Evrenin özünde fizik yasaları olmayabilir, yalnızca sicim teorisi gösterisi
Hem A hem de B'nin yemek hazırlamasının istendiğini varsayalım. A Çin yemeklerini sever ve B İtalyan yemeklerini sever. En sevdikleri tarifleri seçerler, yerel özel mağazalardan malzemeler satın alırlar ve talimatları dikkatlice takip ederler. Ancak tabağı fırından çıkardıklarında aynı yemeği pişirdiklerine şaşırdılar. A ve B'nin kesinlikle soruları olacağını hayal edebiliriz, farklı malzemeler aynı yemeği nasıl yapabilir? Çin veya İtalyan yemeklerini pişirmek bile ne anlama geliyor? Yemek hazırlama şekilleri tamamen yanlış mı?
Kuantum fizikçilerinin yaşadığı kafa karışıklığı budur. Aynı fiziksel sistemin tamamen farklı iki tanımının birçok örneğini buldular. Fizikte çeşniler parçacıklar ve kuvvetlerdir; tarifler onları etkileşime sokan matematiksel formüllerdir; pişirme işlemi, denklemleri fiziksel olayların olasılığına dönüştüren nicelleştirilmiş bir prosedürdür. Tıpkı A ve B gibi, kuantum fizikçileri de farklı tariflerin nasıl aynı sonuca götürdüğünü bilmek istiyor.
Temel yasaları formüle ederken herhangi bir seçim var mı? Albert Einstein'ın bir zamanlar meşhur bir fikri vardı: Bazı genel ilkeleri göz önünde bulundurarak, esasen tek tip ve işleyen bir evren inşa etmenin benzersiz bir yolu vardır. Einstein'ın görüşüne göre, fiziğin doğasına yeterince derinden girersek, gerçek dünyayı oluşturmak için madde, radyasyon, kuvvet, zaman ve uzayı birleştirmenin tek bir yolu olduğunu bulacağız, tıpkı bir saatin dişlileri ve yayları gibi. Kadran ve ibrelerin benzersiz kombinasyonu saatin doğru hareket etmesini sağlar.
Parçacık fiziğinin şu anki standart modeli, az sayıda bileşene sahip katı bir şekilde yapılandırılmış bir mekanizmadır. Bununla birlikte, evren benzersiz değil, sonsuz olasılıklardan biri gibi görünüyor. Bu özel parçacık ve kuvvet kombinasyonunun neden doğal yapının temeli olduğunu bilmiyoruz. Neden altı "lezzet" kuark, üç "nesil" nötrino ve bir tür Higgs bozonu var? Ek olarak, standart model, deneylerde ölçülmesi gereken elektronların kütlesi ve yükü gibi 19 doğal sabite sahiptir. Bu serbest parametrelerin değerlerinin daha derin bir anlamı yok gibi görünüyor. Bir yandan parçacık fiziği zarif bir mucizedir; öte yandan varsayımsal bir içeriktir.
Evrenimiz birçok evrenden yalnızca biriyse, diğer evrenlerle nasıl yüzleşiriz? Mevcut görüş, Einstein'ın tek kozmik rüyasının tam tersi olarak görülebilir. Modern fizikçiler çeşitli olasılıkları kabul ettiler ve her şeyi kapsayan mantık ve ara bağlantılarını anlamaya çalıştılar. Altın arayıcılarından coğrafyacılara ve jeologlara kadar, fiziksel manzarayı ayrıntılı olarak tanımladılar ve onu şekillendiren güçleri incelediler.
Fikir değişikliğine yol açan oyun değiştirici sicim teorisiydi. Şu anda, kuantum mekaniğinin ve göreliliğin katı mantık kurallarını gözlemlerken, yerçekimi dahil tüm parçacıkları ve kuvvetleri tanımlayabilen birleşik doğa teorisi için tek uygun adaydır. İyi haber, sicim teorisinin ücretsiz parametresi olmamasıdır. Hangi sicim teorisinin evrenimizi tanımlayabileceğini sormanın bir anlamı yok çünkü sadece bir tane var. Hiçbir ek özellik temel bir sonuca götürmez. Doğadaki tüm sayılar fiziğin kendisi tarafından belirlenmelidir. Bunlar "doğal sabitler" değil, denklemlerle sabitlenmiş değişkenlerdir.
Ama bunun da dezavantajları var: Sicim teorisine verilen cevaplar kapsamlı ve karmaşık. Bu fizikte alışılmadık bir durum değildir. Temel yasaları ayırt etmek için geleneksel olarak matematiksel denklemleri ve bu denklemlerin çözümlerini kullanırız. Genellikle çok az kanun vardır, ancak sayısız çözüm vardır. Örnek olarak Newton yasasını ele alalım. Açık ve güzeller, ancak yerçekiminden ayın yörüngesine kadar geniş bir fenomeni tanımlıyorlar. Belirli bir sistemin başlangıç koşullarını biliyorsanız, bu yasalar denklemleri çözmenize ve daha sonra ne olacağını tahmin etmenize izin verir. Her şeyi tanımlayabilecek tek bir öncelikli çözüm beklemiyor veya talep etmiyoruz.
Sicim teorisinde, belirli parçacıklar ve kuvvetler gibi fiziğin belirli özellikleri aslında çözümlerdir. Gizli ekstra boyutların şekli ve boyutu ile belirlenirler. Tüm bu çözümler için alan genellikle "manzara" olarak adlandırılır. En çarpıcı manzara bile bu geniş alana kıyasla soluk görünüyor. Bu peyzajın coğrafi konumu çok az anlaşılsa da, kıtaların büyük boyutlara sahip olduğunu biliyoruz. En çekici özelliklerden biri, belki her şeyin birbirine bağlı olması ve her iki modelin de kesintisiz bir yolla birbirine bağlanmasıdır. Evreni yeterince titreştirerek, bir olası dünyadan diğerine geçebileceğiz, değişmez doğa yasaları olarak gördüğümüz şeyi ve gerçekliği oluşturan temel parçacıkların özel kombinasyonunu değiştirebileceğiz.
Ancak, yüzlerce boyuta sahip olması muhtemel olan evrenin fiziksel modellerini nasıl keşfedeceğiz? Manzarayı, çoğu kalın ve karmaşık bir karmaşıklık tabakasının altında gizlenmiş, büyük ölçüde keşfedilmemiş bir vahşi doğa olarak hayal etmeye yardımcı olur. Sadece en marjinal yerlerde yaşamaya uygun bir yer bulabiliriz, her şey basit ve güzeldir. Burada tam olarak anladığımız temel modeli buluyoruz. Gerçek dünyayı tanımlamak için çok az değerleri vardır, ancak yerel mahalleleri keşfetmek için uygun bir başlangıç noktası olarak kullanılabilirler.
Kuantum Elektrodinamiği (QED), madde ve ışık arasındaki etkileşimi tanımlayan iyi bir örnektir. Bu model, iki elektron arasındaki kuvvetin gücünü ölçen ince yapı sabiti adı verilen tek bir parametreye sahiptir. Sayı 1 / 137'ye yakın. QED'de, tüm süreçler temel etkileşimler tarafından üretilmiş olarak kabul edilebilir. Örneğin, iki elektron arasındaki itme, fotonların değişimi olarak düşünülebilir. QED, iki elektronun foton alışverişinde bulunabileceği tüm olası yolları düşünmemizi gerektiriyor, bu da aslında fizikçilerin son derece karmaşık problemleri çözmesi gerektiği anlamına geliyor. Ancak bu teori aynı zamanda bir çıkış yolu da sağlar: her ilave foton değişimi, 'nın ek bir miktara yükseltilmesi dahil olmak üzere bir terim ekler. Bu nispeten küçük bir sayı olduğu için, çok sayıda değiş tokuşu olan öğeler yalnızca küçük bir fark yaratacaktır. Göz ardı edilebilir ve yaklaşık gerçek değerler olabilir.
Bu zayıf eşleşme teorilerini manzaranın kenarında bulduk. Teoride kuvvetin gücü çok küçüktür, bu da temel parçacıkları tartışmayı ve etkileşimlerini hesaplamayı anlamlı kılar. Bununla birlikte, yakın çevreden ayrılırsak ve daha derine inmek için vahşi doğaya girersek, bağlantı çok büyük olacak ve her ek öğe daha önemli hale gelecektir. Artık tek tek parçacıkları ayırt edemiyoruz. Bunun yerine, sıcak bir fırındaki bir pastanın malzemeleri gibi, birbirine dolanmış bir enerji ağı içinde çözülürler.
Ancak her şey gitmiş değil. Bazen karanlık vahşi doğanın içinden geçen yol başka bir kenara ulaşır. Başka bir deyişle, tamamen farklı parçacıklardan ve kuvvetlerden oluşan iyi kontrol edilen başka bir model var. Bu durumda, aynı temel fizik için iki farklı tarif vardır, tıpkı A ve B'nin tabakları gibi. Bu tamamlayıcı açıklamalar ikili modeller olarak adlandırılır ve aralarındaki ilişki dualitedir. Bu ikiliği, Heisenberg tarafından keşfedilen ünlü dalga-parçacık ikiliğinin bir genellemesi olarak görebiliriz.
Standart Model
Bu fizik için neden bu kadar heyecan verici? İlk olarak, birçok model birbirine bağlı devasa bir uzayın parçasıdır Bu sonuç, modern kuantum fiziğinin en şaşırtıcı sonuçlarından biridir. Bu, "paradigma kayması" olarak ifade edilebilecek bir fikir değişikliğidir. Bize, adaları tek tek keşfetmek yerine devasa bir kıta keşfettiğimizi söylüyor. Bir anlamda tek bir modeli derinlemesine inceleyerek tüm modelleri anlayabiliriz. Bu modellerin nasıl ilişkili olduğunu keşfedebilir ve ortak yapılarını netleştirebiliriz. Önemli olan, bu fenomenin, sicim teorisinin gerçek dünyayı tanımlayıp tanımlamadığından büyük ölçüde bağımsız olmasıdır. Kuantum fiziğinin bıraktığı içsel bir özelliktir ve her şeyin gelecekteki teorisi ne olursa olsun var olur.
Daha çarpıcı bir sonuç, temel fiziğin tüm geleneksel tanımlarının atılması gerektiğidir. Parçacıklar, alanlar, kuvvetler ve simetri, bu son derece karmaşık peyzajın kenarında basit bir varoluşun ürünleridir. Fiziği temel yapı taşları veya en azından sınırlı olarak düşünmek yanlış görünüyor. Belki de doğanın temel yasalarını birleştiren ve tüm tanıdık kavramları görmezden gelen temel bir yeni çerçeve vardır. Sicim teorisinin matematiksel karmaşıklığı ve tutarlılığı, bu ilgi çekici görüş için güçlü bir motivasyondur. Ancak kuantum fiziğinin ustası Niels Bohr'dan alıntı yapacak olursak, parçacıkların ve alanların değiştirilmesiyle ilgili çok az fikir doğrudur. Ancak fizik, eski tarifleri terk etmeye ve modern füzyon yemeklerini benimsemeye hazır.
