W artykule w magazynie Quanta holenderski fizyk i matematyk Robbert Dijkgraaf używa przestrzennej metafory „krajobrazu”, aby wyjaśnić rewolucyjne znaczenie teorii strun dla zrozumienia wszechświata.
Główny dylemat fizyki kwantowej
Wyobraź sobie, że Alice i Bob mają ugotować obiad. Alice uwielbia chińskie jedzenie, Bob uwielbia włoskie. Każdy z nich wybiera swój ulubiony przepis, kupuje w lokalnym sklepie i postępuje zgodnie z instrukcjami. Ale kiedy wyjmują jedzenie z piekarnika, oboje są dość zaskoczeni. Obie potrawy okazują się być dokładnie takie same. Można sobie tylko wyobrazić, jakie egzystencjalne pytania zadają Alice i Bob. W jaki sposób różne składniki mogą tworzyć te same potrawy? Co to w ogóle znaczy gotować chińskie lub włoskie jedzenie? A może tak źle podeszli do procesu gotowania?
Jest to ilustracja głównego dylematu fizyków kwantowych. Znaleźli wiele przykładów tego, jak dwie zupełnie różne koncepcje mogą opisać ten sam system fizyczny. W przypadku fizyki zamiast mięsa i sosów, cząsteczki i siły działają jak składniki, receptury są formułami interakcji, a proces gotowania jest procedurą dyskretyzacji, która zgodnie z formułami ustala prawdopodobieństwo wystąpienia zjawisk fizycznych. Podobnie jak Alice i Bob, naukowcy są zdumieni tym, jak różne przepisy prowadzą do tych samych wyników.
Czy natura miała możliwość wyboru swoich podstawowych praw? Albert Einstein, o ile wiemy, wierzył w pewnym sensie, że istnieje tylko jeden sposób, oparty na kilku podstawowych zasadach, na zbudowanie eleganckiego, funkcjonującego wszechświata. Z jego punktu widzenia, jeśli zbadamy istotę fizyki na wystarczająco głębokim poziomie, dojdziemy do wniosku, że istnieje tylko jeden i jedyny możliwy sposób interakcji wszystkich kół zębatych uniwersalnego mechanizmu zegarowego - materii, promieniowania, sił, przestrzeni i czasu.
Teoria strun jako „teoria wszystkiego”
Film promocyjny:
Obecny standardowy model fizyki cząstek elementarnych to obojętny mechanizm składający się z niewielkiego zestawu składników. Ale pomimo pozornej wyjątkowości nasz Wszechświat jest tylko jednym z niezliczonych możliwych światów. Nie mamy najmniejszego pojęcia, dlaczego ta szczególna konfiguracja cząstek i działających na nie sił jest podstawą naszego porządku świata.
Dlaczego istnieje sześć „smaków” kwarków, trzy „pokolenia” neutrin i jedna cząstka Higgsa? Ponadto model standardowy obejmuje dziewiętnaście podstawowych stałych fizycznych (takich jak masa i ładunek elektronu). Wydaje się, że wartości tych „dowolnych parametrów” nie mają żadnego głębokiego znaczenia. Z jednej strony fizyka cząstek elementarnych jest przykładem elegancji. Z drugiej strony to po prostu piękna teoria.
Jeśli nasz świat jest tylko jednym z wielu, to co mamy zrobić z alternatywnymi światami? Obecny punkt widzenia jest absolutnym przeciwieństwem idei Einsteina o wyjątkowym wszechświecie. Współcześni fizycy zajmują się ogromną przestrzenią prawdopodobieństw i próbują zrozumieć logikę ich wzajemnych powiązań. Z poszukiwaczy złota ewoluowali w geografów i geologów, sporządzających mapy krajobrazu i szczegółowo badających siły, które go ukształtowały.
Kamieniem milowym w tym procesie były narodziny teorii strun. W tej chwili jest jedyną kandydatką do tytułu „teorii wszystkiego”. Dobra wiadomość jest taka, że w teorii strun nie ma wolnych parametrów. Nie ma wątpliwości, która teoria strun opisuje nasz wszechświat, ponieważ jest on wyjątkowy. Brak jakichkolwiek dodatkowych funkcji prowadzi do radykalnych konsekwencji. Wszystkie liczby w przyrodzie muszą być określone przez samą fizykę. Nie są to „stałe natury”, ale po prostu zmienne otrzymane z równań (czasami, choć niezwykle złożone).
Złe wieści, panowie. Przestrzeń rozwiązań dla teorii strun jest ogromna i złożona. Jest to normalne w przypadku fizyki. Tradycyjnie wyróżnia się podstawowe prawa na podstawie równań matematycznych i rozwiązań tych równań. Zwykle istnieje kilka praw i nieskończona liczba rozwiązań. Weźmy prawa Newtona. Są rześkie i eleganckie, ale opisują niewiarygodnie szeroki zakres zjawisk, od spadającego jabłka po księżycową orbitę. Znając początkowy stan układu, prawa te można wykorzystać do opisania jego stanu w następnym momencie. Nie spodziewamy się ani nie wymagamy uniwersalnego rozwiązania, które by wszystko opisało.
Krajobraz ekumeniczny
W teorii strun niektóre elementy powszechnie uważane za prawa są w rzeczywistości rozwiązaniami. Są one określane przez kształt i rozmiar ukrytych dodatkowych wymiarów. Przestrzeń wszystkich tych rozwiązań często nazywana jest „krajobrazem”, ale jest to zbyt lekceważone. Nawet najbardziej imponujące górskie krajobrazy bledną na tle ogromu tej przestrzeni. I chociaż jego geografia nie została jeszcze w pełni zbadana, można śmiało powiedzieć, że jego kontynenty są ogromne.
Jednym z bardziej wyrafinowanych założeń teoretycznych jest to, że wszystko jest prawdopodobnie ze sobą powiązane. Jeśli dobrze potrząśniemy wszechświatem, moglibyśmy przejść z jednego hipotetycznego świata do drugiego, zmieniając to, co przyzwyczailiśmy się rozważać niezmienne prawa natury, i uzyskać nową kombinację cząstek elementarnych, które tworzą naszą rzeczywistość.
Ale jak zbadać rozległy krajobraz modeli fizycznych wszechświata, który z łatwością mógłby mieć setki wymiarów? Pomyśl o tym jako o w dużej mierze niezagospodarowanym odcinku dzikiej przyrody, z którego większość jest ukryta pod grubymi warstwami nieodpartej złożoności. Miejsca nadające się do zamieszkania można znaleźć tylko na samych granicach. Tutaj życie jest proste i darmowe. Oto podstawowe modele, które doskonale rozumiemy. Nie są one bardzo ważne przy opisywaniu świata rzeczywistego, ale służą jako wygodny punkt wyjścia do eksploracji najbliższego otoczenia.
Dobrym przykładem jest elektrodynamika kwantowa (QED), teoria opisująca interakcje między materią a światłem. Model ten ma jeden parametr, zwany „stałą struktury drobnoziarnistej”, który wyraża siłę oddziaływania między dwoma elektronami. Liczbowo zbliża się do 1/137. W QED wszystkie procesy można uznać za wynikające z elementarnych interakcji. Na przykład odpychanie dwóch elektronów można traktować jako wymianę fotonów. Elektrodynamika kwantowa proponuje rozważenie wszystkich możliwych sposobów, w jakie dwa elektrony mogą wymieniać fotony.
W praktyce oznacza to, że fizycy stają przed koniecznością obliczenia nieskończonych sum o wielkiej złożoności. Ale teoria oferuje również wyjście: każda dodatkowa wymiana fotonów dodaje warunek, w którym stała struktury subtelnej zostanie podniesiona do następnej potęgi. Ponieważ liczba tych wymian jest stosunkowo niewielka, dodatkowe warunki nie mają większego wpływu. Można je zaniedbać, przybliżając je do „prawdziwej” wartości. Te luźno powiązane teorie znajdziemy na obrzeżach krajobrazu. Tutaj siły są słabe i warto porozmawiać o liście składników - cząstkach elementarnych - i recepturze ich interakcji. Ale jeśli opuścimy nasze nadające się do zamieszkania miejsca i zagłębimy się w niezbadane pustkowia, każdy dodatkowy warunek będzie stawał się coraz ważniejszy. Teraz nie rozróżniamy już pojedynczych cząstek. Rozpuszczają sięzamieniają się w splątaną sieć energii, jak składniki ciasta w piekarniku.
Jednak nie wszystko jest stracone. Czasami na końcu ścieżki widać kolejną placówkę. Innymi słowy, kolejny dobrze kontrolowany model, tym razem składający się z zupełnie innego zestawu cząstek i sił. W takich przypadkach istnieją dwa alternatywne przepisy na tę samą podstawową fizykę, jak w przypadku obiadów Alicji i Boba. Te opisy sprzężone nazywane są modelami dualnymi, a związek między nimi nazywany jest dualnością. Te przeciwieństwa można postrzegać jako wielkie uogólnienie słynnego dualizmu falowo-cząsteczkowego, odkrytego przez Heisenberga. W przypadku Alicji i Boba jest to konwersja między recepturami chińskimi i włoskimi.
Wszystko jest ze sobą połączone
Dlaczego to wszystko jest takie ekscytujące z fizycznego punktu widzenia? Po pierwsze, założenie, że wiele (jeśli nie wszystkie) modeli jest częścią jednej ogromnej, wzajemnie połączonej przestrzeni, jest jednym z najbardziej zaskakujących odkryć współczesnej fizyki kwantowej. Jest to zmiana perspektywy, którą warto nazwać „zmianą paradygmatu”. Zamiast archipelagu rozproszonych wysp, eksplorujemy jeden rozległy kontynent.
W pewnym sensie, studiując dostatecznie jeden model, będziemy w stanie je wszystkie zrozumieć. Możemy zbadać relacje między tymi modelami, skupiając się na ogólnym zarysie ich struktury. Należy zauważyć, że zjawisko to jest w dużym stopniu zależne od tego, czy teoria strun jest zgodna z rzeczywistością. Ta właściwość tkwi w fizyce kwantowej, która jest niezmienna niezależnie od tego, czym okaże się „teoria wszystkiego”.
Bardziej dramatyczny jest wniosek, że wszystkie tradycyjne teorie fizyki fundamentalnej muszą trafić na śmietnik historii. Cząsteczki, pola, siły, symetrie - wszystko to jest niczym innym jak artefaktami swobodnego życia na przyczółkach nieskończonego krajobrazu o niewyobrażalnej złożoności. Spojrzenie na fizykę w kategoriach elementarnych cegiełek wydaje się niewiarygodne lub przynajmniej skrajnie ograniczone.
Być może istnieje całkowicie nowa struktura, która łączy podstawowe prawa natury i ignoruje wszystkie koncepcje, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Matematyczne subtelności i elegancja teorii strun są kuszącą motywacją do zaakceptowania tego punktu widzenia. Ale bądźmy szczerzy. Bardzo niewiele współczesnych pomysłów na to, co zajmie miejsce cząstek i pól, jest „na tyle szalonych, by były prawdziwe”, jak to ujął Niels Bohr.