

相互作用必须遵守其他一些基本规则：动量必须守恒；相互作用必须尊重局部性，这决定了粒子通过在空间和时间上相遇而分散；所有可能结果的概率加起来必须为1，这一原则被称为统一性。这些一致性条件转化为粒子相互作用必须满足的代数方程。如果对应于特定相互作用的方程有解，那么这些解往往在自然界中实现。

例如，考虑光子的情况，自旋为1的无质量光和电磁粒子。对于这样的粒子，描述四粒子相互作用的方程——两个粒子进入，两个粒子出来，也许在碰撞和散射之后——没有可行的解。因此，光子不会以这种方式相互作用。鲍曼解释说:“这就是为什么光波不会相互散射，我们可以在宏观距离上看到。”光子可以参与其他类型粒子的相互作用，例如自旋为1/2的电子。这些对光子相互作用的约束导致了麦克斯韦方程，这个有154年历史的电磁学理论。

或者以胶子为例，胶子是一种传递将原子核结合在一起的强大力的粒子。胶子也是无质量自旋-1粒子，但它们代表了存在多种类型的相同无质量自旋-1粒子的情况。与光子不同，胶子可以满足四粒子相互作用方程，这意味着它们可以自我相互作用。这些胶子自相互作用的约束条件与量子色动力学——强作用力理论——给出的描述相匹配。

第三种情况涉及具有质量的自旋1粒子。质量是在宇宙诞生时对称性被打破时产生的：一个常数——无处不在的希格斯场的值自发地从零变为正数，使许多粒子充满了质量。希格斯粒子对称性的破坏产生了称为W玻色子和Z玻色子的大质量自旋1粒子，它们是导致放射性衰变的弱力的载体。

然后“对于spin-2，奇迹发生了，”他说亚当·福尔科夫斯基他是法国奥赛理论物理实验室的理论物理学家。在这种情况下，四粒子相互作用方程的解一开始似乎被无穷所困扰。但物理学家发现，这种相互作用可以以三种不同的方式进行，而与这三种不同选项相关的数学术语完美地合二为一，抵消了无穷大，从而获得了一个解。

这个解决方案就是引力子:一种自旋为2的粒子，它以相同的强度与自身和其他所有粒子耦合。这种公平直接导致了广义相对论的核心原则:等效原则，爱因斯坦的假设，即引力与弯曲时空中的加速度是不可区分的，引力质量和内在质量是相同的。法尔考斯基在谈到自力更生的方法时说:“我发现这种推理比爱因斯坦的抽象推理更有说服力。”

因此，通过思考基本对称对基本粒子相互作用的约束，物理学家可以理解形成原子的强力和弱力的存在，以及塑造整个宇宙的电磁力和重力的存在。

此外，自举者发现许多不同的自旋0粒子是可能的。唯一已知的例子是希格斯玻色子，这种粒子与打破对称性的希格斯场有关，它将质量注入其他粒子。一种假设的自旋为0的粒子，被称为膨胀，可能驱动了宇宙的最初膨胀。这些粒子缺乏角动量意味着更少的对称性限制了它们的相互作用。正因为如此，自举者可以推断出更少的关于自然的支配法则，而自然本身有更多的创造性许可。

自旋为1/2的物质粒子也有更多的自由度。这些粒子组成了我们称之为物质的大质量粒子家族，它们各自因其质量和与各种力的耦合而不同。例如，我们的宇宙包含与胶子和光子相互作用的自旋1/2夸克，以及与两者都不相互作用的自旋中微子。

自旋谱停止在2，因为在四粒子相互作用方程中的无限大杀死了所有具有更高自旋值的无质量粒子。如果它们的质量非常大，那么高自旋态就可以存在，而这些粒子确实在量子引力理论(如弦理论)中发挥了作用。但是高自旋粒子无法被探测到，它们也无法影响宏观世界。

未发现的国家

自旋为3/2的粒子可以完成0,1 /2,1,3 /2,2的模式，但前提是“超对称”在宇宙中成立——也就是说，如果每个自旋为整数的力粒子都有一个自旋为半整数的物质粒子。近年来，实验已经开始排除许多最简单的超对称形式。但是，自旋光谱中的缺口给一些物理学家留下了深刻的印象，他们认为超对称性是真的，自旋为3/2的粒子是存在的。

在他的作品中，鲍曼将自举法应用于宇宙的起源。最近的一篇Quanta文章描述了他和其他物理学家如何利用对称性和其他原理来限制这些第一时刻的可能性。

鲍曼说:“从美学的角度来看，这些定律是不可避免的——物理学定律的某些必然性可以由少数几条原理总结出来，然后引出构建宏观世界的积木。”

Natalie Wolchover是广达电脑涵盖自然科学的杂志。此前，她曾为科普读物，《生活科学》和其他出版物。她拥有塔夫茨大学的物理学学士学位，在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)攻读研究生级物理学，并与人合著了几篇非线性光学方面的学术论文。她的作品被刊登在杂志上2015年数学最佳写作．她是2016年卓越统计报告奖、2016年Evert Clark/Seth Payne奖和2017年美国物理学会科学传播文章奖的获得者。