V článku z časopisu Quanta používá holandský fyzik a matematik Robbert Dijkgraaf prostorovou metaforu „krajiny“, aby vysvětlil revoluční význam teorie strun pro porozumění vesmíru.
Hlavní dilema kvantové fyziky
Představte si, že Alice a Bob jsou požádáni, aby vařili večeři. Alice miluje čínské jídlo, Bob miluje italštinu. Každý z nich si vybere svůj oblíbený recept, nákupy z místního obchodu a jasně se řídí pokyny. Když ale vyjmou jídlo z trouby, jsou oba docela překvapeni. Ukázalo se, že obě jídla jsou naprosto stejná. Lze si jen představit existenciální otázky, které se Alice a Bob ptají. Jak mohou různé přísady připravovat stejná jídla? Co to dokonce znamená vařit čínské nebo italské jídlo? Nebo přistoupili k procesu vaření tak špatně?
Toto je ilustrace centrálního dilematu kvantových fyziků. Našli mnoho příkladů toho, jak dva zcela odlišné pojmy mohou popsat stejný fyzický systém. V případě fyziky místo masa a omáček působí částice a síly jako přísady, recepty jsou interakční vzorce a proces vaření je diskretizační postup, který dává pravděpodobnost fyzikálních jevů v souladu s recepty. Stejně jako Alice a Bob jsou vědci ohromeni tím, jak různé recepty vedou ke stejným výsledkům.
Měla příroda schopnost zvolit si své základní zákony? Albert Einstein, pokud víme, věřil v tom smyslu, že existuje jen jeden způsob, jak na základě několika základních principů vytvořit elegantní, fungující vesmír. Z jeho pohledu, pokud zkoumáme podstatu fyziky na dostatečně hluboké úrovni, dospějeme k závěru, že existuje jediný a jediný možný způsob interakce všech ozubených kol univerzálního hodinářství - hmota, záření, síly, prostor a čas.
Teorie strun jako „teorie všeho“
Propagační video:
Současný standardní model fyziky částic je stagnující mechanismus tvořený skromnou sadou ingrediencí. Ale i přes zdánlivou jedinečnost je náš vesmír jen jedním z nespočetných možných světů. Nemáme nejmenší představu, proč je toto konkrétní uspořádání částic a sil, které na ně působí, základem našeho světového řádu.
Proč existuje šest „příchutí“kvarků, tři „generace“neutrin a jedna Higgsova částice? Kromě toho je do standardního modelu zahrnuto devatenáct základních fyzikálních konstant (jako je hmotnost a náboj elektronu). Zdá se, že hodnoty těchto „volných parametrů“nemají hluboký význam. Na jedné straně je fyzika částic příkladem elegance. Na druhou stranu je to jen krásná teorie.
Pokud je náš svět jen jedním z mnoha, co máme dělat s alternativními světy? Současný pohled je absolutním opakem Einsteinovy myšlenky na jedinečný vesmír. Moderní fyzici pokrývají obrovský prostor pravděpodobností a snaží se pochopit logiku jeho propojení. Z průzkumníků zlata se vyvinuli v geografy a geology, zmapovali krajinu a podrobně studovali síly, které ji formovaly.
Mezníkem v tomto procesu bylo zrození strunné teorie. V současné době je jediným kandidátem na titul „teorie všeho“. Dobrou zprávou je, že v teorii řetězců neexistují žádné bezplatné parametry. Není pochyb o tom, která strunová teorie popisuje náš vesmír, protože je jedinečná. Absence jakýchkoli dalších funkcí vede k radikálním důsledkům. Všechna čísla v přírodě musí být určena samotnou fyzikou. Nejedná se o „konstanty přírody“, ale jednoduše o proměnné odvozené z rovnic (někdy, i když neuvěřitelně složité).
Špatné zprávy, pánové. Prostor pro řešení teorie řetězců je obrovský a složitý. To je pro fyziku normální. Tradičně se rozlišují základní zákony založené na matematických rovnicích a na řešeních těchto rovnic. Obvykle existuje několik zákonů a nekonečné množství řešení. Vezměme Newtonovy zákony. Jsou svěží a elegantní, ale popisují neuvěřitelně širokou škálu jevů, od padajícího jablka po měsíční orbitu. Tyto zákony, které znají počáteční stav systému, mohou být použity k popisu jeho stavu v příštím okamžiku. Neočekáváme ani požadujeme univerzální řešení, které by vše popsalo.
Ekumenická krajina
V teorii strun jsou některé prvky, které se běžně považují za zákony, ve skutečnosti řešení. Jsou určovány tvarem a velikostí skrytých dalších rozměrů. Prostor všech těchto řešení je často označován jako „krajina“, ale to se říká příliš lehce. Proti rozlehlosti tohoto prostoru blednou i ty nejpůsobivější horské krajiny. A ačkoli jeho geografie ještě nebyla plně prozkoumána, lze říci, že její kontinenty jsou obrovské.
Jedním z propracovanějších předpokladů je, že vše je možná propojeno. Pokud dobře zatřepeme vesmírem, mohli bychom se přestěhovat z jednoho hypotetického světa do druhého, změnit to, co jsme použili, abychom zvážili neměnné zákony přírody, a získat novou kombinaci elementárních částic, které tvoří naši realitu.
Jak ale prozkoumáme rozsáhlou krajinu fyzikálních modelů vesmíru, která by mohla snadno mít stovky dimenzí? Představte si to jako převážně nerozvinutý úsek divočiny, z velké části skrytý pod silnými vrstvami neodolatelné složitosti. Obytná místa lze nalézt pouze na samých hranicích. Život je zde jednoduchý a svobodný. Zde jsou základní modely, kterým dokonale rozumíme. Nejsou příliš důležité při popisu skutečného světa, ale slouží jako vhodný výchozí bod pro objevování bezprostředního okolí.
Dobrým příkladem je kvantová elektrodynamika (QED), teorie, která popisuje interakce mezi hmotou a světlem. Tento model má jeden parametr, nazývaný „konstanta jemné struktury“, která vyjadřuje sílu interakce mezi dvěma elektrony. Číselně se blíží 1/137. V QED lze všechny procesy považovat za vznikající ze elementárních interakcí. Například odpuzování dvou elektronů lze považovat za výměnu fotonů. Kvantová elektrodynamika navrhuje zvážit všechny možné způsoby, kterými si dva elektrony mohou vyměňovat fotony.
V praxi to znamená, že fyzici čelí potřebě spočítat nekonečné součty velké složitosti. Teorie však také nabízí cestu ven: každá další výměna fotonů přidává stav, ve kterém je konstanta jemné struktury zvýšena na další sílu. Vzhledem k tomu, že počet těchto burz je relativně malý, nemají dodatečné podmínky velký dopad. Mohou být zanedbány tím, že je přiblíží k „skutečné“hodnotě. Tyto volně spjaté teorie najdeme na okrajích krajiny. Zde jsou síly slabé a má smysl hovořit o seznamu složek - elementárních částic - a receptu na jejich interakci. Ale pokud opustíme naše obyvatelná místa a ponoříme se do nezmapované divočiny, každá další podmínka bude stále důležitější. Nyní již nerozlišujeme mezi jednotlivými částicemi. Rozpadají seproměnila se v zamotanou síť energie, jako přísady koláče v troubě.
Ne však vše je ztraceno. Někdy je na konci cesty vidět jiná základna. Jinými slovy, další dobře kontrolovaný model, tentokrát sestávající ze zcela odlišné sady částic a sil. V takových případech existují dva alternativní recepty na stejnou základní fyziku, jako u Alice a Bobových večeří. Tyto konjugované popisy se nazývají duální modely a jejich propojení se nazývá dualita. Na tyto protiklady lze pohlížet jako na velkou generalizaci slavného dualismu vlnových částic objeveného Heisenbergem. V případě Alice a Boba to má formu převodu mezi čínskými a italskými recepty.
Všechno je propojeno
Proč je to tak vzrušující z hlediska fyziky? Především je předpoklad, že mnoho (pokud ne všechny) modely jsou součástí jednoho obrovského propojeného prostoru, je jedním z nejpřekvapivějších nálezů moderní kvantové fyziky. Jedná se o změnu v perspektivě hodné být nazývána „změna paradigmatu“. Místo souostroví rozptýlených ostrovů prozkoumáváme jeden obrovský kontinent.
V jistém smyslu, studiem jednoho modelu dostatečně hluboko, budeme schopni jim porozumět všem. Můžeme prozkoumat vztah mezi těmito modely zaměřením na obecný přehled jejich struktury. Je důležité poznamenat, že tento jev je velmi závislý na tom, zda je teorie strun konzistentní se skutečným světem. Tato vlastnost je neodmyslitelnou součástí kvantové fyziky, která je neměnná bez ohledu na to, co se ukáže jako „teorie všeho“.
Dramatičtější je závěr, že všechny tradiční teorie základní fyziky musí jít do popelnice historie. Částice, pole, síly, symetrie - to vše není nic jiného než artefakty svobodného života na základnách nekonečné krajiny nemyslitelné složitosti. Zdá se neuvěřitelné, nebo alespoň extrémně omezené, prohlížet si fyziku z hlediska základních stavebních bloků.
Možná existuje zcela nová struktura, která sjednocuje základní zákony přírody a ignoruje všechny pojmy, na které jsme zvyklí. Matematické jemnosti a elegance strunové teorie jsou lákavou motivací přijmout tento pohled. Ale buďme upřímní. Jak uvádí Niels Bohr, jen velmi málo moderních představ o tom, co nahradí částice a pole, je „dost šílené, aby to byla pravda“.