Quanta-lehden artikkelissa hollantilainen fyysikko ja matemaatikko Robbert Dijkgraaf käyttää "maiseman" spatiaalista metafooria selittämään jousuteorian vallankumouksellista merkitystä maailmankaikkeuden ymmärtämisessä.
Kvantfysiikan tärkein ongelma
Kuvittele, että Alicea ja Bobia pyydetään keittämään illallista. Alice rakastaa kiinalaista ruokaa, Bob rakastaa italialaista. Jokainen heistä valitsee suosikki reseptinsä, ostaa paikallisesta myymälästä ja seuraa ohjeita selkeästi. Mutta kun he ottavat ruoan uunista, molemmat ovat melko yllättyneitä. Molemmat ruokia osoittautuvat täsmälleen samoiksi. Voidaan vain kuvitella eksistentiaaliset kysymykset, joita Alice ja Bob esittävät. Kuinka eri aineosat voivat tehdä samoja ruokia? Mitä edes keittää kiinalaista tai italialaista ruokaa? Vai lähestyivätkö he keittoprosessia niin väärin?
Tämä on esimerkki kvanttifysiikan keskeisestä dilemmasta. He löysivät monia esimerkkejä siitä, kuinka kaksi täysin erilaista käsitettä voivat kuvata samaa fyysistä järjestelmää. Fysiikassa lihan ja kastikkeiden sijasta hiukkaset ja voimat toimivat ainesosina, reseptit ovat vuorovaikutuskaavoja, ja keittoprosessi on mitätöintimenettely, joka asettaa fysikaalisten ilmiöiden todennäköisyyden kaavojen mukaisesti. Aivan kuten Alice ja Bob, tutkijat ovat hämmästyneitä siitä, kuinka erilaiset reseptit johtavat samoihin tuloksiin.
Onko luonnolla kyky valita peruslakejaan? Albert Einstein uskoi sikäli kuin me tiedämme, tietyssä mielessä on vain yksi tapa, joka perustuu muutamiin perusperiaatteisiin, rakentaa tyylikäs, toimiva maailmankaikkeus. Hänen näkökulmasta katsotaan, että jos tutkimme fysiikan olemusta riittävän syvällä tasolla, niin joudumme siihen tulokseen, että universaalin kellotyön kaikkien vaihteiden - aineen, säteilyn, voimien, tilan ja ajan - vuorovaikutuksessa on vain yksi mahdollinen tapa.
Jousteteoria "kaiken teoriana"
Mainosvideo:
Hiukkasfysiikan nykyinen vakiomalli on inertti mekanismi, joka koostuu vähäisestä ainesosien joukosta. Mutta näennäisestä ainutlaatuisuudesta huolimatta universumimme on vain yksi lukemattomista mahdollisista maailmoista. Meillä ei ole yhtään käsitystä siitä, miksi tämä hiukkaskokoonpano ja niitä käyttävät voimat ovat maailmanjärjestyksemme perusta.
Miksi kvarkeista on kuusi "makua", kolme "sukupolvea" neutriinoja ja yksi Higgs-hiukkas? Lisäksi yhdeksäntoista perustavanlaatuista fysikaalista vakiota (kuten elektronin massa ja varaus) sisältyy standardimalliin. Näyttää siltä, että näiden "vapaiden parametrien" arvoilla ei ole mitään syvää merkitystä. Toisaalta hiukkasfysiikka on esimerkki eleganssista. Toisaalta, se on vain kaunis teoria.
Jos maailmamme on vain yksi monista, niin mitä meillä on vaihtoehtoisilla maailmoilla? Nykyinen näkökulma on ehdoton vastakohta Einsteinin ajatukselle ainutlaatuisesta maailmankaikkeudesta. Nykyaikaiset fyysikot kattavat valtavan tilan todennäköisyyksiä ja yrittävät ymmärtää sen yhteyksien logiikkaa. Kultakatsastajista he ovat kehittyneet maantieteilijöiksi ja geologeiksi, kartoittaen maisemaa ja tutkivat yksityiskohtaisesti maata muokanneet voimat.
Virstanpylväs tässä prosessissa oli joustoteorian synty. Tällä hetkellä hän on ainoa ehdokas "kaiken teorian" tittelille. Hyvä uutinen on, että jousiteoriassa ei ole ilmaisia parametreja. Ei ole kysymys siitä, mikä jousiteoria kuvaa universumiamme, koska se on ainutlaatuinen. Lisätoimintojen puuttuminen johtaa radikaaleihin seurauksiin. Kaikki luonnossa olevat numerot on määritettävä fysiikan itse. Nämä eivät ole "luonnon vakioita", vaan yksinkertaisesti yhtälöistä saatuja muuttujia (joskus, vaikka uskomattoman monimutkaisia).
Huonoja uutisia, herrat. Jousiteorian ratkaisutila on laaja ja monimutkainen. Tämä on fysiikan kannalta normaalia. Perinteisesti erotetaan peruslait, jotka perustuvat matemaattisiin yhtälöihin ja näiden yhtälöiden ratkaisuihin. Yleensä on olemassa useita lakeja ja rajaton määrä ratkaisuja. Otetaanpa Newtonin lait. Ne ovat teräviä ja tyylikkäitä, mutta kuvailevat uskomattoman laajaa joukkoa ilmiöitä pudottavasta omenasta kuun kiertoradalle. Tietäen järjestelmän alkuperäisen tilan, näitä lakeja voidaan käyttää kuvaamaan järjestelmän tilaa seuraavana hetkellä. Emme odota tai vaadi universaalia ratkaisua, joka kuvailisi kaikkea.
Ekumeeninen maisema
Jousijonoteoriassa jotkut elementit, joita pidetään yleisesti laeina, ovat todella ratkaisuja. Ne määräytyvät piilotettujen lisämittojen muodon ja koon mukaan. Kaikkien näiden ratkaisujen tilaa kutsutaan usein "maisemaksi", mutta tämä sanotaan liian kevyesti. Jopa kaikkein vaikuttavimmat vuoristomaisemat ovat vaaleita tämän tilan laajuutta vastaan. Ja vaikka sen maantiedettä ei ole vielä tutkittu täysin, voidaan turvallisesti sanoa, että sen maanosat ovat valtavia.
Yksi teoreettisemmista oletuksista on, että kaikki on mahdollisesti kytketty toisiinsa. Jos ravistamme maailmankaikkeutta hyvin, voisimme siirtyä hypoteettisesta maailmasta toiseen, muuttaa sitä, mitä olemme tottuneet harkitsemaan luonnon lakien muuttumattomuutta, ja saamaan uuden yhdistelmän alkeispartikkeleista, jotka muodostavat todellisuutemme.
Mutta kuinka voimme tutkia maailmankaikkeuden fyysisten mallien laajaa maisemaa, jolla voi helposti olla satoja ulottuvuuksia? Ajattele sitä erämaata, joka on suurelta osin kehittymätöntä osaa, suuri osa siitä on piilotettu vastamättömän monimutkaisten paksujen kerrosten alle. Siirtyvät paikat löytyvät vain aivan rajoista. Täällä elämä on yksinkertaista ja ilmaista. Tässä ovat perusmallit, jotka ymmärrämme täydellisesti. Ne eivät ole kovin tärkeitä kuvaamassa todellista maailmaa, mutta ne ovat kätevä lähtökohta lähialueen tutkimiseen.
Hyvä esimerkki on kvantielektrodynamiikka (QED), teoria, joka kuvaa aineen ja valon vuorovaikutusta. Tällä mallilla on yksi parametri, nimeltään”hienorakennevakio”, joka ilmaisee kahden elektronin välisen vuorovaikutuksen voimakkuuden. Numeerisesti se on lähellä 1/137. QED: ssä kaikkien prosessien voidaan katsoa johtuvan alkeisvaikutuksista. Esimerkiksi kahden elektronin hylkäämistä voidaan ajatella fotonien vaihtona. Kvanttielektrodynamiikka ehdottaa pohtimaan kaikkia mahdollisia tapoja, joilla kaksi elektronia voivat vaihtaa fotoneja.
Käytännössä tämä tarkoittaa, että fyysikoilla on tarve laskea äärettömät summat, joiden monimutkaisuus on suuri. Mutta teoria tarjoaa myös tien ulos: jokainen ylimääräinen fotonien vaihto lisää tilan, jossa hienorakennevakio nostetaan seuraavaan voimaan. Koska näiden vaihtojen määrä on suhteellisen pieni, lisäehdoilla ei ole paljon vaikutusta. Ne voidaan jättää huomiotta tuomalla ne lähemmäksi "todellista" arvoa. Löydämme nämä löyhästi kytketyt teoriat maiseman etuosista. Tässä voimat ovat heikot, ja on järkevää puhua ainesosien luettelosta - alkuainehiukkasista - ja niiden vuorovaikutuksen resepistä. Mutta jos jätämme asuttavista paikoistamme ja sukellamme kartoittamattomaan erämaahan, jokaisesta lisäehdosta tulee yhä tärkeämpi. Nyt emme enää tee eroa yksittäisten hiukkasten välillä. Ne liukenevatmuuttuu sotkeutuneeksi energian verkkoksi, kuten uunissa olevan piirakan aineosat.
Kaikki ei kuitenkaan ole menetetty. Joskus toinen polku nähdään polun lopussa. Toisin sanoen, toinen hyvin hallittu malli, tällä kertaa koostuen täysin erilaisista hiukkasista ja voimista. Tällaisissa tapauksissa on olemassa kaksi vaihtoehtoista reseptiä samaan taustalla olevaan fysiikkaan, kuten Alice ja Bobin illallisilla. Näitä konjugaattikuvauksia kutsutaan kaksoismalleiksi, ja niiden välistä yhteyttä kutsutaan kaksinaisuudeksi. Nämä vastakohdat voidaan nähdä suurena yleistyksenä Heisenbergin löytämästä kuuluisasta aaltohiukkasten dualismista. Alice ja Bob tapauksessa se tapahtuu muunnoksena kiinalaisista ja italialaisista resepteistä.
Kaikki on kytketty toisiinsa
Miksi se on kaikki fysiikan kannalta niin jännittävää? Ensinnäkin oletus, että monet (ellei kaikki) mallit ovat osa yhtä suurta, toisiinsa kytkettyä tilaa, on yksi modernin kvanttifysiikan yllättävimmistä havainnoista. Tämä on muutos näkökulmassa, joka on nimeltään "paradigman muutos". Hajallaan olevien saaristojen sijasta tutkimme yhtä suurta mannerosaa.
Tutkimalla yhtä mallia riittävän syvällisesti, pystymme ymmärtämään ne kaikki. Voimme tutkia näiden mallien välistä suhdetta keskittymällä niiden rakenteen yleiseen ääriviivaan. On tärkeätä huomata, että tämä ilmiö riippuu suuresti siitä, onko jousiteoria yhdenmukainen todellisen maailman kanssa. Tämä ominaisuus kuuluu luonnollisesti kvanttifysiikkaan, joka on muuttumaton riippumatta siitä, mistä "kaiken teoria" osoittautuu.
Dramaattisempi on päätelmä, jonka mukaan kaikkien perinteisten fysiikan teorioiden on mentävä historian roskakoriin. Hiukkaset, kentät, voimat, symmetriat - kaikki nämä ovat vain vapaan elämän esineitä loputtoman maiseman edessä, jota ei voida ajatella. Vaikuttaa uskomattomalta tai ainakin äärimmäisen rajoitetulta katsoa fysiikkaa perusalusten muodossa.
Ehkä on olemassa täysin uusi rakenne, joka yhdistää luonnon peruslakit ja jättää huomioimatta kaikki käsitteet, joihin olemme tottuneet. Jousateorian matemaattiset hienoukset ja tyylikkyys ovat houkutteleva motivaatio hyväksyä tämä näkökulma. Mutta olkaamme rehellisiä. Hyvin harvat modernit ideat hiukkasten ja kenttien tilalle ovat "tarpeeksi hulluja ollakseen totta", kuten Niels Bohr totesi.
