Năm ngoái, nhà vật lý hạt nhân Lance Dixon đang chuẩn bị bài giảng khi ông nhận ra một sự tương đồng đáng chú ý giữa hai công thức mà ông dự định bao gồm trong các slides của mình.
Các công thức, được gọi là biên độ phân tán, cho ta biểu diễn xác suất của các kết quả có thể xảy ra sau các va chạm hạt nhân. Một trong những biên độ phân tán đại diện cho xác suất của việc hai hạt gluon va chạm và tạo ra bốn hạt gluon; biên độ phân tán khác đưa ra xác suất của việc hai hạt gluon va chạm để tạo ra một hạt gluon và một hạt Higgs.
“Tôi đã bắt đầu lẫn lộn vì chúng trông có vẻ tương tự,” nói Dixon, một giáo sư tại Đại học Stanford, “và sau đó tôi nhận ra rằng các con số về cơ bản giống nhau—chỉ là thứ tự đã bị đảo ngược.”
Ông chia sẻ quan sát của mình với đồng nghiệp qua Zoom. Không biết lý do tại sao hai biên độ phân tán này lại tương ứng, nhóm nghĩ rằng có thể đó chỉ là một sự trùng hợp. Họ bắt đầu tính toán hai biên độ này ở mức độ chính xác ngày càng cao (mức độ chính xác càng cao, họ càng phải so sánh nhiều hơn). Đến cuối cuộc gọi, sau khi tính toán hàng ngàn điều kiện và đều đồng thuận, các nhà vật lý khá chắc chắn rằng họ đang làm việc với một dạng song hình mới—một kết nối ẩn giữa hai hiện tượng khác nhau mà hiện tại chúng ta không thể giải thích được bằng hiểu biết vật lý hiện nay.
Bây giờ, dual hình diện, như các nghiên cứu viên gọi nó, đã được xác nhận cho các tính toán chính xác cao liên quan đến 93 triệu điều kiện. Mặc dù dual này xuất hiện trong một lý thuyết đơn giản về gluon và các hạt khác không hoàn toàn mô tả vũ trụ của chúng ta, nhưng có những dấu hiệu cho thấy một dual tương tự có thể tồn tại trong thế giới thực. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng việc nghiên cứu về phát hiện kỳ lạ này có thể giúp họ tạo ra những kết nối mới giữa những khía cạnh dường như không liên quan của vật lý hạt nhân.
“Đây là một phát hiện tuyệt vời vì nó hoàn toàn không ngờ,” nói Anastasia Volovich, một nhà vật lý hạt nhân tại Đại học Brown, “và vẫn chưa có giải thích vì sao nó lại đúng.”
Dixon và đội ngũ của ông đã phát hiện ra sự đối ngược song hình bằng cách sử dụng một “mã” đặc biệt để tính toán biên độ phân tán một cách hiệu quả hơn so với phương pháp truyền thống. Thông thường, để xác định xác suất của việc hai gluon năng lượng cao va chạm để tạo ra bốn gluon năng lượng thấp, bạn phải xem xét tất cả các lộ trình có thể dẫn đến kết quả này. Bạn biết đầu và đuôi của câu chuyện (hai gluon trở thành bốn), nhưng bạn cũng cần biết phần giữa—bao gồm tất cả các hạt có thể tạm thời xuất hiện và biến mất, nhờ vào sự không chắc chắn của cơ học lượng tử. Theo truyền thống, bạn phải cộng dồn xác suất của mỗi sự kiện giữa có thể, lấy chúng một cách từng bước.
Trong năm 2010, những tính toán cồng kềnh này đã được vượt qua bởi bốn nhà nghiên cứu, trong đó có Volovich, đã tìm ra một lối tắt. Họ nhận ra rằng nhiều biểu thức phức tạp trong tính toán biên độ có thể bị loại bỏ bằng cách tổ chức lại mọi thứ vào một cấu trúc mới. Sáu yếu tố cơ bản của cấu trúc mới, được gọi là “chữ cái,” là các biến đại diện cho sự kết hợp của năng lượng và moment của từng hạt. Sáu chữ cái tạo thành từng từ, và từ lại kết hợp để tạo ra các thuật ngữ trong mỗi biên độ phân tán.
Dixon so sánh mô hình mới này với mã gen, trong đó bốn khối hóa học kết hợp để tạo ra gen trong một chuỗi DNA. Giống như mã gen, “DNA của phân tán hạt,” như anh ấy gọi, có các quy tắc về việc kết hợp từ ngữ nào được phép. Một số quy tắc này xuất phát từ các nguyên lý vật lý hoặc toán học đã biết, nhưng một số khác dường như là tùy ý. Cách duy nhất để khám phá một số quy tắc là bằng cách tìm kiếm các mẫu ẩn trong các phép tính dài.
Khi đã tìm thấy, những quy tắc khó hiểu này đã giúp các nhà vật lý hạt tính toán amplitudes phân tán ở mức độ chính xác cao hơn so với phương pháp truyền thống. Việc tái cấu trúc cũng giúp Dixon và các đồng nghiệp của ông phát hiện ra mối liên kết ẩn giữa hai amplitudes phân tán dường như không liên quan.
Ở trung tâm của sự đối nghịch là “bản đồ đối nghịch.” Trong hình học, bản đồ đối nghịch lấy một điểm trên một quả cầu và đảo ngược các tọa độ, đưa bạn thẳng qua trung tâm của quả cầu đến một điểm ở phía bên kia. Đó là sự tương đương toán học của việc đào một lỗ từ Chile đến Trung Quốc.
Trong amplitudes phân tán, bản đồ đối nghịch mà Dixon tìm thấy có phần trừu tượng hơn. Nó đảo ngược thứ tự của các chữ được sử dụng để tính amplitudes. Áp dụng bản đồ đối nghịch này cho tất cả các thành phần trong amplitudes phân tán cho hai gluon biến thành bốn, và (sau một thay đổi đơn giản về biến số) điều này dẫn đến amplitudes cho hai gluon biến thành một gluon cộng với một Higgs.
Trong so sánh DNA của Dixon, sự đối nghịch giống như việc đọc một chuỗi gen ngược lại và nhận ra rằng nó mã hóa một protein hoàn toàn mới không liên quan đến protein được mã hóa bởi chuỗi ban đầu.
“Chúng tôi tất cả trước đây đều tin rằng bản đồ đối nghịch là vô dụng. Dường như nó không có ý nghĩa vật lý nào, hoặc làm bất cứ điều gì có ý nghĩa,” nói Matt von Hippel, một chuyên gia về amplitudes tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, người không tham gia vào nghiên cứu. “Và bây giờ có sự đối nghịch hoàn toàn không thể giải thích được sử dụng nó, điều đó khá là điên rồ.”
Bây giờ có hai câu hỏi lớn. Thứ nhất, tại sao sự đối nghịch tồn tại? Và thứ hai, liệu một kết nối tương tự có thể được tìm thấy trong thế giới thực không?
17 hạt cơ bản đã biết tới, tạo nên thế giới của chúng ta tuân theo một bộ phương trình được gọi là Mô hình Tiêu chuẩn của vật lý hạt. Theo Mô hình Tiêu chuẩn, hai gluon, những hạt không khối liên kết các hạt nhân nguyên lại với nhau một cách dễ dàng để làm tăng số lượng của chúng lên gấp đôi, trở thành bốn gluon. Tuy nhiên, để tạo ra một gluon và một hạt Higgs, gluon va chạm phải biến thành một quark và một antiquark trước; sau đó, chúng biến đổi thành một gluon và một Higgs thông qua một lực khác với lực quy định tương tác tương tác của gluon.
Hai quá trình phân tán này quá khác biệt, với một liên quan đến một khu vực hoàn toàn khác của Mô hình Tiêu chuẩn, nên một sự đối nghịch giữa chúng sẽ làm cho người ta rất ngạc nhiên.
Nhưng sự đối nghịch đối nghịch cũng không mong đợi trong mô hình đơn giản hóa của vật lý hạt mà Dixon và đồng nghiệp đang nghiên cứu. Mô hình đồ chơi của họ quy định gluon hư cấu với đối xứng bổ sung, giúp tính toán chính xác hơn amplitudes phân tán. Sự đối nghịch kết nối quá trình phân tán liên quan đến gluon này và một quá trình yêu cầu tương tác bên ngoại với các hạt được mô tả bằng một lý thuyết khác.
Dixon nghĩ ông ta có một gợi ý rất mong manh về nguồn gốc của sự đối nghịch.
Hãy nhớ những quy tắc không thể giải thích được được Volovich và đồng nghiệp của cô tìm thấy, quy định các kết hợp từ ngữ nào được phép trong một amplitude phân tán. Một số quy tắc dường như ngẫu nhiên hạn chế chữ cái nào có thể xuất hiện liền kề nhau trong amplitude từ gluon thành gluon cộng với Higgs. Nhưng chuyển đổi những quy tắc đó sang phía bên kia của sự đối nghịch, chúng biến thành một bộ quy tắc đã được xác định rõ đảm bảo nguyên nhân—đảm bảo rằng các tương tác giữa các hạt đến trước khi các hạt đi ra xuất hiện.
Đối với Dixon, điều này là một gợi ý rất nhỏ về một kết nối vật lý sâu sắc hơn giữa hai amplitude này, và một lý do để nghĩ rằng điều gì đó tương tự có thể áp dụng trong Mô hình Tiêu chuẩn. “Nhưng nó khá yếu đuối,” ông nói. “Nó giống như thông tin từ người khác.”
Đối nghịch khác giữa các hiện tượng vật lý không tương quan đã được tìm thấy. Correspondence AdS-CFT, ví dụ, trong đó một thế giới lý thuyết không có trọng lực là đối nghịch với một thế giới có trọng lực, đã kích thích hàng nghìn bài nghiên cứu kể từ khi phát hiện nó vào năm 1997. Nhưng đối nghịch này, cũng chỉ tồn tại cho một thế giới trọng lực với hình học bị méo khác với thế giới thực tế. Tuy nhiên, đối với nhiều nhà vật lý, sự thật là nhiều đối nghịch gần như áp dụng trong thế giới của chúng ta là gợi ý rằng họ có thể đang cào bằng bề mặt của một cấu trúc lý thuyết toàn diện trong đó những kết nối ngạc nhiên này trở nên rõ ràng. “Tôi nghĩ chúng là một phần của câu chuyện,” Dixon nói.
Chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một tờ báo độc lập về biên tập thuộc Quỹ Simons có sứ mệnh là tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao quát các phát triển và xu hướng nghiên cứu trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.