Egy Quanta magazin cikkében, Robbert Dijkgraaf holland fizikus és matematikus a "táj" térbeli metaforáját használja, hogy elmagyarázza a húrok elméletének forradalmi jelentőségét az univerzum megértésében.
A kvantumfizika fő dilemmája
Képzelje el, hogy Alice-t és Bobot vacsorára főzik. Alice szereti a kínai ételeket, Bob pedig az olaszokat. Mindegyik kiválasztja kedvenc receptjét, vásárol egy helyi üzletből, és egyértelműen követi az utasításokat. De amikor kivonják az ételt a sütőből, mindkettő nagyon meglepődött. Mindkét étel pontosan azonos. Csak el lehet képzelni azokat az egzisztenciális kérdéseket, amelyeket Alice és Bob feltesz. Hogyan készíthetnek különféle alapanyagokat ugyanazon ételeket? Mit jelent még a kínai vagy olasz ételek főzése? Vagy olyan tévesen közelítették meg a főzési folyamatot?
Ez a kvantumfizikusok központi dilemmájának szemléltetése. Sok példát találtak arra, hogy két teljesen különböző fogalom hogyan képes leírni ugyanazt a fizikai rendszert. A fizika esetében a hús és a szószok helyett a részecskék és az erõk alkotóelemekként működnek, a receptek interakciós képletek, a főzési folyamat pedig egy diszkretizáló eljárás, amely a fizikai jelenségek valószínûségét a képleteknek megfelelõen állítja be. Csakúgy, mint Alice és Bob, a tudósok is meghökkent, hogy a különböző receptek miként eredményeznek ugyanazt az eredményt.
Képes volt-e a természet megválasztani az alapvető törvényeit? Albert Einstein, amennyire tudjuk, bizonyos értelemben úgy gondolta, hogy csak egy alapvető elven alapulhat, hogy egy elegáns, működő univerzumot felépítsen. Szerinte a fizika lényegét elég mélyen vizsgálva, akkor az a következtetés vonható le, hogy az univerzális óraszerkezet összes fogaskereke - az anyag, a sugárzás, az erők, a tér és az idő - csak egyetlen lehetséges módon működik együtt.
A húros elmélet mint „minden elmélete”
Promóciós videó:
A részecskefizika jelenlegi szokásos modellje egy közömbös mechanizmus, amely csekély összetevőkből áll. De a látszólagos egyediség ellenére Világegyetemünk csak egy a számtalan lehetséges világból. Nincs semmiféle elképzelésünk, hogy miért képezi a világrend rendjét a részecskék és az ezekre ható erők különleges konfigurációja számára.
Miért van hat kókusz "íz", három "generáció" neutrinó és egy Higgs-részecske? Ezenkívül tizenkilenc alapvető fizikai állandót (mint például egy elektron tömege és töltése) tartalmaz a standard modell. Úgy tűnik, hogy ezeknek a "szabad paramétereknek" az értékei nincsenek mély jelentőséggel. Egyrészt a részecskefizika az elegancia példája. Másrészt, ez csak egy gyönyörű elmélet.
Ha a világunk csak egy a sok közül, akkor mi köze az alternatív világokhoz? A jelenlegi nézet abszolút ellentétes Einstein egyedülálló univerzum elképzelésével. A modern fizikusok egy hatalmas valószínűség-teret fednek le, és megpróbálják megérteni annak összekapcsolódásának logikáját. Az aranykutatókból geográfusokká és geológusokká fejlődtek, feltérképezték a tájat és részletesen megvizsgálták a formáló erőket.
A mérföldkő ebben a folyamatban volt a húros elmélet születése. Jelenleg ő az egyetlen jelölt a „mindent elmélet” címre. A jó hír az, hogy a karakterlánc-elméletben nincsenek szabad paraméterek. Nem kérdés, hogy melyik húr-elmélet írja le univerzumunkat, mert az egyedülálló. További funkciók hiánya radikális következményekhez vezet. A természetben lévő összes számot a fizika határozza meg. Ezek nem "a természet állandójai", hanem egyszerűen az egyenletekből nyert változók (néha, bár hihetetlenül összetettek).
Rossz hír, uraim. A húrelmélet megoldási területe hatalmas és összetett. Ez a fizika számára normális. Hagyományosan az alapvető törvényeket különbözik egymástól, a matematikai egyenletek és az egyenletek megoldása alapján. Általában több törvény és végtelen számú megoldás létezik. Vegyük Newton törvényeit. Ropogók és elegánsak, de hihetetlenül sokféle jelenséget írnak le, a leeső almától a holdpályáig. Ismerve a rendszer kezdeti állapotát, ezek a törvények leírhatják a rendszer állapotát a következő pillanatban. Nem várunk vagy követelünk olyan univerzális megoldást, amely mindent leírna.
Ökumenikus táj
A húr elméletében néhány, általában törvénynek tekintett elem valójában megoldás. Ezeket a rejtett extra méretek alakja és mérete határozza meg. Ezen megoldások térét gyakran "tájnak" nevezik, de ezt túlságosan könnyedén mondják. Még a lenyűgözőbb hegyvidéki táj sápadt e tér szélessége ellen. És bár földrajzát még nem vizsgálták meg teljesen, biztonságos azt mondani, hogy kontinensei hatalmasak.
Az elmélet egyik kifinomultabb feltételezése, hogy minden valószínűleg összekapcsolódik. Ha jól ráznánk az univerzumot, akkor átmehetünk az egyik hipotetikus világból a másikba, megváltoztatva azt, amire szoktunk, hogy figyelembe vesszük a természet változhatatlan törvényeit, és olyan elemi részecskék új kombinációját kapjuk, amelyek képezik a valóságunkat.
De hogyan fedezhetjük fel a világegyetem fizikai modelljeinek hatalmas táját, amelynek könnyen több száz dimenziója lehet? Gondolj rá egy nagyrészt fejletlen vadon szakaszra, amelynek nagy részét ellenállhatatlan komplexitás vastag rétegei rejtik el. Az élhető helyek csak a legszélesebb határokon találhatók. Az élet egyszerű és ingyenes. Itt vannak az alapvető modellek, amelyeket tökéletesen megértünk. Nem nagyon fontosak a valós világ leírásában, ám kényelmes kiindulópontként szolgálnak a közvetlen környék felfedezéséhez.
Jó példa a kvantum-elektrodinamika (QED), az elmélet, amely leírja az anyag és a fény közötti kölcsönhatásokat. Ennek a modellnek egy paramétere van, az úgynevezett "finom szerkezet állandó", amely kifejezi a két elektron közötti interakció erősségét. Szám szerint közel 1/137-ig. A QED-ben az összes folyamat elemi kölcsönhatásokból származónak tekinthető. Például két elektron visszatükröződését fotoncserének lehet tekinteni. A kvantum-elektrodinamika azt javasolja, hogy fontolják meg az összes lehetséges módszert, amellyel két elektron megcserélheti fotonokat.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a fizikusoknak ki kell számolniuk a nagy bonyolultságú végtelen összegeket. De az elmélet kínál kiutat is: minden további fotoncsere olyan körülményt ad, amelyben a finomszerkezeti állandót a következő teljesítményre növelik. Mivel ezeknek a cseréknek a száma viszonylag kicsi, a kiegészítő feltételeknek nincs nagy hatása. Elhanyagolhatók, ha közelebb hozzuk őket a "valódi" értékhez. Ezeket a lazán kapcsolt elméleteket a táj előzetes oldalán találjuk meg. Itt az erők gyengék, és érdemes beszélni az összetevők - elemi részecskék - listájáról és kölcsönhatásuk receptéről. De ha elhagyjuk lakható helyeinket és belemerülünk az ismeretlen vadonba, minden további feltétel egyre fontosabbá válik. Most már nem teszünk különbséget az egyes részecskék között. Feloldódnakátalakul az energia kusza energiájává, mint például a sütőben lévő pite alapanyagai.
Nem mindent veszítünk el. Időnként újabb előőrt látnak az út végén. Más szavakkal, egy másik jól irányított modell, ezúttal egy teljesen más részecskékből és erőkből álló készletből. Ilyen esetekben két alternatív recept létezik ugyanazon alapvető fizika számára, mint Alice és Bob vacsoráival. Ezeket a konjugált leírásokat kettős modelleknek nevezzük, és a kettő közötti kapcsolatot kettősségnek nevezzük. Ezek az ellentétek a Heisenberg által felfedezett híres hullám-részecske-dualizmus nagyszerű általánosításának tekinthetők. Alice és Bob esetében a kínai és az olasz receptek közötti átváltás formájában valósul meg.
Minden össze van kötve
Miért van ilyen izgalmas fizikai szempontból? Mindenekelőtt az a feltételezés, hogy sok (ha nem mindegyik) modell egy hatalmas összekapcsolt tér alkotóeleme, a modern kvantumfizika egyik legmeglepőbb eredménye. Ez a perspektíva olyan változása, amelyet érdemes „paradigmaváltásnak” hívni. A szétszórt szigetek szigetcsoportja helyett egy hatalmas kontinenst fedezünk fel.
Bizonyos értelemben, ha egy modellt mélyen megvizsgálunk, képesek leszünk megérteni mindet. Megvizsgálhatjuk ezeknek a modelleknek a kapcsolatát azáltal, hogy a struktúrájuk általános vázlatára összpontosítunk. Fontos megjegyezni, hogy ez a jelenség nagymértékben függ attól, hogy a húros elmélet összhangban áll-e a valós világgal. Ez a tulajdonság a kvantumfizikában rejlik, amely változatlan, függetlenül attól, hogy mi a "mindent elmélet".
Drámaibb az a következtetés, hogy az alapfizika minden hagyományos elméletének a történelem szemetesbe kell mennie. Részecskék, mezők, erők, szimmetriák - mindez nem más, mint egy szabad élet tárgya, amely elképzelhetetlen összetettségű, végtelen táj utcáin áll. Hihetetlennek tűnik, vagy legalábbis rendkívül korlátozottnak tekintik a fizikát az alapvető építőelemek szempontjából.
Talán létezik egy alapvetően új szerkezet, amely egyesíti az alapvető természetvédelmi törvényeket, és figyelmen kívül hagyja az összes fogalmat, amelyhez megszoktuk. A húrelmélet matematikai finomságai és eleganciája csábító motiváció e szempont elfogadására. De legyünk őszinte. Nagyon kevés modern ötlet arról, hogy mi fogja helyettesíteni a részecskéket és a mezőket, "elég őrült ahhoz, hogy igaz legyen", ahogy Niels Bohr állította.