I en Quanta-tidningsartikel använder den nederländska fysikern och matematikern Robbert Dijkgraaf den rumsliga metaforen”landskap” för att förklara strängteorinens revolutionära betydelse för att förstå universum.
Kvantfysikens främsta dilemma
Föreställ dig att Alice och Bob blir ombedda att laga middag. Alice älskar kinesisk mat, Bob älskar italienska. Var och en av dem väljer sitt favoritrecept, köper från en lokal butik och följer instruktionerna tydligt. Men när de tar maten ut ur ugnen blir båda ganska förvånade. Båda rätterna visar sig vara exakt desamma. Man kan bara föreställa sig de existentiella frågorna som Alice och Bob ställer. Hur kan olika ingredienser göra samma rätter? Vad betyder det ens att laga kinesisk eller italiensk mat? Eller närmade de sig tillagningsprocessen så felaktigt?
Detta är en illustration av kvantfysikers centrala dilemma. De fann många exempel på hur två helt olika koncept kan beskriva samma fysiska system. När det gäller fysik, i stället för kött och såser, agerar partiklar och krafter som ingredienser, recept är interaktionsformler, och tillagningsprocessen är en diskretiseringsprocedur som sätter sannolikheten för fysiska fenomen i enlighet med formler. Precis som Alice och Bob är forskare förvånade över hur olika recept leder till samma resultat.
Har naturen förmågan att välja sina grundläggande lagar? Albert Einstein trodde så vitt vi i en mening att det bara fanns ett sätt, baserat på några få grundprinciper, att bygga ett elegant, fungerande universum. Från hans synvinkel, om vi undersöker essensen i fysiken på en tillräckligt djup nivå, kommer vi till slutsatsen att det bara finns ett och enda möjligt sätt att interagera mellan alla kugghjulen i det universella urverket - materia, strålning, krafter, rymd och tid.
Stringteori som en "teori om allt"
Kampanjvideo:
Den nuvarande standardmodellen för partikelfysik är en inert mekanism som består av en liten uppsättning ingredienser. Men trots det till synes unika är vårt universum bara en av de otaliga möjliga världar. Vi har inte den minsta uppfattningen varför denna speciella konfiguration av partiklar och krafter som verkar på dem är grunden för vår världsordning.
Varför finns det sex "smaker" av kvarkar, tre "generationer" av neutrinoer och en Higgs-partikel? Dessutom inkluderas nitton grundläggande fysiska konstanter (såsom massan och laddningen av en elektron) i standardmodellen. Värdena för dessa "fria parametrar" verkar, verkar det, inte ha någon djup mening. Å ena sidan är partikelfysik ett exempel på elegans. Å andra sidan är det bara en vacker teori.
Om vår värld bara är en av många, vad ska vi då göra med alternativa världar? Den aktuella synvinkeln är den absoluta motsatsen till Einsteins idé om ett unikt universum. Moderna fysiker täcker ett stort utrymme av sannolikheter och försöker förstå logiken i dess sammankopplingar. Från guldprospektörer har de utvecklats till geografer och geologer, kartlagt landskapet och studerat i detalj krafterna som formade det.
En milstolpe i denna process var födelsen av strängteori. Just nu är hon den enda kandidaten för titeln "teori om allt". Den goda nyheten är att det inte finns några fria parametrar i strängteorin. Det är ingen fråga om vilken strängteori som beskriver vårt universum, eftersom det är unikt. Avsaknaden av ytterligare funktioner leder till radikala konsekvenser. Alla nummer i naturen måste bestämmas av fysiken själv. Dessa är inte "konstanter i naturen", utan helt enkelt variabler erhållna från ekvationer (ibland, men otroligt komplicerade).
Dåliga nyheter, mina herrar. Lösningsutrymmet för strängteori är stort och komplicerat. Detta är normalt för fysik. Traditionellt skiljer man grundläggande lagar, baserade på matematiska ekvationer och på lösningar av dessa ekvationer. Vanligtvis finns det flera lagar och ett oändligt antal lösningar. Låt oss ta Newtons lagar. De är skarpa och eleganta, men de beskriver ett otroligt stort antal fenomen, från ett fallande äpple till en månbana. Genom att känna till systemets initiala tillstånd kan dessa lagar användas för att beskriva dess tillstånd i nästa ögonblick. Vi förväntar oss inte eller kräver en universell lösning som skulle beskriva allt.
Ekumeniskt landskap
I strängteori är några av de element som ofta ses som lagar faktiskt lösningar. De bestäms av formen och storleken på de dolda extra dimensionerna. Rymden för alla dessa lösningar kallas ofta "landskapet", men det sägs för lätt. Till och med de mest imponerande bergslandskapen är ljusa mot det stora utrymmet. Och även om dess geografi ännu inte har studerats fullt ut, är det säkert att säga att dess kontinenter är enorma.
En av de mer sofistikerade antagandena i teorin är att allt möjligen är sammankopplat. Om vi skakar universum väl kan vi flytta från en hypotetisk värld till en annan, ändra vad vi är vana vid att överväga de oföränderliga naturlagarna och få en ny kombination av elementära partiklar som utgör vår verklighet.
Men hur utforskar vi det enorma landskapet av fysiska modeller av universum, som lätt kan ha hundratals dimensioner? Tänk på det som en till stor del outvecklad vildmark, mycket av den dold under tjocka lager av oemotståndlig komplexitet. Livliga platser finns bara vid gränserna. Här är livet enkelt och fritt. Här är de grundläggande modellerna som vi förstår perfekt. De är inte särskilt viktiga för att beskriva den verkliga världen, men fungerar som en bekväm utgångspunkt för att utforska den omedelbara närheten.
Ett bra exempel är kvantelektrodynamik (QED), en teori som beskriver interaktioner mellan materia och ljus. Denna modell har en parameter, kallad "fin strukturkonstant", som uttrycker styrkan i interaktionen mellan två elektroner. Numera är det nära 1/137. I QED kan alla processer betraktas som härrörande från elementära interaktioner. Till exempel kan avvisningen av två elektroner betraktas som ett utbyte av fotoner. Kvanteelektrodynamik föreslår att man överväger alla möjliga sätt på vilka två elektroner kan utbyta fotoner.
I praktiken innebär detta att fysiker står inför behovet av att beräkna oändliga summor av stor komplexitet. Men teorin erbjuder också en väg ut: varje ytterligare utbyte av fotoner lägger till ett tillstånd där den fina strukturkonstanten höjs till nästa effekt. Eftersom antalet av dessa utbyten är relativt litet har de ytterligare förhållandena inte stor inverkan. De kan försummas genom att föra dem närmare det "verkliga" värdet. Vi hittar dessa löst kopplade teorier vid utgångarna i landskapet. Här är krafterna svaga, och det är vettigt att prata om ingredienslistan - elementära partiklar - och receptet för deras interaktion. Men om vi lämnar våra bebodda platser och fördjupar oss i okartad vildmark, kommer varje ytterligare villkor att bli allt viktigare. Nu skiljer vi inte längre mellan enskilda partiklar. De upplösesförvandlas till ett trassligt nät av energi, som ingredienserna i en paj i ugnen.
Men inte allt går förlorat. Ibland ses en annan utpost i slutet av vägen. Med andra ord, en annan välkontrollerad modell, denna gång bestående av en helt annan uppsättning av partiklar och krafter. I sådana fall finns det två alternativa recept för samma underliggande fysik, som med Alice och Bobs middagar. Dessa konjugerade beskrivningar kallas dubbla modeller och kopplingen mellan dem kallas dualitet. Dessa motsatser kan ses som en stor generalisering av den berömda vågpartikeldualismen upptäckt av Heisenberg. När det gäller Alice och Bob är det en konvertering mellan kinesiska och italienska recept.
Allt är sammankopplat
Varför är allt så spännande ur fysiksynpunkt? Först och främst är antagandet att många (om inte alla) modeller ingår i ett enormt sammankopplat utrymme ett av de mest överraskande resultaten i modern kvantfysik. Detta är en förändring i perspektiv som är värd att kallas ett "paradigmskifte." I stället för en skärgård med spridda öar utforskar vi en enorm kontinent.
På ett sätt kan vi genom att studera en modell tillräckligt djup förstå dem alla. Vi kan utforska förhållandet mellan dessa modeller genom att fokusera på den allmänna konturen av deras struktur. Det är viktigt att notera att detta fenomen är mycket beroende av huruvida strängteorin är förenlig med den verkliga världen. Den här egenskapen är inneboende i kvantfysik, vilken är oföränderlig oavsett vad "teorin om allt" visar sig vara.
Mer dramatisk är slutsatsen att alla traditionella teorier om grundläggande fysik måste gå till historiens soptunna. Partiklar, fält, krafter, symmetrier - allt detta är inget annat än artefakter av ett fritt liv vid utposterna i ett oändligt landskap med otänkbar komplexitet. Det verkar otroligt, eller åtminstone extremt begränsat, att se fysik i termer av de elementära byggstenarna.
Kanske finns det en grundläggande ny struktur som förenar de grundläggande naturlagarna och ignorerar alla koncept som vi är vana vid. Strängteoriens matematiska subtilitet och elegans är en frestande motivation att acceptera denna synvinkel. Men låt oss vara ärliga. Mycket få moderna idéer om vad som kommer att ta plats för partiklar och fält är "galna nog för att vara sanna", som Niels Bohr uttryckte det.
