對稱性一直是物理學家尋找基本自然規律的指導原則之一。
自然規律具有對稱性是什麼意思?意味著自然法則在翻轉後看起來是一樣的,類似於鏡子反射。
物理學家們一直在尋找微觀世界和宏觀世界共有的自然定律,他們希望這樣的基本定律在任何情況下都應該是對稱的。
然而,兩位物理學家近期發現的理論證明:在最基本的層面上,自然並不尊重對稱性。
怎麼做到的?
物理世界中有四種基本的力:電磁力、強力、弱力和引力。
引力是唯一在量子水平上仍然無法解釋的力。它對大物體(如恆星、行星等)的影響很容易被觀察到,但當人們試圖在基本粒子的小世界中理解引力時,事情就變得複雜起來。
為了試圖在量子層面上理解引力,東京卡夫利宇宙物理與數學研究所(Kavli Institute For The Physical And Matharis Of The Universal)所長小百合弘(Hirosi Ooguri)和麻省理工學院(Massachusetts Institute Of The Technology)助理教授丹尼爾·哈洛(Daniel Harlow)從全息原理開始。
這一原理解釋了在不受重力影響的二維平面空間上受重力影響的三維現象。這並不是我們宇宙的真實代表,但它足夠接近於幫助研究人員研究它的基本方面。
然後,兩人展示了量子糾錯碼是如何解釋三維引力現象是如何從二維(如全息圖)中突現出來的,與任何對稱都不兼容;這意味著這種對稱在量子引力中是不可能實現的。
研究人員表明,對稱性隻影響圖表中的陰影區域,而不影響中間點周圍,因此不可能存在全局對稱性。
他們在2019年發表了他們的科研成果,贏得了期刊編輯的高度讚揚和媒體的高度關注。
想法是如何產生的?
這件事始於四年多前,當時Ooguri偶然看到哈洛的一篇關於全息術及其與量子糾錯碼關係的論文,哈洛當時是哈佛大學的博士後。
不久之後,兩人在普林斯頓高等研究院相遇,當時烏古裡在那裡休假,哈洛來做研討會。
“我帶著問題去參加了他的研討會,”Ooguri說。
“後來我們討論了很多,然後我們開始想,也許他的這個想法可以用來解釋量子引力的一個基本屬性,即對稱性的缺失。”
同時也是美國加州理工學院教授的Ooguri說,新的研究合作和想法往往是從這樣的對話中誕生的。
Ooguri至少每兩週旅行一次,發表演講,參加會議、研討會和其他活動。雖然有些人可能會想,所有的旅行是否都有損於專注於研究,但Ooguri的看法恰恰相反。
“科學進步是偶然的,”他說。
“它經常以你意想不到的方式發生。那種發展仍然很難通過遠程交流實現,現在有了電子郵件和視頻會議,事情變得更容易了,”他繼續說,“但當你寫電子郵件時,你必須有東西可以寫。當有人在同一棟樓裡時,我可以穿過走廊,問一些愚蠢的問題。”
這些愚蠢的問題是基礎科學進步的關鍵。
Ooguri說,與其他領域不同,比如研究人員朝著特定目標努力的應用科學,理論物理學家提出的第一個問題或想法通常不是正確的。
但是,通過討論,其他研究人員提出的問題源於他們的好奇心,把研究帶到了一個新的方向,落到了一個非常有趣的問題上,這個問題有一個更有趣的答案。
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