Žurnāla Quanta rakstā holandiešu fiziķis un matemātiķis Robberts Dijkgraaf izmanto "ainavas" telpisko metaforu, lai izskaidrotu stīgu teorijas revolucionāro nozīmi Visuma izpratnē.
Kvantu fizikas galvenā dilemma
Iedomājieties, ka Alisei un Bobai tiek lūgts pagatavot vakariņas. Alise mīl ķīniešu ēdienu, Bobs mīl itāļu valodu. Katrs no viņiem izvēlas savu iecienīto recepti, pirkumus no vietējā veikala un skaidri ievēro instrukcijas. Bet, kad viņi izņem ēdienu no krāsns, abi ir diezgan pārsteigti. Abi ēdieni izrādās tieši vienādi. Var tikai iedomāties eksistenciālos jautājumus, kurus uzdod Alisi un Bobu. Kā dažādas sastāvdaļas var izgatavot tos pašus ēdienus? Ko nozīmē pat gatavot ķīniešu vai itāļu ēdienu? Vai arī viņi gatavojas tik nepareizi?
Tas parāda kvantu fiziķu centrālo dilemmu. Viņi atrada daudzus piemērus, kā divi pilnīgi atšķirīgi jēdzieni var aprakstīt vienu un to pašu fizisko sistēmu. Fizikas gadījumā gaļas un mērču vietā daļiņas un spēki darbojas kā sastāvdaļas, receptes ir mijiedarbības formulas, un gatavošanas process ir diskretizācijas procedūra, kas fizisko parādību varbūtību sakārto atbilstoši formulām. Tāpat kā Alise un Bobs, zinātnieki ir pārsteigti par to, kā dažādas receptes dod vienādus rezultātus.
Vai daba spēja izvēlēties savus pamatlikumus? Alberts Einšteins, cik mēs zinām, savā ziņā uzskatīja, ka ir tikai viens veids, kura pamatā ir daži pamatprincipi, lai izveidotu elegantu, funkcionējošu Visumu. No viņa viedokļa, ja mēs pietiekami dziļi izpētīsim fizikas būtību, tad nonāksim pie secinājuma, ka ir tikai viens un vienīgais iespējamais universālā pulksteņa mehānisma visu pārnesumu - vielas, starojuma, spēku, telpas un laika - mijiedarbības veids.
Stīgu teorija kā "visa teorija"
Reklāmas video:
Pašreizējais daļiņu fizikas standarta modelis ir inerts mehānisms, ko veido niecīgs sastāvdaļu komplekts. Bet, neskatoties uz šķietamo unikalitāti, mūsu Visums ir tikai viena no neskaitāmajām iespējamām pasaulēm. Mums nav ne mazākās nojausmas, kāpēc tieši šī daļiņu konfigurācija un spēki, kas uz tām darbojas, ir mūsu pasaules kārtības pamatā.
Kāpēc ir seši kvarku "aromāti", trīs neitrīno "paaudzes" un viena Higsa daļiņa? Turklāt standarta modelī ir iekļautas deviņpadsmit pamata fizikālās konstantes (piemēram, elektronu masa un lādiņš). Šķiet, ka šo “brīvo parametru” vērtībām nav dziļas nozīmes. No vienas puses, daļiņu fizika ir elegances piemērs. No otras puses, tā ir tikai skaista teorija.
Ja mūsu pasaule ir tikai viena no daudzajām, tad kāds mums sakars ar alternatīvajām pasaulēm? Pašreizējais viedoklis ir absolūts pretstats Einšteina idejai par unikālu Visumu. Mūsdienu fiziķi aptver milzīgu varbūtību telpu un mēģina izprast tās savstarpējo savienojumu loģiku. No zelta prospektiem viņi ir pārtapuši par ģeogrāfiem un ģeologiem, kartējot ainavu un detalizēti izpētot spēkus, kas to veidoja.
Atskaites punkts šajā procesā bija stīgu teorijas dzimšana. Šobrīd viņa ir vienīgā kandidāte uz "teorijas par visu" titulu. Labā ziņa ir tā, ka stīgu teorijā nav brīvu parametru. Nav jautājuma par to, kura stīgu teorija raksturo mūsu Visumu, jo tā ir unikāla. Papildu funkciju neesamība rada radikālas sekas. Visus skaitļus dabā nosaka pati fizika. Tās nav "dabas konstantes", bet vienkārši mainīgie, kas iegūti no vienādojumiem (dažreiz, kaut arī neticami sarežģīti).
Sliktas ziņas, kungi. Stīgu teorijas risinājumu telpa ir plaša un sarežģīta. Tas ir normāli fizikai. Tradicionāli tiek izdalīti pamatlikumi, kuru pamatā ir matemātiskie vienādojumi un šo vienādojumu risinājumi. Parasti ir vairāki likumi un bezgalīgs skaits risinājumu. Ņemsim Ņūtona likumus. Viņi ir izteiksmīgi un eleganti, taču apraksta neticami plašu parādību klāstu, sākot no krītoša ābola un līdz Mēness orbītā. Zinot sākotnējo sistēmas stāvokli, šos likumus var izmantot, lai aprakstītu tās stāvokli nākamajā brīdī. Mēs negaidām un nepieprasām universālu risinājumu, kas aprakstītu visu.
Ekumeniskā ainava
Stīgu teorijā daži no elementiem, kurus parasti uzskata par likumiem, faktiski ir risinājumi. Tos nosaka slēpto papildu izmēru forma un izmērs. Visu šo risinājumu telpa bieži tiek saukta par “ainavu”, taču tas ir pārāk viegli pateikts. Pat visiespaidīgākās kalnu ainavas blāvi skar šīs telpas plašumus. Un, kaut arī tās ģeogrāfija vēl nav pilnībā izpētīta, var droši teikt, ka tās kontinenti ir milzīgi.
Viens no sarežģītākajiem teorijas pieņēmumiem ir tas, ka viss, iespējams, ir savstarpēji savienots. Ja labi sakratīsim Visumu, mēs varētu pāriet no vienas hipotētiskās pasaules uz citu, mainot to, ko mēs izmantojām, lai apsvērtu nemainīgus dabas likumus, un iegūstot jaunu elementāru daļiņu kombināciju, kas veido mūsu realitāti.
Bet kā mēs izpētīsim plašo Visuma fizisko modeļu ainavu, kurai viegli varētu būt simtiem dimensiju? Padomājiet par to kā gandrīz neattīstītu neskarto tuksnesi, kas lielā mērā ir paslēpts zem bieziem neatvairāmas sarežģītības slāņiem. Apdzīvojamās vietas var atrast tikai pie pašām robežām. Šeit dzīve ir vienkārša un brīva. Šeit ir pamatmodeļi, kurus mēs lieliski saprotam. Tie nav ļoti svarīgi, aprakstot reālo pasauli, bet kalpo par ērtu sākumpunktu tuvākās apkārtnes izpētei.
Labs piemērs ir kvantu elektrodinamika (QED) - teorija, kas apraksta matērijas un gaismas mijiedarbību. Šim modelim ir viens parametrs, ko sauc par “smalkās struktūras konstantu”, kurš izsaka mijiedarbības stiprumu starp diviem elektroniem. Skaitliski tas ir tuvu 1/137. QED var uzskatīt, ka visus procesus rada elementāra mijiedarbība. Piemēram, divu elektronu atgrūšanos var uzskatīt par fotonu apmaiņu. Kvantu elektrodinamika ierosina apsvērt visus iespējamos veidus, kā divi elektroni var apmainīties ar fotoniem.
Praksē tas nozīmē, ka fiziķi saskaras ar nepieciešamību aprēķināt ļoti sarežģītas bezgalīgas summas. Bet teorija piedāvā arī izeju: katra papildu fotonu apmaiņa papildina stāvokli, kurā smalkās struktūras konstante tiek paaugstināta līdz nākamajai jaudai. Tā kā šo apmaiņu skaits ir relatīvi mazs, papildu nosacījumiem nav lielas ietekmes. Tos var atstāt novārtā, tuvinot tos “īstajai” vērtībai. Šīs brīvi saistītās teorijas atradīsim ainavas priekšposteņos. Šeit spēki ir vāji, un ir jēga runāt par sastāvdaļu - elementāro daļiņu - sarakstu un to mijiedarbības recepti. Bet, ja mēs atstāsim savas apdzīvojamās vietas un ienirsim neatklātā tuksnesī, katrs papildu nosacījums kļūs arvien svarīgāks. Tagad mēs vairs neatšķiram atsevišķas daļiņas. Viņi izšķīstpārvēršas par saspiestu enerģijas tīklu, piemēram, pīrāga sastāvdaļām krāsnī.
Tomēr ne viss tiek zaudēts. Dažreiz ceļa galā redzams cits priekšpostenis. Citiem vārdiem sakot, vēl viens labi kontrolēts modelis, šoreiz sastāv no pavisam cita daļiņu un spēku kopuma. Šādos gadījumos ir divas alternatīvas receptes tai pašai pamata fizikai, tāpat kā Alises un Boba vakariņām. Šos konjugētos aprakstus sauc par duāliem modeļiem, un savienojumu starp tiem sauc par divdabību. Šos pretstatus var uzskatīt par grandiozu slavenā Heisenberga atklātā viļņu-daļiņu duālisma vispārinājumu. Alises un Boba gadījumā tas notiek pārvēršanas veidā starp ķīniešu un itāļu receptēm.
Viss ir savstarpēji savienots
Kāpēc tas viss ir tik aizraujoši no fizikas viedokļa? Pirmkārt, pieņēmums, ka daudzi (ja ne visi) modeļi ir vienas milzīgas savstarpēji saistītas telpas daļa, ir viens no pārsteidzošākajiem mūsdienu kvantu fizikas atklājumiem. Šīs ir izmaiņas perspektīvā, kuras vērts saukt par “paradigmas maiņu”. Izkaisīto salu arhipelāga vietā mēs izpētām vienu plašu kontinentu.
Savā ziņā pietiekami dziļi izpētot vienu modeli, mēs varēsim tos visus saprast. Mēs varam izpētīt saistību starp šiem modeļiem, koncentrējoties uz to struktūras vispārīgo izklāstu. Ir svarīgi atzīmēt, ka šī parādība ir ļoti atkarīga no tā, vai stīgu teorija atbilst reālajai pasaulei. Šis īpašums ir raksturīgs kvantu fizikai, kas ir negrozāma neatkarīgi no tā, kāda izrādās “visa teorija”.
Dramatiskāks ir secinājums, ka visām tradicionālās pamata fizikas teorijām jāiet vēstures atkritumu tvertnē. Daļiņas, lauki, spēki, simetrijas - tas viss nav nekas cits kā brīvas dzīves artefakti uz bezgalīgas, neiedomājamas sarežģītības ainavas priekštečiem. Šķiet neticami vai vismaz ārkārtīgi ierobežoti skatīties uz fiziku elementāro elementu izteiksmē.
Varbūt ir kāda principiāli jauna struktūra, kas apvieno dabas pamatlikumus un ignorē visus jēdzienus, pie kuriem esam pieraduši. Stīgu teorijas matemātiskās smalkumi un elegance ir vilinoša motivācija pieņemt šo viedokli. Bet būsim godīgi. Ļoti nedaudzas mūsdienu idejas par to, kas aizvietos daļiņas un laukus, ir “pietiekami trakas, lai būtu patiesības”, kā to izteicis Nīls Bohrs.
