I en Quanta-tidsskriftartikkel bruker den nederlandske fysikeren og matematikeren Robbert Dijkgraaf den romlige metaforen om "landskap" for å forklare den revolusjonerende viktigheten av strengteori for å forstå universet.
Hoveddilemmaet i kvantefysikk
Se for deg at Alice og Bob blir bedt om å lage mat middag. Alice elsker kinesisk mat, Bob elsker italiensk. Hver av dem plukker favorittoppskriften sin, kjøper fra en lokal butikk og følger instruksjonene tydelig. Men når de tar maten ut av ovnen, er begge ganske overrasket. Begge rettene viser seg å være nøyaktig de samme. Man kan bare forestille seg de eksistensielle spørsmålene Alice og Bob stiller. Hvordan kan forskjellige ingredienser lage de samme rettene? Hva betyr det til og med å lage kinesisk eller italiensk mat? Eller nærmet de seg kokeprosessen så feil?
Dette er en illustrasjon av det sentrale dilemmaet til kvantefysikere. De fant mange eksempler på hvordan to helt forskjellige konsepter kan beskrive det samme fysiske systemet. I tilfelle av fysikk, i stedet for kjøtt og sauser, fungerer partikler og krefter som ingredienser, er oppskrifter interaksjonsformler, og tilberedningsprosessen er en diskretiseringsprosedyre som setter sannsynligheten for fysiske fenomener i samsvar med formler. Akkurat som Alice og Bob er forskere overrasket over hvordan forskjellige oppskrifter fører til de samme resultatene.
Hadde naturen muligheten til å velge sine grunnleggende lover? Så vidt vi vet trodde Albert Einstein på en måte at det bare var en måte, basert på noen få grunnleggende prinsipper, å bygge et elegant, fungerende univers. Fra hans synspunkt, hvis vi undersøker essensen i fysikk på et tilstrekkelig dypt nivå, så kommer vi til den konklusjon at det bare er en og eneste mulig måte å samhandle mellom alle tannhjulene til det universelle urverket - materie, stråling, krefter, rom og tid.
Stringteori som en "teori om alt"
Salgsfremmende video:
Den nåværende standardmodellen for partikkelfysikk er en inert mekanisme som består av et magert sett med ingredienser. Men til tross for den tilsynelatende unikheten, er vårt univers bare en av de utallige mulige verdener. Vi har ikke den minste anelse om hvorfor denne spesielle konfigurasjonen av partikler og kreftene som virker på dem er grunnlaget for vår verdensorden.
Hvorfor er det seks "smaker" av kvarker, tre "generasjoner" med nøytrinoer og en Higgs-partikkel? I tillegg er nitten fundamentale fysiske konstanter (som massen og ladningen til et elektron) inkludert i standardmodellen. Verdiene av disse "frie parametere", synes det, har ingen dyp mening. På den ene siden er partikkelfysikk et eksempel på eleganse. På den annen side er det bare en vakker teori.
Hvis vår verden bare er en av mange, hva skal vi da gjøre med alternative verdener? Det nåværende synspunktet er det absolutt motsatte av Einsteins ide om et unikt univers. Moderne fysikere dekker et stort antall sannsynligheter og prøver å forstå logikken i sammenkoblingen. Fra gullprospektører har de utviklet seg til geografer og geologer, kartlagt landskapet og i detalj studert kreftene som formet det.
En milepæl i denne prosessen var fødselen av strengteori. For øyeblikket er hun den eneste kandidaten for tittelen "teori om alt". Den gode nyheten er at det ikke er noen gratis parametere i strengteori. Det er ingen tvil om hvilken strengteori som beskriver universet vårt, fordi det er unikt. Fraværet av tilleggsfunksjoner fører til radikale konsekvenser. Alle tall i naturen må bestemmes av fysikken selv. Dette er ikke "konstanter av naturen", men ganske enkelt variabler hentet fra ligninger (noen ganger, men utrolig kompliserte).
Dårlige nyheter, herrer. Løsningsrommet for strengteori er stort og sammensatt. Dette er normalt for fysikk. Tradisjonelt skilles grunnleggende lover, basert på matematiske ligninger og på løsninger av disse ligningene. Vanligvis er det flere lover og et uendelig antall løsninger. La oss ta Newtons lover. De er skarpe og elegante, men de beskriver et utrolig bredt spekter av fenomener, fra et fallende eple til en månebane. Når du kjenner systemets opprinnelige tilstand, kan disse lovene brukes til å beskrive tilstanden i neste øyeblikk. Vi forventer eller krever ikke en universell løsning som vil beskrive alt.
Økumenisk landskap
I strengteori er noen av elementene som ofte blir sett på som lover, faktisk løsninger. De bestemmes av formen og størrelsen på de skjulte ekstra dimensjonene. Rommet til alle disse løsningene blir ofte referert til som "landskapet", men dette sies for lett. Selv de mest imponerende fjellandskapene lyser ut mot dette romets enorme bredde. Og selv om geografien ennå ikke er studert fullt ut, er det trygt å si at kontinentene er enorme.
En av de mer sofistikerte forutsetningene i teorien er at alt muligens er sammenkoblet. Hvis vi rister universet godt, kan vi flytte fra en hypotetisk verden til en annen, endre det vi er vant til å vurdere naturens uforanderlige lover, og få en ny kombinasjon av elementære partikler som utgjør vår virkelighet.
Men hvordan utforsker vi det enorme landskapet med fysiske modeller av universet, som lett kan ha hundrevis av dimensjoner? Tenk på det som en stort sett ubebygd villmarkstrekning, mye av den gjemt under tykke lag med uimotståelig kompleksitet. Livlige steder finnes bare helt ved grensene. Her er livet enkelt og gratis. Her er de grunnleggende modellene som vi perfekt forstår. De er ikke veldig viktige for å beskrive den virkelige verden, men tjener som et praktisk utgangspunkt for å utforske den umiddelbare nærheten.
Et godt eksempel er kvanteelektrodynamikk (QED), en teori som beskriver interaksjonene mellom materie og lys. Denne modellen har en parameter, kalt "fin strukturskonstant", som uttrykker styrken i samspillet mellom to elektroner. Tallmessig er den nær 1/137. I QED kan alle prosesser betraktes som stammer fra elementære interaksjoner. For eksempel kan frastøtning av to elektroner tenkes som en utveksling av fotoner. Kvanteelektrodynamikk foreslår å vurdere alle mulige måter to elektroner kan utveksle fotoner på.
I praksis betyr dette at fysikere blir møtt med behovet for å beregne uendelige summer med stor kompleksitet. Men teorien byr også på en vei ut: hver ekstra utveksling av fotoner tilfører en tilstand der finkonstantkonstanten heves til neste kraft. Siden antallet av disse børsene er relativt lite, har ikke de ekstra forholdene stor innvirkning. De kan forsømmes ved å bringe dem nærmere den "reelle" verdien. Vi vil finne disse løst sammenkoblede teoriene ved utpostene i landskapet. Her er kreftene svake, og det er fornuftig å snakke om listen over ingredienser - elementære partikler - og oppskriften på samspillet deres. Men hvis vi forlater våre beboelige steder og dykke ned i ubeskjeden villmark, vil hver tilleggsbetingelse bli mer og mer viktig. Nå skiller vi ikke lenger mellom individuelle partikler. De går i oppløsningforvandles til et sammenfiltret nett av energi, som ingrediensene til en kake i ovnen.
Imidlertid er ikke alt tapt. Noen ganger sees en annen utpost på slutten av stien. Med andre ord en annen godt kontrollert modell, denne gangen som består av et helt annet sett med partikler og krefter. I slike tilfeller er det to alternative oppskrifter for den samme underliggende fysikken, som med Alice og Bobs middager. Disse konjugerte beskrivelsene kalles dobbeltmodeller, og forbindelsen mellom dem kalles dualitet. Disse motsetningene kan sees på som en stor generalisering av den berømte bølge-partikkel dualisme oppdaget av Heisenberg. Når det gjelder Alice og Bob, tar det form av en konvertering mellom kinesiske og italienske oppskrifter.
Alt henger sammen
Hvorfor er det hele så spennende fra et fysisk ståsted? For det første er antakelsen om at mange (om ikke alle) modeller er en del av et stort sammenhengende rom, et av de mest overraskende funnene i moderne kvantefysikk. Dette er en endring i perspektiv som er verdig å bli kalt et "paradigmeskifte." I stedet for en skjærgård med spredte øyer, utforsker vi ett enormt kontinent.
På en måte kan vi ved å studere en modell dypt nok, forstå dem alle. Vi kan utforske forholdet mellom disse modellene ved å fokusere på den generelle konturen av deres struktur. Det er viktig å merke seg at dette fenomenet er veldig avhengig av om strengteori er i samsvar med den virkelige verden. Denne egenskapen er iboende i kvantefysikk, som er uforanderlig uavhengig av hva "teorien om alt" viser seg å være.
Mer dramatisk er konklusjonen at alle tradisjonelle teorier om grunnleggende fysikk må gå til søppelkassen i historien. Partikler, felt, krefter, symmetri - alt dette er ikke annet enn artefakter av et fritt liv ved utpostene til et uendelig landskap med utenkelig kompleksitet. Det virker utrolig, eller i det minste ekstremt begrenset, å se på fysikk når det gjelder de elementære byggesteinene.
Kanskje er det en grunnleggende ny struktur som forener de grunnleggende naturlovene og ignorerer alle konseptene vi er vant til. De matematiske subtilitetene og elegansen i strengteori er en fristende motivasjon til å akseptere dette synspunktet. Men la oss være ærlige. Svært få moderne ideer om hva som vil innta sted for partikler og felt er "gale nok til å være sanne", som Niels Bohr uttrykte det.
