В статия на списание Quanta, холандският физик и математик Робърт Дайкграаф използва пространствената метафора на "пейзаж", за да обясни революционното значение на теорията на струните за разбирането на Вселената.
Основната дилема на квантовата физика
Представете си, че Алис и Боб са помолени да приготвят вечеря. Алис обича китайската храна, Боб обича италианската. Всеки от тях избира любимата си рецепта, купува от местен магазин и ясно следва инструкциите. Но когато изваждат храната от фурната, и двамата са доста изненадани. И двете ястия се оказват абсолютно еднакви. Човек може само да си представи екзистенциалните въпроси, които си задават Алис и Боб. Как различните съставки могат да направят едни и същи ястия? Какво означава дори да се готви китайска или италианска храна? Или подходиха към процеса на готвене толкова погрешно?
Това е илюстрация на централната дилема на квантовите физици. Те откриха много примери за това как две напълно различни концепции могат да опишат една и съща физическа система. В случая на физиката, вместо месо и сосове, частиците и силите действат като съставки, рецептите са формули за взаимодействие, а процесът на готвене е процедура за дискретизация, която поставя вероятността от физически явления в съответствие с формулите. Точно като Алис и Боб, учените са изумени как различните рецепти водят до едни и същи резултати.
Имаше ли природата способността да избира основните си закони? Доколкото знаем, Алберт Айнщайн вярваше в смисъл, че има само един начин, основан на няколко основни принципа, да се изгради елегантна, функционираща вселена. От негова гледна точка, ако изследваме същността на физиката на достатъчно дълбоко ниво, тогава стигаме до извода, че има само един и единствен възможен начин на взаимодействие на всички предавки на универсалния часовник - материя, радиация, сили, пространство и време.
Теория на струните като "теория на всичко"
Промоционално видео:
Настоящият стандартен модел на физиката на частиците е инертен механизъм, съставен от оскъден набор от съставки. Но въпреки привидната уникалност нашата Вселена е само един от безброй възможни светове. Нямаме и най-малка представа защо тази конкретна конфигурация на частиците и силите, действащи върху тях, са в основата на нашия световен ред.
Защо има шест "аромата" на кварки, три "поколения" неутрино и една частица Хигс? В допълнение, деветнадесет основни физични константи (като масата и зарядът на един електрон) са включени в стандартния модел. Стойностите на тези „свободни параметри“, изглежда, не носят никакъв дълбок смисъл. От една страна, физиката на частиците е пример за елегантност. От друга страна, това е просто красива теория.
Ако нашият свят е само един от многото, тогава какво да правим с алтернативните светове? Настоящата гледна точка е абсолютната противоположност на идеята на Айнщайн за уникална вселена. Съвременните физици обхващат огромно пространство от вероятности и се опитват да разберат логиката на взаимовръзките му. От златотърсачите те са се развили в географи и геолози, картографирайки пейзажа и изучавайки подробно силите, които са го оформили.
Важен момент в този процес беше раждането на теорията на струните. В момента тя е единственият кандидат за титлата "теория на всичко". Добрата новина е, че в теорията на струните няма свободни параметри. Няма въпрос коя теория на струните описва нашата вселена, защото тя е уникална. Липсата на каквито и да било допълнителни функции води до радикални последици. Всички числа в природата трябва да се определят от самата физика. Това не са „константи на природата“, а просто променливи, получени от уравнения (понякога, макар и невероятно сложни).
Лоши новини, господа. Пространството за решение на теорията на струните е огромно и сложно. Това е нормално за физиката. Традиционно се разграничават фундаментални закони, основаващи се на математически уравнения и на решения на тези уравнения. Обикновено има няколко закона и безкраен брой решения. Нека вземем законите на Нютон. Те са свежи и елегантни, но описват невероятно широк спектър от явления, от падаща ябълка до лунна орбита. Познавайки първоначалното състояние на системата, тези закони могат да се използват за описание на състоянието й в следващия момент. Не очакваме и не изискваме универсално решение, което да опише всичко.
Вселенски пейзаж
В теорията на струните някои от елементите, които обикновено се разглеждат като закони, всъщност са решения. Те се определят от формата и размера на скритите допълнителни размери. Пространството на всички тези решения често се нарича "пейзаж", но това е твърде леко казано. Дори най-впечатляващите планински пейзажи бледнеят пред необятността на това пространство. И въпреки че географията му все още не е напълно проучена, със сигурност може да се каже, че континентите й са огромни.
Едно от по-сложните предположения в теорията е, че всичко е възможно взаимно свързано. Ако добре разклатим Вселената, бихме могли да се преместим от един хипотетичен свят в друг, променяйки това, което сме свикнали да разглеждаме неизменните закони на природата и да получим нова комбинация от елементарни частици, съставляващи нашата реалност.
Но как да изследваме огромния пейзаж на физическите модели на Вселената, който лесно би могъл да има стотици измерения? Мислете за това като за много неразвит участък от пустинята, голяма част от него скрита под дебели слоеве с неустоима сложност. Жилищни места могат да бъдат намерени само в самите граници. Тук животът е прост и безплатен. Ето основните модели, които отлично разбираме. Те не са много важни при описанието на реалния свят, но служат като удобна отправна точка за изследване на непосредствената близост.
Добър пример е квантовата електродинамика (QED), теория, която описва взаимодействията между материя и светлина. Този модел има един параметър, наречен "постоянна структура на фината структура", който изразява силата на взаимодействието между два електрона. Числено, тя е близо до 1/137. В QED всички процеси могат да се считат за произтичащи от елементарни взаимодействия. Например отблъскването на два електрона може да се мисли като обмен на фотони. Квантовата електродинамика предлага да се разгледат всички възможни начини, по които два електрона могат да обменят фотони.
На практика това означава, че физиците са изправени пред необходимостта да изчисляват безкрайните суми с голяма сложност. Но теорията предлага и изход: всяка допълнителна обмяна на фотони добавя условие, при което константата на фината структура се повишава до следващата сила. Тъй като броят на тези борси е сравнително малък, допълнителните условия не оказват голямо влияние. Те могат да бъдат пренебрегвани, като ги приближат до „истинската“стойност. Ще открием тези слабо съединени теории в предпланините на пейзажа. Тук силите са слаби и има смисъл да се говори за списъка на съставките - елементарни частици - и рецептата за тяхното взаимодействие. Но ако оставим обитаемите си места и се задълбочим в неизследвана пустиня, всяко допълнително условие ще става все по-важно. Сега вече не правим разлика между отделни частици. Те се разтварятпревръщайки се в заплетена мрежа от енергия, като съставките на пай във фурната.
Не всичко обаче е загубено. Понякога друга застава се вижда в края на пътеката. С други думи, друг добре контролиран модел, този път състоящ се от съвсем различен набор от частици и сили. В такива случаи има две алтернативни рецепти за същата основна физика, както при вечерите на Алис и Боб. Тези съвместни описания се наричат двойни модели, а връзката между тях се нарича двойственост. Тези противоположности могат да се разглеждат като грандиозно обобщение на прочутия дуализъм от вълнови частици, открит от Хайзенберг. В случая с Алиса и Боб, той преминава под формата на конверсия между китайски и италиански рецепти.
Всичко е взаимосвързано
Защо всичко е толкова вълнуващо от гледна точка на физиката? На първо място, предположението, че много (ако не всички) модели са част от едно огромно взаимосвързано пространство, е едно от най-изненадващите открития на съвременната квантова физика. Това е промяна в перспективата, достойна да бъде наречена „промяна на парадигмата“. Вместо архипелаг от разпръснати острови, ние изследваме един огромен континент.
В известен смисъл, изучавайки един модел достатъчно дълбоко, ще можем да ги разберем всички. Можем да проучим връзката между тези модели, като се съсредоточим върху общите очертания на тяхната структура. Важно е да се отбележи, че този феномен е силно зависим от това дали теорията на струните е в съответствие с реалния свят. Това свойство е присъщо на квантовата физика, която е неизменна независимо от това каква е „теорията на всичко“.
По-драматичен е изводът, че всички традиционни теории на фундаменталната физика трябва да отидат на прахообразния кош на историята. Частици, полета, сили, симетрии - всичко това не е нищо повече от артефакти на свободен живот в заставите на безкраен пейзаж с немислима сложност. Изглежда невероятно или поне изключително ограничено да гледаме на физиката по отношение на елементарните градивни елементи.
Може би има принципно нова структура, която обединява основните природни закони и игнорира всички понятия, с които сме свикнали. Математическите тънкости и елегантността на теорията на струните са изкушаваща мотивация да приемем тази гледна точка. Но нека бъдем честни. Много малко съвременни идеи за това какво ще заеме мястото на частиците и полетата са „достатъчно луди, за да бъдат истина“, както го казва Нийлс Бор.
