Το τοπίο των συμβολοσειρών μπορεί να είναι μια συναρπαστική ιδέα γεμάτη θεωρητικές δυνατότητες, αλλά δεν προβλέπει τίποτα που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο σύμπαν μας. Αυτή η ιδέα της ομορφιάς, που έχει ως κίνητρο την επίλυση των «αφύσικων» προβλημάτων, δεν είναι αρκετή από μόνη της για να φτάσει στο επίπεδο που απαιτεί η επιστήμη. (Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ)

Είναι η Θεωρητική Φυσική να χάνουμε τα Καλύτερα Μου Ζωντανά Μυστήρια σε ανοησίες;

Δεν υπάρχει μια τέτοια θεωρία που είναι πολύ όμορφη για να είναι λάθος, αν δεν συμφωνεί με το πείραμα.

Η ιστορία της φυσικής είναι γεμάτη με μεγάλες ιδέες που έχετε ακούσει, όπως το Τυπικό Μοντέλο, το Big Bang, η Γενική Σχετικότητα και ούτω καθεξής. Αλλά είναι επίσης γεμάτη με λαμπρές ιδέες που πιθανότατα δεν έχετε ακούσει, όπως το μοντέλο Sakata, η θεωρία Technicolor, το μοντέλο σταθερής κατάστασης. και Κοσμολογία πλασμάτων. Σήμερα, έχουμε θεωρίες που είναι πολύ μοντέρνες, αλλά χωρίς καμία απόδειξη γι 'αυτούς: την υπερσυμμετρία, την μεγάλη ενοποίηση, τη θεωρία των χορδών και το multiverse.

Λόγω του τρόπου με τον οποίο είναι δομημένος ο τομέας, που είναι γεμάτος συκοφάντηση ιδεών, η σταδιοδρομία στη θεωρητική φυσική υψηλής ενέργειας που επικεντρώνεται σε αυτά τα θέματα είναι συχνά επιτυχής. Από την άλλη πλευρά, η επιλογή άλλων θεμάτων σημαίνει να το κάνουμε μόνοι. Η ιδέα της «ομορφιάς» ή της «φυσικότητας» υπήρξε εδώ και πολύ καιρό μια κατευθυντήρια αρχή στη φυσική και μας οδήγησε σε αυτό το σημείο. Στο νέο της βιβλίο, Lost In Math, η Sabine Hossenfelder υποστηρίζει πειστικά ότι η συνέχιση της τήρησης αυτής της αρχής είναι ακριβώς αυτό που μας οδηγεί στην απομάκρυνση.

Το νέο βιβλίο, Lost In Math, ασχολείται με μερικές απίστευτα μεγάλες ιδέες, συμπεριλαμβανομένης της ιδέας ότι η θεωρητική φυσική βυθίζεται στην ομαδική σκέψη και την αδυναμία να αντιμετωπίσει τις ιδέες τους με το σκληρό φως της πραγματικότητας, το οποίο δεν παρέχει μέχρι στιγμής κανένα στοιχείο για να τα στηρίξει . (Sabine Hossenfelder / Βασικά Βιβλία)

Φανταστείτε ότι σας δόθηκε ένα υποθετικό πρόβλημα της επιλογής δύο δισεκατομμυριούχων από μια λίστα και την εκτίμηση της διαφοράς στην καθαρή αξία τους. Φανταστείτε ότι είναι ανώνυμοι και ότι δεν θα ξέρετε ποιο αξίζει περισσότερο, πού βρίσκονται στην λίστα των δισεκατομμυριούχων του Forbes ή πόσο αξίζει κανείς από αυτούς σήμερα.

Μπορούμε να καλέσουμε το πρώτο Α, το δεύτερο Β, και τη διαφορά μεταξύ τους C, όπου Α - Β = Γ. Ακόμα και χωρίς οποιαδήποτε άλλη γνώση γι 'αυτούς, υπάρχει ένα σημαντικό πράγμα που μπορείτε να δηλώσετε για το C: είναι πολύ απίθανο να το θα είναι πολύ, πολύ μικρότερο από το Α ή το Β. Με άλλα λόγια, εάν τα Α και Β είναι και τα δύο δισεκατομμύρια δολάρια, τότε είναι πιθανό ότι το C θα είναι και στα δισεκατομμύρια, ή τουλάχιστον στα εκατοντάδες εκατομμύρια.

Όταν έχετε δύο μεγάλους αριθμούς γενικά και παίρνετε τη διαφορά τους, η διαφορά θα είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τους αρχικούς αριθμούς. (Ε. Siegel / δεδομένα από Forbes)

Για παράδειγμα, ο Α μπορεί να είναι ο Pat Stryker (# 703 στη λίστα), αξίας, ας πούμε, $ 3.592.327.960. Και ο Β μπορεί να είναι ο David Geffen (# 190), αξίας $ 8.467.103.235. Η διαφορά μεταξύ τους, ή Α - Β, είναι τότε - $ 4.874.775.275. Το C έχει ένα πλάνο 50/50 που είναι θετικό ή αρνητικό, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις πρόκειται να είναι της ίδιας τάξης μεγέθους (με συντελεστή 10 περίπου) τόσο του Aand B.

Αλλά δεν θα είναι πάντα. Για παράδειγμα, οι περισσότεροι από τους 2.200 δισεκατομμυριούχους στον κόσμο αξίζουν λιγότερο από 2 δισεκατομμύρια δολάρια και υπάρχουν εκατοντάδες αξίας μεταξύ 1 δις και 1,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Αν τυχαίνει να επιλέγετε δύο από αυτούς τυχαία, δεν θα σας εκπλήξει τρομερά αν η διαφορά στην καθαρή αξία τους ήταν μόνο μερικές δεκάδες εκατομμύρια δολάρια.

Οι επιχειρηματίες Tyler Winklevoss και Cameron Winklevoss συζητούν το bitcoin με τη Μαρία Μπαρτιμόμο στα FOX Studios στις 11 Δεκεμβρίου 2017. Οι πρώτοι «δισεκατομμυριούχοι bitcoin» στον κόσμο, η καθαρή αξία τους είναι σχεδόν πανομοιότυπη, αλλά υπάρχει ένας βασικός λόγος γιατί. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Ωστόσο, θα μπορούσε να σας εκπλήξει εάν η διαφορά μεταξύ τους ήταν μόνο μερικές χιλιάδες δολάρια ή ήταν μηδέν. «Πόσο απίθανο», νομίζετε. Αλλά ίσως να μην είναι εξ ολοκλήρου τόσο απίθανο.

Εξάλλου, δεν ξέρετε ποιοι δισεκατομμυριούχοι ήταν στη λίστα σας. Θα ήμασταν συγκλονισμένοι να μάθουμε τα δίδυμα Winklevoss - οι Cameron και Tyler, οι πρώτοι δισεκατομμυριούχοι Bitcoin - είχαν ίδιες καθαρές αξίες; Ή ότι οι αδελφοί Collison, Patrick και John (συνιδρυτές του Stripe), άξιζαν το ίδιο ποσό με μερικές εκατοντάδες δολάρια;

Όχι. Αυτό δεν θα ήταν εκπληκτικό και εκθέτει μια αλήθεια για μεγάλους αριθμούς: γενικά αν ο Α είναι μεγάλος και ο Β είναι μεγάλος, τότε ο Α-Β θα είναι επίσης μεγάλος ... αλλά δεν θα είναι αν υπάρχει κάποιος λόγος ότι το Α και Β είναι πολύ κοντά. Η διανομή των δισεκατομμυριούχων δεν είναι εντελώς τυχαία, βλέπετε, και έτσι μπορεί να υπάρχει κάποια υποκείμενη αιτία για αυτά τα δύο φαινομενικά άσχετα πράγματα που πραγματικά σχετίζονται. (Στην περίπτωση των Collisons ή Winklevosses, κυριολεκτικά!)

Οι μάζες των κουάρκ και των λεπτονίων του πρότυπου μοντέλου. Το βαρύτερο τυποποιημένο πρότυπο σωματίδιο είναι το κορυφαίο κουάρκ. το πιο ελαφρύ μη-νετρίνο είναι το ηλεκτρόνιο. Τα ίδια τα νετρίνα είναι τουλάχιστον 4 εκατομμύρια φορές ελαφρύτερα από το ηλεκτρόνιο: μια μεγαλύτερη διαφορά από ό, τι υπάρχει μεταξύ όλων των άλλων σωματιδίων. Όλος ο δρόμος στο άλλο άκρο της κλίμακας, η κλίμακα Planck κλίνει σε μια πρόκληση 10'9 GeV.Hitoshi Murayama του http://hitoshi.berkeley.edu/)

Αυτή η ίδια ιδιότητα ισχύει στην φυσική. Το ηλεκτρόνιο, το ελαφρύτερο σωματίδιο που αποτελείται από τα άτομα που βρίσκουμε στη Γη, είναι περισσότερο από 300.000 φορές λιγότερο μαζικό από το κορυφαίο κουάρκ, το βαρύτερο σωματίδιο Standard Model. Τα νετρίνα είναι τουλάχιστον τέσσερα εκατομμύρια φορές ελαφρύτερα από το ηλεκτρόνιο, ενώ η μάζα Planck - η αποκαλούμενη "φυσική" ενεργειακή κλίμακα για το σύμπαν - είναι περίπου 10'7 (ή 100.000.000.000.000.000) φορές βαρύτερα από το κορυφαίο κουάρκ.

Εάν δεν γνωρίζατε κανένα υποκείμενο λόγο για τον οποίο οι μάζες αυτές θα ήταν τόσο διαφορετικές, θα υποθέατε ότι υπήρχε κάποιος λόγος για αυτό. Και ίσως υπάρχει ένα. Αυτός ο τύπος σκέψης είναι γνωστός ως ένα επιχείρημα εξομάλυνσης ή «φυσικότητας». Στην απλούστερη μορφή του, δηλώνει ότι θα έπρεπε να υπάρχει κάποια φυσική εξήγηση για το γιατί τα συστατικά του Σύμπαντος με πολύ διαφορετικές ιδιότητες θα έπρεπε να έχουν αυτές τις διαφορές μεταξύ τους.

Όταν αποκατασταθούν συμμετρίες (στην κορυφή του δυναμικού), συμβαίνει ενοποίηση. Ωστόσο, το σπάσιμο των συμμετρειών, στο κάτω μέρος του λόφου, αντιστοιχεί στο Σύμπαν που έχουμε σήμερα, συμπληρωμένο με νέα είδη μαζικών σωματιδίων. Τουλάχιστον, για ορισμένες εφαρμογές. (Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Φυσική Φυσική 7, 2-3 (2011))

Τον 20ο αιώνα, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν τα επιχειρήματα της φυσικότητας για μεγάλη επιτυχία. Ένας τρόπος για να εξηγήσουμε τις μεγάλες διαφορές στην κλίμακα είναι να επιβάλουμε μια συμμετρία στις υψηλές ενέργειες και στη συνέχεια να μελετήσουμε τις συνέπειες της θραύσης της σε μια χαμηλότερη ενέργεια. Από αυτή τη συλλογιστική προέκυψαν πολλές ιδέες, ιδιαίτερα στον τομέα της σωματιδιακής φυσικής. Το bosons του μετρητή στην ηλεκτροσόκκινη δύναμη προήλθε από αυτή τη γραμμή σκέψης, όπως και ο μηχανισμός Higgs και, όπως επιβεβαιώθηκε μόλις πριν από λίγα χρόνια, το μποζόνιο Higgs. Το σύνολο του Τυποποιημένου Μοντέλου βασίστηκε σε αυτούς τους τύπους συμμετρίας και επιχειρήματα φυσικότητας και η φύση συνέβη να συμφωνεί με τις καλύτερες θεωρίες μας.

Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια του Τυπικού Μοντέλου έχουν τώρα ανιχνευθεί άμεσα, με το τελευταίο holdout, το Higgs Boson, που πέφτει στο LHC νωρίτερα αυτή τη δεκαετία. (Ε. Σίγκελ / Πέρα από τον Γαλαξία)

Μια άλλη μεγάλη επιτυχία ήταν ο κοσμικός πληθωρισμός. Το Σύμπαν χρειάστηκε να έχει τελειοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό στα αρχικά στάδια για να παράγει το Σύμπαν που βλέπουμε σήμερα. Η ισορροπία μεταξύ του ρυθμού επέκτασης, της χωρικής καμπυλότητας και της ποσότητας της ύλης και της ενέργειας μέσα σε αυτήν πρέπει να ήταν εξαιρετική. φαίνεται να είναι αφύσικο. Ο κοσμικός πληθωρισμός ήταν ένας προτεινόμενος μηχανισμός για να το εξηγήσει και από τότε έχει επιβεβαιώσει πολλές από τις προβλέψεις του, όπως:

  • ένα σχεδόν κλίμακα-αμετάβλητο φάσμα διακυμάνσεων,
  • η ύπαρξη υπέρ-οριζόντιων υπερβολών και υποσιτισμών,
  • με ατέλειες πυκνότητας που είναι αδιαβατικές στη φύση,
  • και ένα ανώτερο όριο στη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε στο πρώιμο, μετά το Big Bang Σύμπαν.
Οι κβαντικές διακυμάνσεις που συμβαίνουν κατά τον πληθωρισμό τείνουν σε ολόκληρο το Σύμπαν και όταν ο πληθωρισμός τελειώσει, γίνονται διακυμάνσεις της πυκνότητας. Αυτό οδηγεί, με την πάροδο του χρόνου, στην μεγάλης κλίμακας δομή στο Σύμπαν σήμερα, καθώς και τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που παρατηρούνται στο CMB. (E. Siegel, με εικόνες που προέρχονται από την ESA / Planck και την ομάδα εργασίας DoE / NASA / NSF για την έρευνα CMB)

Όμως, παρά τις επιτυχίες αυτών των επιχειρημάτων της φυσικότητας, δεν αποδίδουν πάντα καρπούς.

Υπάρχει μια αφύσικα μικρή ποσότητα παραβίασης CP στις ισχυρές αποσυνθέσεις. Η προτεινόμενη λύση (μια νέα συμμετρία γνωστή ως συμμετρία Peccei-Quinn) είχε μηδέν από τις νέες προβλέψεις της που επιβεβαιώθηκαν. Η διαφορά στη μαζική κλίμακα μεταξύ του βαρύτερου σωματιδίου και της κλίμακας Planck (το πρόβλημα της ιεραρχίας) ήταν το κίνητρο για την υπερσυμμετρία. πάλι, έχει επιβεβαιωθεί μηδέν των προβλέψεών του. Η αφύσικη φύση του Τυποποιημένου Μοντέλου έχει οδηγήσει σε νέες συμμετρίες με τη μορφή της Μεγάλης Ενοποίησης και, πιο πρόσφατα, της String Theory, οι οποίες (πάλι) δεν είχαν επιβεβαιώσει καμία από τις προβλέψεις τους. Και η αφύσικα χαμηλή αλλά όχι μηδενική τιμή της κοσμολογικής σταθεράς έχει οδηγήσει στις προβλέψεις ενός συγκεκριμένου τύπου multiverse που δεν μπορεί καν να δοκιμαστεί. Και αυτό, βέβαια, δεν επιβεβαιώνεται.

Τα σωματίδια του Τυπικού Μοντέλου και τα υπερσυμμετρικά τους αντίστοιχα. Ελάχιστα κάτω από το 50% αυτών των σωματιδίων έχουν ανακαλυφθεί και μόλις πάνω από 50% δεν έχουν δείξει ποτέ ίχνος ότι υπάρχουν. Μετά τα Runs I και II στο LHC, μεγάλο μέρος του ενδιαφέροντος χώρου παραμέτρων για το SUSY έχει εξαφανιστεί, συμπεριλαμβανομένων των απλούστερων εκδόσεων που ικανοποιούν τα κριτήρια του «WIMP Miracle». (Claire David / CERN)

Ωστόσο, σε αντίθεση με το παρελθόν, αυτά τα αδιέξοδα εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν τα πεδία στα οποία οι κορυφαίοι θεωρητικοί και πειραματιστές συγκεντρώνονται για να ερευνήσουν. Αυτά τα τυφλά σοκάκια, τα οποία δεν έφεραν καρπούς για κυριολεκτικά δύο γενεές φυσικών, εξακολουθούν να προσελκύουν χρηματοδότηση και προσοχή, παρά το ενδεχόμενο να αποσυνδεθούν από την πραγματικότητα εντελώς. Στο νέο βιβλίο της, το Lost In Math, η Sabine Hossenfelder αντιμετωπίζει σθεναρά αυτή την κρίση, διεξάγοντας συνεντεύξεις με τους επιστήμονες, τους βραβευθέντες με Νόμπελ και τους αντιαεροπορικούς. Μπορείτε να αισθανθείτε την απογοήτευσή της, αλλά και την απελπισία πολλών από τους ανθρώπους με τους οποίους μιλάει. Το βιβλίο απαντά στο ερώτημα "Έχουμε αφήσει να ευχηθούμε να σκεφτόμαστε τι μυστικά τη φύση κρατά σύννεφα την κρίση μας" με ένα ηχηρό "ναι!"

Μια ασυμμετρία μεταξύ των μποζών και των αντι-βοσόνων που είναι κοινές στις μεγάλες ενοποιημένες θεωρίες όπως η ενοποίηση της SU (5) θα μπορούσε να προκαλέσει μια θεμελιώδη ασυμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη, παρόμοια με αυτά που παρατηρούμε στο σύμπαν μας. Η πειραματική σταθερότητα του πρωτονίου, ωστόσο, αποκλείει τα απλούστερα SU (5) GUTs. (Ε. Siegel)

Το βιβλίο είναι μια άγρια, βαθιά, σκέψη που προκαλεί διάβασμα που θα έκανε κάθε λογικό άνθρωπο στον τομέα που είναι ακόμη ικανός για ενδοσκόπηση να αμφιβάλει για τον εαυτό του. Κανείς δεν αρέσει να αντιμετωπίζει το ενδεχόμενο να χάσει τη ζωή του κυνηγώντας ένα φάντασμα μιας ιδέας, αλλά αυτό είναι ό, τι είναι θεωρητικός. Βλέπετε μερικά κομμάτια ενός ατελούς παζλ και μαντέψτε τι είναι πραγματικά η πλήρης εικόνα. τις περισσότερες φορές, εσείς κάνετε λάθος. Ίσως, σε αυτές τις περιπτώσεις, όλες οι εικασίες μας έχουν γίνει λάθος. Στην αγαπημένη μου ανταλλαγή, συνέντευξη του Steven Weinberg, ο οποίος βασίζεται στην τεράστια εμπειρία του στη φυσική για να εξηγήσει γιατί τα επιχειρήματα φυσικότητας είναι καλοί οδηγοί για τους θεωρητικούς φυσικούς. Αλλά καταφέρνει μόνο να μας πείσει ότι ήταν καλές ιδέες για τις κατηγορίες προβλημάτων που κατάφεραν να επιλύσουν. Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα είναι καλοί οδηγοί για τα τρέχοντα προβλήματα. στην πραγματικότητα, δεν ήταν αποδεδειγμένα.

Μια 2-D προβολή ενός συλλέκτη Calabi-Yau, μια δημοφιλής μέθοδος συμπύκνωσης των επιπλέον, ανεπιθύμητων διαστάσεων της θεωρίας των συμβολοσειρών. Η εικασία Maldacena λέει ότι ο χώρος anti-de Sitter είναι μαθηματικά διπλός ως προς τις συμβατικές θεωρίες πεδίου σε μια μικρότερη διάσταση. Αυτό μπορεί να μην έχει καμία σχέση με τη φυσική του Σύμπαντος μας. (Γεύμα χρηστών του Wikimedia Commons)

Εάν είστε θεωρητικός φυσικός σωματιδίων, ένας θεωρητικός χορδών ή ένας φαινομενολόγος - ειδικά εάν υποφέρετε από γνωστική δυσαρέσκεια - δεν θα σας αρέσει αυτό το βιβλίο. Εάν είστε αληθινός πιστός στη φυσικότητα ως το καθοδηγητικό φως της θεωρητικής φυσικής, αυτό το βιβλίο θα σας ενοχλήσει τρομερά. Αλλά εάν είστε κάποιος που δεν φοβάται να ρωτήσει αυτό το μεγάλο ερώτημα «το κάνουμε όλοι λάθος», η απάντηση μπορεί να είναι μια μεγάλη, άβολη «ναι». Όσοι από εμάς είμαστε διανοητικά έντιμοι φυσικοί, ζούμε με αυτή η δυσφορία για πολλές δεκαετίες τώρα. Στο βιβλίο της Sabine, Lost In Math, αυτή η δυσφορία είναι τώρα προσιτή στους υπόλοιπους.

* - Πλήρης αποκάλυψη: Ο Ethan Siegel έλαβε ένα αντίγραφο αναθεώρησης του Lost In Math χωρίς χρέωση.

Ξεκινά με το A Bang είναι τώρα στο Forbes, και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συντάξει δύο βιβλία, Πέρα από τον γαλαξία, και την Treknology: Η επιστήμη του Star Trek από το Tricorders στο Warp Drive.