Her şey kübitlerden mi geliyor? Matematiksel Fiziğin "Papası" Kuantum Teorisi Üzerine Düşünceleri Çevreliyor
Bu makale, WeChat genel hesabı "Research Circle" (ID: keyanquan) tarafından yeniden basılma yetkisine sahiptir.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Princeton Institute for Advanced Study, New Jersey (Resim kaynağı: www.ics.uzh.ch)
Natalie Wolchover tarafından yazıldı.
Çeviri He Weixiong
İnceleme editörü Jin Zhuangwei
Özel olarak davet edilen yorumcu Zhang Jiandong
Kampüsteki ormanlık bu tenha yerde, bir grup seçkin teorik fizikçi var ve Edward Witten en göze çarpanlardan biri. Witten, matematikteki en yüksek ödül olan Fields Madalyası'nı kazanan tek fizikçi ve ayrıca M-teorisini keşfiyle de ünlü. M Teorisinin fiziği birleştirdiği kabul edilir " Her şeyin teorisi "İlk aday. Dahiler arasında bir dahi olarak Witten, olağanüstü bir mizacına sahiptir - her zaman aşırı derecede soyut düşünceye dalmıştır.
Resim kaynağı: Quanta Magazine için Jean Sweep
Wittenin araştırma çalışması, son yıllarda teorik fiziğin gelişimini büyük ölçüde desteklemiştir; bunlardan en bilineni gizemli olanı olmalıdır. M teorisi . Einstein'dan bu yana, seçkin fizikçiler yerçekimi ve diğer temel kuvvetleri birleştirmek için daha temel bir kuantum teorisi arıyorlar ve Einstein'ın "yerçekimi uzay-zaman bükülmesinin özüdür" (yani genel görelilik ) Yaklaşık görüntü. M teorisi mevcut teoridir En iyi aday , Ama hala çok az şey biliyoruz. Witten, 1995 yılında M teorisini önerdi ve geçti "Çift" Beş sicim teorisinin tümünü aynı matematiksel yapıda birleştirin. Daha sonra, o ve diğer araştırmacılar, sicim teorisi ve kuantum alan teorisinin matematiksel olarak ikili olduğunu keşfettiler (sicim teorisi, maddenin temel kurucu unsurlarının küçük sicimler olduğuna inanırken, kuantum alan teorisinin parçacık fiziğinin "standart modeli" olduğuna inanıyor. Materyal alanında hareket eden temel parçacıkları tanımlayan dil). Witten bir dizi teorisyeni olarak bilinirken, kuantum alan teorisinde de birçok yeni keşifler yaptı ve aralarındaki bağlantıları inceledi. Ek olarak, fizikteki içgörüsü, matematikte büyük keşifler yapmasını da sağladı. Bu nedenle matematiksel fiziğin "papası" olarak bilinir. İlgili alanlardaki araştırmacılar, çalışmalarını dikkatle inceleyecek ve çalışmalarına ilgi duyacağını umacaklar. Tartışmasız akademik etkisine rağmen, 66 yaşındaki Witten, çağdaş teorik bulgulara dair görüşlerini sık sık yayınlamıyor.
Bu sonbaharda Princeton'a yaptığım ziyaret sırasında Witten'i İleri Araştırmalar Enstitüsü'nün orta bahçesinde gördüm ve bir röportaj talep ettim. Son derece hızlı konuştu ve derin bir sesi vardı, tüm sorularıma cevap vermeyi garanti edemeyeceğini, ancak çabalayacağını söyledi.
Resim kaynağı: Quanta Magazine için Jean Sweep
Ekim ayında bir Perşembe günü, planlandığı gibi Wittenin ofisine geldim. Diğerleri orada değil, ofis kapısı aralık ve içteki masa kağıtlarla dolu - üst üste yığılmamış, ancak masanın üzerine dağılmış, her yöne bakıyor, birkaç sayfa yere düşmek üzere. Yukarı. (Witten, kağıdı yazmayı / okumayı bitirdikten sonra buraya yığdığını daha sonra açıkladı.) Kitap rafında, ofisinin duvarında ailesinin ve çocukların sanatsal eserlerinin fotoğrafları asılıydı. Biri büyükanne ve büyükbabasını kutluyordu. Bölüm. Birkaç dakika sonra Witten geldi, bir buçuk saatimizi fizik ve matematikteki dualitenin anlamı, M Teorisinin geleceği ve okuduğu ve düşündüğü hakkında konuşarak geçirdik.
Dualite Ağı
Soru: Son zamanlarda fizikçiler dualiteye dikkat etmeye başladılar ve siz onu onlarca yıldır inceliyorsunuz, neden bu soruyla ilgileniyorsunuz?
C: Dualitede yeni keşifler yapmaya devam ediyoruz. Dualite ilginçtir çünkü çoğu zaman zor sorulara cevap verebilirler. Örneğin, belirli bir kuantum teorisi hakkında uzun yıllar düşünmüş olabilirsiniz ve ayrıca kuantum etkisi küçük olduğunda ne olduğunu anlıyorsunuz, ancak kuantum etkisi büyük olduğunda ne oluyor? Bunu ders kitaplarından öğrenemezsin. Bunu derinlemesine incelemek istiyorsanız, kesinlikle başınız belaya girecektir. Ancak ikili ifadeler genellikle bu sorulara cevap verebilir, soruyu ifade etmenin başka bir yolunu sunarlar ve yeni ifadede zorluk genellikle çözülür.
S: Dualitedeki yeni keşiflerden bazı örnekler verebilir misiniz?
C: Gösterge alanı teorisi arasındaki ikilik, zayıf bağlı sicim teorisi ile güçlü birleşik sicim teorisi arasındaki ikilik ve ayar teorisi ve yerçekimi olan iyi bilinen AdS / CFT ikiliği de dahil olmak üzere birçok farklı türde ikilik bulduk. Arasındaki ikilik. AdS / CFT ikiliği 20 yıl önce keşfedildi, ancak şaşırtıcı olan şey bize hala çok fazla ilham vermesidir. Bunun nedeni büyük ölçüde, yaklaşık 10 yıl önce bazı yeni fikirlerin onu canlandırmasıdır - insanların kuantum alan teorisinde yeni bir entropi anlayışına sahip olmaları, "kübitlerden gelir".
AdS / CFT dualitesi, anti-de Sitter uzay-zamandaki (anti-de Sitter) yerçekimi teorisini, bölgenin sınırını tanımlayan bir kuantum alan teorisi ile eşitler. AdS uzay-zamanı - genellikle daha yüksek boyutlarda olduğu için "yığın" olarak adlandırılır - tıpkı bir hologram gibi, daha düşük boyutlu sınırlardaki parçacıklar arasındaki kuantum etkileşimlerinde kodlanır. Bu nedenle AdS / CFT, fizikçilere yerçekimi kuvvetinin doğasına ilişkin "holografik" bir anlayış sağlar.
S: Bu, uzay-zamanın ve içindeki her şeyin, kuantum dolaşık halde depolanan bilgilerden ortaya çıkan hologramlar gibi olduğu anlamına geliyor.
A: Evet. Matematikteki bazı ikilemler, fizikteki iki kuantum alan teorisi arasındaki ikiliğin sonucu olarak da yorumlanabilir. Birbirleriyle ilişki kurma yolları çok çeşitlidir, bu nedenle hızlı bir şekilde çıkarılan herhangi bir basit sonuç eksiktir. Aynı fiziksel problemin farklı ifadelere sahip olduğu ve farklı özellikleri ortaya çıkardığı farklı bağlantılardan oluşan bir ağ hayal etmelisiniz. En basit durumda, sadece iki önemli ifade vardır, ancak bunlar bu soruyu cevaplamak için yeterlidir. Karmaşık bir örnek vermemi isterseniz, bu çok fazla olur.
S: Böylesine karmaşık bir bağlantı ağını ve tüm ikiliği tanımlamanın zorluğunu göz önünde bulundurursak, bunun genel yapıyı anlamamış olmamızı mı yoksa yapısını ancak bu ağ çok karmaşık olduğunda görebileceğimizi mi düşünüyorsunuz?
A: Emin değilim. Geleneksel yönteme göre, önce klasik alanı oluşturuyoruz ve sonra kuantum alanını elde etmek için onu nicelendiriyoruz. Ancak artık birçok durumda bu yaklaşımın uygulanamayacağını biliyoruz. Aynı kuantum teorisi, farklı klasik teorilerden türetilebilir. Nathan Seiberg (Nathan Seiberg, teorik fizikçi, Wittenin meslektaşı) her şeyi daha açık hale getirecek daha iyi bir kuantum alan teorisi olacağına inandığını söyleyecektir, ancak henüz değiliz biliyorum. Dürüst olmak gerekirse, emin değilim, bunun bir rüya olduğunu düşünüyorum ve hala ulaşılamaz gibi görünüyor.
İlginizi çekebilecek başka bir şey daha var, kuantum alan teorisi sadece fizik için değil, aynı zamanda matematik için de çok önemlidir. Ancak matematikçilerin fizikçiler tarafından tanımlanan kuantum alan teorisini incelemek için katı matematiksel teoriler kullanması zordur. Bu çok garip, dünya böylesine karmaşık bir matematiksel yapı üzerine inşa edilmiştir.
Resim kaynağı: Quanta Magazine için Jean Sweep
Soru: Matematik ve fizik arasındaki ilişki hakkında ne düşünüyorsunuz?
C: Geniş bir cevap vermek istemiyorum, hadi şu anki durumumuzdan bahsedelim. Kuantum alan teorisinin ve sicim teorisinin fiziği birçok matematiksel gizem içeriyor, ancak bunları sistematik olarak nasıl çıkaracağımızı hala bilmiyoruz. Fizikçiler her zaman matematikçileri şaşırtan fikirler bulabilirler, çünkü bunların bilinen matematik dilinde tanımlanması zordur, bu yüzden kuantum alan teorisini fiziksel bir bakış açısıyla anlamalısınız.
Yeni bir evrensel form olduğunu sanmıyorum. Kuantum alan teorisinin hangi standart yöntemlerinin eksik olduğunu biliyorum, bu yüzden en azından bu teorileri açıklamak için yeni formlar bulmayı bekleyebiliriz. Ama nasıl bir form olacağını hayal etmek benim için zor.
S: Hiç hayal edemiyor musunuz?
A: Evet. Geleneksel olarak, insanlar etkileşim kuantum alan teorisinin yalnızca içinde yaşadığımız dört boyutlu uzay-zamanda var olabileceğine inanıyorlardı. Bu ilginç bir tesadüf. Ancak 1990'larda, bir dizi ikiliği dalı, kuantum alan teorisinin hem beş hem de altı boyutta var olabileceğini keşfetti. Doğaları hakkında çok az şey bilmemiz üzücü.
S: Altı boyutlu bir uzay-zamanda parçacıkları tanımlamak için kullanılan bir kuantum alan teorisi olan gizemli (2,0) teoriyi duydum.Yedi boyutlu bir AdS uzayında sicimleri ve yerçekimini tanımlayan M teorisinin bir dualitesidir. (2,0) İkili ağlarda teori önemli midir?
C: Evet, bu çok modern bir teori. Yerçekimini dikkate almayan geleneksel kuantum alan teorisinde, durumu altı boyutun üzerinde tanımlayacak daha iyi bir teori yoktur. Altı boyutlu (2,0) teoriden başlayarak, dört boyutlu ve hatta daha düşük boyutlu çok sayıda önemli ikili ve özelliklerini elde edebilirsiniz. Bununla birlikte, kuantum alan teorisi anlayışımız genellikle klasik alan teorisinin nicemlenmesinden gelse de, (2,0) teorisinin klasik karşılığını henüz bulamadık. (2,0) Teorinin bazı özellikleri (simetri kombinasyonu gibi) çok tuhaftır. Öyleyse, dualitenin neden var olduğunu merak ediyor olabilirsiniz, ama bana göre neden bu özel niteliklere sahip 6 boyutlu bir teorinin olduğu daha temel bir sorudur.
S: Dualite, aynı sistemi tamamen farklı şekillerde tanımlamamıza izin verir, ancak aynı zamanda "gerçek nedir?" Sorusunu anlamamızı zorlaştırır. Ne düşünüyorsun?
C: Size söyleyebileceğim şey, genel olarak, dualite olduğunda, bir ifadede kolay olan bir problemin diğerinde zorlaştığıdır. Örneğin, günlük hareketlerinizi tanımlamak için Newton mekaniğini kullanmak oldukça basittir. Ama yaşadığımız dünyanın tamamen farklı bir ikili "kardeşi" varsa, belki fizikçilerin düşündüğü bazı şeyler o dünyada daha netleşecek, ama günlük hayatımızın tarif edilmesi zorlaşacak.
M Teorisinin Gelişimi
Soru: Kuantum kütleçekiminin çok güçlü bir teorisi olduğuna dair daha iyimser bir görüş var Ne düşünüyorsunuz?
C: Ne yazık ki, bu görüş doğru olsa bile bize yardımcı olacağını garanti edemem. Çünkü mevcut teorimiz tam olmasa da pek çok fenomeni açıklamıştır. Bu nedenle, daha eksiksiz bir açıklamayla bile, gerçekte ne kadar yardımcı olduğunu söylemek zor.
S: M teorisini mi kastediyorsunuz?
C: M teorisi sadece bir aday.
S: 22 yıl önce M teorisini önerdin Şu anki gelişme durumu nedir?
Y: Şahsen ben, 22 yıl kadar erken bir tarihte, M teorisinin var olduğuna çok ikna olduğumuzu düşünüyorum, ancak şimdi insanlar ona daha çok güveniyor çünkü AdS / CFT, AdS uzay-zaman geometrisinde en azından M teorisinin net bir tanımını veriyor. Ancak, teori anlayışımızın hala yetersiz olduğunu düşünüyorum. 22 yıl öncesiyle karşılaştırıldığında, teorik gelişim esas olarak AdS / CFT ve ilgili içeriğe odaklanmıştır. Ancak bunun yalnızca bir yönü olduğuna ve başka önemli yönler olması gerektiğine inanıyorum.
Resim kaynağı: Quanta Magazine için Jean Sweep
S: Bana bir örnek verebilir misiniz?
C: Örneğin, bizzat uzay-zamanın kuantum doğasının toplu bir açıklaması. Uzun zamandır bu konuda çok az ilerleme kaydettik. Bunun cevabın aşina olduğumuzdan farklı olmasından kaynaklandığını düşünüyorum. Tabii ki, bu sadece benim tahminim.
S: Farklılıkları hakkında ne düşünüyorsunuz?
A: Söylemesi zor. Daha soyut olacağından şüpheleniyorum. Bilinen bazı özel durumlar dışında, uzay-zamanın kesin bir kuantum tanımının olmadığını düşünme eğilimindeyim (örneğin, AdS uzayında böyle bir tanımın var olduğunu biliyoruz). Ama daha fazla tahmin yapamam.
Her şey kübitlerden mi geliyor?
Witten: Kısa bir süre önce, bu makalede Princeton Üniversitesi'nden fizikçi John Wheeler tarafından yazılan eski bir makaleyi (Bilgi, fizik, kuantum: bağlantı arama) okudum (Bilgi, fizik, kuantum: bağlantı arayışı). 1989 tarihli makale "her şeyin bitlerden geldiğini", yani fiziksel evrenin bilgiden kaynaklandığını ileri sürüyordu. O bir vizyon adamı, ancak makale metinde belirsiz. Bu makaleyi 30 yıl önce okumuş olsaydım, muhtemelen, söylediği şey doğru olsa bile, çok belirsiz ve derinlemesine araştırmak imkansız olduğu için içindeki görüşleri kabul etmeyi reddederdim.
S: Bu makaleyi okumaktaki amacınız nedir?
C: "Her şey kübitlerden gelir" derken neyi ifade etmek istediklerini bilmek istiyorum. Wheeler bir keresinde "her şey bitlerden gelir" demişti, ancak bu makaleyi yazarken muhtemelen "kübit" diye bir kelime yoktur. Ama bu makaleyi okuduğumda, Wheeler'ın aslında bitlerden değil "kübitlerden" bahsettiğini hissediyorum. Bu nedenle, "her şey kübitlerden gelir" aslında sadece şimdiki ifadedir ve kökü Wheeler'ın o zamanki düşüncesi.
Wheelerın fikirlerinin doğru mu yanlış mı olduğunu iddia etmeyeceğim. Yüksek lisans öğrencisi olarak ilk başladığımda, kolej yeni öğrencileri teorik araştırmanın sınırlarına tanıtmak için bir dizi konferans verdi. Konuşmacılardan biri Wheeler'dı. Ona bakan bir göz gibi evreni tahtaya çizdi, ama o sırada neden bahsettiğini anlamadım. Daha sonra anladım, izleyici bir kuantum sisteminin parçası olduğunda kuantum mekaniğini nasıl tartışmamız gerektiğini açıklıyordu. Şimdiye kadar bunun derin anlamını anladığımızı sanmıyorum.
S: Gözlemin kendisi, kuantum sistemini geri döndürülemez bir şekilde değiştirecek ve geçmiş ile gelecek arasındaki farka neden olacaktır. Dolayısıyla izleyici sorunu zaman sorunuyla ilgili olabilir. AdS / CFT ikiliği sayesinde, yeni uzamsal boyutların bir hologram gibi sınırdaki kuantum bilgisinden ortaya çıkabileceğini anlıyoruz. Zamanın da ortaya çıktığını düşünüyor musunuz - zamanı olmayan kuantum mekaniksel bir ifadeden mi kaynaklanıyor?
C: Zamanın, mekanın ve içindeki her şeyin bir anlamda ortaya çıktığını düşünme eğilimindeyim. Wheeler bunu makalesinde zaten tahmin etmişti. Fizik ve matematikte devamlılık kavramının yanlış olduğuna inanıyor. Uzay-zamanı mikroskobik olarak tanımlamak için herhangi bir sürekli kavram - sürekli zaman, sürekli uzay, sürekli gerçek sayılar - kullanmanın sorunlu olduğuna inanıyor. Zaman ve mekân konusunda ona katılıyorum. Gerçek sayılarla ilgili olarak, yargılayamam, bilmek istediğim şey bu. Anlamını anlamaya çalışmak için bir mantıkçı ile tartıştım, ancak yardımcı olmadı.
S: Wheeler'ın bir kahraman olduğunu düşünüyor musunuz?
C: Ona kahraman demeyeceğim. "Her şey bitlerden gelir" ile ne demek istediğini merak ediyorum. Fikirleri ileri görüşlü ve zamanın ilerisindedir. Sanırım artık bu tür yazıları okumak için daha sabırlı olacağım, net olmasa da bana ilham ve ilham verebilir. Bu makalede yaklaşık 100 referans var ve hepsi ilginç görünüyor. Ancak hepsini okumayı bitirmenin birkaç hafta alacağı tahmin ediliyor. Sanırım okumak için bir bölüm seçeceğim.
Resim kaynağı: Quanta Magazine için Jean Sweep
S: Bu tür makaleleri okumak için neden şimdi daha sabırlısınız?
C: Gençken, her zaman yaptığım bir sonraki şeyin hayattaki en önemli şey olabileceğini düşünürdüm. Ama şimdi düşüncem de bazı değişikliklere uğradı. Başkalarının makalelerini okumak için biraz zaman harcamak da iyidir.
S: Wheeler'ın tarzından farklı olarak, hesaplamalar yoluyla güçlü içgörüler elde edersiniz.
C: Ben sadece küçük bir adım atabilirim ve Wheeler'ın fikri bir sıçrama: Makalenin başında, bu fikirleri doğrulamanın 10 yıl mı, 100 yıl mı yoksa 1000 yıl mı süreceğini bilmediğini söyledi.
S: Fiziğin bilgiden nasıl üretildiğini açıklamaya çalıştı.
A: Evet. İfadesi daha da büyük: Varoluşun anlamını açıklamak istiyor.
S: Wheeler'ın bu konuda herhangi bir tahmini var mı?
C: Hayır, daha temel bir fiziksel tanım elde etmek için ne yapmamız ve ne yapmamamız gerektiğini tartışıyor.
S: Varoluşun anlamı hakkında herhangi bir fikriniz var mı?
C: Hayır (gülüyor).
Orijinal bağlantı:
https://www.quantamagazine.org/edward-witten-ponders-the-nature-of-reality-20171128/
Bu makale, WeChat genel hesabı "Araştırma Çevresi" (ID: keyanquan) yetkisiyle çoğaltılmıştır.
Yeniden yazdırmak için lütfen keyanquan@huanqiukexue.com ile iletişime geçin.
Düzenle: küçük ekmek
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
