V článku z časopisu Quanta holandský fyzik a matematik Robbert Dijkgraaf používa priestorovú metaforu „krajiny“na vysvetlenie revolučného významu teórie strún na pochopenie vesmíru.
Hlavné dilema kvantovej fyziky
Predstavte si, že Alice a Bob sú požiadaní, aby uvarili večeru. Alice miluje čínske jedlo, Bob miluje taliančinu. Každý z nich si vyberie svoj obľúbený recept, nákupy v miestnom obchode a jasne sa riadi pokynmi. Keď však jedlo vyberú z rúry, obe sú celkom prekvapené. Obe jedlá sa ukázali byť úplne rovnaké. Dá sa len predstaviť existenciálne otázky, ktoré kladú Alice a Bob. Ako môžu rôzne ingrediencie pripraviť rovnaké jedlá? Čo to znamená variť čínske alebo talianske jedlo? Alebo sa k procesu varenia dostali tak zle?
Toto je ilustrácia ústrednej dilemy kvantových fyzikov. Našli veľa príkladov toho, ako môžu dva úplne odlišné pojmy opísať ten istý fyzický systém. V prípade fyziky, namiesto mäsa a omáčok, fungujú častice a sily ako prísady, recepty sú interakčné vzorce a proces varenia je proces diskretizácie, ktorý dáva pravdepodobnosť fyzikálnych javov do súladu s receptúrami. Rovnako ako Alice a Bob aj vedci sú prekvapení, ako rôzne recepty vedú k rovnakým výsledkom.
Mala príroda schopnosť zvoliť si základné zákony? Albert Einstein, pokiaľ vieme, veril v tom zmysle, že existuje len jeden spôsob založený na niekoľkých základných princípoch, ako vybudovať elegantný a fungujúci vesmír. Z jeho pohľadu, ak skúmame podstatu fyziky na dostatočne hlbokej úrovni, dospejeme k záveru, že existuje iba jediný možný spôsob interakcie všetkých zariadení univerzálneho strojčeka - hmoty, žiarenia, síl, priestoru a času.
Teória strún ako „teória všetkého“
Propagačné video:
Súčasný štandardný model fyziky častíc je inertný mechanizmus tvorený chudou sadou prísad. Ale napriek zdanlivej jedinečnosti je náš vesmír iba jedným z nespočetných možných svetov. Nemáme najmenšiu predstavu, prečo je táto konkrétna konfigurácia častíc a sily, ktoré na ne pôsobia, základom nášho svetového poriadku.
Prečo existuje šesť „príchutí“kvarkov, tri „generácie“neutrín a jedna Higgsova častica? Okrem toho je do štandardného modelu zahrnutých devätnásť základných fyzikálnych konštánt (napríklad hmotnosť a náboj elektrónu). Zdá sa, že hodnoty týchto „voľných parametrov“nemajú žiadny hlboký význam. Na jednej strane je časticová fyzika príkladom elegancie. Na druhej strane je to iba krásna teória.
Ak je náš svet iba jedným z mnohých, potom čo máme robiť s alternatívnymi svetmi? Súčasný pohľad je absolútnym opakom Einsteinovej myšlienky jedinečného vesmíru. Moderní fyzici pokrývajú obrovský priestor pravdepodobností a snažia sa pochopiť logiku svojich prepojení. Z prieskumníkov zlata sa vyvinuli v geografov a geológov, zmapovali krajinu a podrobne študovali sily, ktoré ju formovali.
Míľnikom v tomto procese bolo zrodenie strunovej teórie. V súčasnosti je jediným kandidátom na titul „teória všetkého“. Dobrou správou je, že v strunovej teórii neexistujú žiadne bezplatné parametre. Niet pochýb o tom, ktorá teória strún popisuje náš vesmír, pretože je jedinečná. Absencia akýchkoľvek ďalších funkcií vedie k radikálnym dôsledkom. Všetky čísla v prírode musia byť určené samotnou fyzikou. Nejde o „konštanty prírody“, ale iba o premenné získané z rovníc (niekedy, aj keď neuveriteľne zložité).
Zlé správy, páni. Priestor na riešenie teórie strún je rozsiahly a zložitý. To je pre fyziku normálne. Základné zákony sa tradične rozlišujú na základe matematických rovníc a ich riešení. Zvyčajne existuje niekoľko zákonov a nekonečné množstvo riešení. Zoberme si Newtonove zákony. Sú svieže a elegantné, ale opisujú neuveriteľne širokú škálu javov, od padajúceho jablka po lunárnu obežnú dráhu. Tieto zákony, ktoré poznajú počiatočný stav systému, môžu byť použité na opísanie jeho stavu v nasledujúcom okamihu. Neočakávame ani nevyžadujeme univerzálne riešenie, ktoré by popisovalo všetko.
Ekumenická krajina
V teórii strun sú niektoré z prvkov, ktoré sa bežne považujú za zákony, skutočne riešeniami. Sú určené tvarom a veľkosťou skrytých rozmerov. Priestor všetkých týchto riešení sa často označuje ako „krajina“, ale to sa hovorí príliš ľahko. Aj tie najpôsobivejšie horské krajiny blednú proti rozľahlosti tohto priestoru. Aj keď jej geografia ešte nie je úplne preskúmaná, je možné povedať, že jej kontinenty sú obrovské.
Jedným z prepracovanejších predpokladov je, že všetko je možno vzájomne prepojené. Ak dobre zatrasieme vesmírom, mohli by sme sa presunúť z jedného hypotetického sveta do druhého, zmeniť to, čo sme zvykli brať do úvahy nemenné zákony prírody, a získať novú kombináciu elementárnych častíc, ktoré tvoria našu realitu.
Ako však preskúmame rozsiahlu krajinu fyzikálnych modelov vesmíru, ktoré by mohli mať ľahko stovky dimenzií? Predstavte si to ako do značnej miery nerozvinutý úsek divočiny, z veľkej časti skrytý pod silnými vrstvami neodolateľnej komplexnosti. Obývateľné miesta nájdete iba na samých hraniciach. Život je tu jednoduchý a slobodný. Tu sú základné modely, ktorým úplne rozumieme. Nie sú veľmi dôležité pri popisovaní skutočného sveta, ale slúžia ako vhodný východiskový bod na objavovanie najbližšieho okolia.
Dobrým príkladom je kvantová elektrodynamika (QED), teória, ktorá opisuje interakcie medzi hmotou a svetlom. Tento model má jeden parameter nazývaný „konštanta jemnej štruktúry“, ktorý vyjadruje silu interakcie medzi dvoma elektrónmi. Numericky je to blízko 1/137. V QED sa všetky procesy môžu považovať za procesy, ktoré vyplývajú zo základných interakcií. Napríklad odpudzovanie dvoch elektrónov sa dá považovať za výmenu fotónov. Kvantová elektrodynamika navrhuje zvážiť všetky možné spôsoby, ktorými si dva elektróny môžu vymieňať fotóny.
V praxi to znamená, že fyzici čelia potrebe vypočítať nekonečné sumy veľkej zložitosti. Teória však ponúka aj východisko: každá ďalšia výmena fotónov dodáva stav, v ktorom sa konštanta jemnej štruktúry zvyšuje na ďalšiu silu. Pretože počet týchto výmen je pomerne malý, dodatočné podmienky nemajú veľký vplyv. Možno ich zanedbať priblížením sa k „skutočnej“hodnote. Tieto voľne spojené teórie nájdeme na okrajoch krajiny. Tu sú sily slabé a má zmysel hovoriť o zozname prísad - elementárnych častíc - ao receptúre ich vzájomného pôsobenia. Ale ak opustíme naše obývateľné miesta a ponoríme sa do nezmapovanej divočiny, každá ďalšia podmienka bude čoraz dôležitejšia. Teraz už nerozlišujeme medzi jednotlivými časticami. Rozpúšťajú sapremieňajúc sa na zamotanú sieť energie, ako zložky koláča v rúre.
Nie všetko sa však stratí. Na konci cesty sa niekedy objaví ďalšia základňa. Inými slovami, ďalší dobre kontrolovaný model, tentoraz pozostávajúci z úplne iného súboru častíc a síl. V takýchto prípadoch existujú dva alternatívne recepty na rovnakú základnú fyziku, ako pri večeri Alice a Boba. Tieto konjugované opisy sa nazývajú duálne modely a spojenie medzi nimi sa nazýva dualita. Tieto protiklady možno považovať za veľkú zovšeobecnenie slávneho dualizmu vlny a častíc, ktorý objavil Heisenberg. V prípade Alice a Boba má formu konverzie medzi čínskymi a talianskymi receptami.
Všetko je vzájomne prepojené
Prečo je to z fyzického hľadiska také vzrušujúce? Po prvé, predpoklad, že veľa (ak nie všetky) modely sú súčasťou jedného obrovského vzájomne prepojeného priestoru, je jedným z najprekvapivejších nálezov modernej kvantovej fyziky. Je to zmena v perspektíve, ktorá si zaslúži byť nazývaná „zmena paradigmy“. Namiesto súostrovia roztrúsených ostrovov preskúmame jeden obrovský kontinent.
V určitom zmysle tým, že budeme študovať jeden model dostatočne hlboko, budeme schopní porozumieť všetkým. Môžeme preskúmať vzťah medzi týmito modelmi zameraním sa na všeobecný náčrt ich štruktúry. Je dôležité poznamenať, že tento jav je veľmi závislý od toho, či je teória strún v súlade so skutočným svetom. Táto vlastnosť je obsiahnutá v kvantovej fyzike, ktorá je nemenná bez ohľadu na to, čo sa ukáže ako „teória všetkého“.
Dramatickejší je záver, že všetky tradičné teórie základnej fyziky musia ísť do smetiska dejín. Častice, polia, sily, symetrie - to všetko nie sú nič viac ako artefakty slobodného života na východiskách nekonečnej krajiny nepredstaviteľnej zložitosti. Zdá sa neuveriteľné alebo prinajmenšom extrémne obmedzené vidieť fyziku z hľadiska základných stavebných prvkov.
Možno existuje zásadne nová štruktúra, ktorá spája základné prírodné zákony a ignoruje všetky pojmy, na ktoré sme zvyknutí. Matematické jemnosti a elegancia teórie strún sú lákavou motiváciou akceptovať tento pohľad. Ale buďme úprimní. Ako uvádza Niels Bohr, len veľmi málo moderných myšlienok o tom, čo nahradia častice a polia, je „dosť bláznivé, aby to bola pravda“.