Benimle dalga mı geçiyorsun? Fiziğin yasaları yok, sadece manzaralar mı?
Alice ve Bob'dan bir yemek hazırlamalarının istendiğini varsayalım. Alice Çin'i sever, Bob İtalya'yı sever. Her biri en sevdiği tarifleri seçer, yerel spesiyalite mağazasında alışveriş yapar ve talimatları dikkatlice takip eder. Ancak tabağı fırından çıkardıklarında şaşıracaklardı, çünkü iki öğün aynı çıktı. Alice ve Bob'un kendilerine sorması gereken varoluşsal soruları hayal edebiliyoruz. Farklı malzemeler aynı yemeği nasıl üretebilir? Çin yemeği veya İtalyan yemeği pişirmek ne anlama geliyor? Yemek hazırlama biçimleri tamamen kusurlu mu?
Fotoğraf: James OBrien / Quanta Magazine
Brocade Park-Bilim Popülerleştirme: Fiziğin yasaları yok, sadece manzara mı? ("Bu yasa diğer yasa değil, bu manzara diğer manzara değil") Bu, aynı fiziksel sistemin tamamen farklı iki tanımının birçok örneğini bulan kuantum fizikçilerinin yaşadığı kafa karışıklığıdır. Fizikte et ve sos yerine bileşenler parçacıklar ve kuvvetlerdir; tarifler etkileşimleri kodlayan matematiksel formüllerdir; pişirme süreci denklemleri fiziksel olayların olasılığına dönüştüren nicel bir süreçtir. Tıpkı Alice ve Bob gibi, kuantum fizikçileri de düşünüyor, farklı tarifler nasıl aynı sonuca yol açar?
Doğa temel yasalarını seçer mi? Albert Einstein bir zamanlar, bazı genel ilkeler göz önüne alındığında, tek tip işleyen bir evren inşa etmenin esasen benzersiz bir yolu olduğuna inanıyordu. Einstein'ın görüşüne göre, fiziğin doğasını yeterince derinlemesine keşfedersek, tüm bileşenleri (madde, radyasyon, kuvvet, uzay ve zaman) gerçeğe dönüştürmek için birleştirmenin tek ve tek bir yolu olacaktır. Çalışma, zamanı hesaplamak için mekanik bir saatin dişlilerinin, yaylarının, kadranlarının ve çarklarının benzersiz kombinasyonu gibidir.
Parçacık fiziğinin şu anki standart modeli, aslında sadece birkaç bileşenden oluşan iyi yapılandırılmış bir mekanizmadır. Bununla birlikte, evren benzersiz görünmüyor, sonsuz olasılıkla bir çoklu evren. Bu özel parçacık ve kuvvet kombinasyonunun doğanın yapısını oluşturduğunu bilmiyoruz. Neden altı tür kuark, üç nesil nötrino ve Higgs parçacığı vb. Vardır? Ek olarak, standart model, deneylerde ölçülmesi gereken 19 doğal sabite (elektronların kütlesi ve yükü gibi) sahiptir. Bu "serbest parametrelerin" değerlerinin daha derin bir anlamı yok gibi görünüyor. Bir yandan parçacık fiziği harika bir zarafet, öte yandan doğru bir hikaye.
Evrenimiz birçok evrenden yalnızca biriyse, bu alternatiflerle nasıl başa çıkılır? Mevcut görüş, Einstein'ın benzersiz bir evren hayalinin tam tersi olarak görülebilir. Modern fizikçiler geniş olasılıklar alanını kucaklıyor ve genel mantığını ve ara bağlantılarını anlamaya çalışıyor. "Altın madencilerinden coğrafyacılara ve jeologlara gittiler, ayrıntılı topografik haritalar çizdiler ve araziyi oluşturan çeşitli kuvvetleri incelediler."
Perspektifte bu değişikliğe yol açan oyun değiştirici, sicim teorisidir. Şu anda tek geçerli adaydır çünkü doğal bir teori, kuantum mekaniğinin ve göreliliğin katı mantıksal kurallarını gözlemlerken, yerçekimi dahil tüm parçacıkları ve kuvvetleri tanımlayabilir. İyi haber, sicim teorisinin doğal sabitlere sahip olmamasıdır. Döner kadranı yoktur. Hangi sicim teorisinin evrenimizi tanımladığını sormak mantıklı değil çünkü sadece bir tane var. Hiçbir ek özellik temel sonuçlara yol açamaz. Doğadaki tüm sayılar fiziğin kendisi tarafından belirlenmelidir. Bunlar "doğal sabitler" değil, denklemlerle sabitlenmiş değişkenlerdir (belki de işlenmesi zor olan karmaşık değişkenler).
Bu kötü haberler getiriyor. Sicim teorisinin çözümü geniş ve karmaşıktır. Bu fizikte alışılmadık bir durum değildir. Geleneksel olarak, matematiksel denklemlerle verilen temel yasalar ile bu denklemlerin çözümleri arasında bir ayrım yapılır. Genellikle sadece birkaç yasa vardır, ancak sonsuz çözümler vardır. Örnek olarak Newton yasasını alın. Keskin ve zarifler, ancak elmanın düşüşünden ayın yörüngesine kadar çeşitli olayları tanımlıyorlar. Belirli bir sistemin başlangıç koşulları biliniyorsa, bu yasaların gücü denklemleri çözebilir ve daha sonra ne olacağını tahmin edebilir. Her şeyi açıklamak için bir priori benzersiz çözüm beklemiyoruz ve buna ihtiyacımız yok.
Sicim teorisinde, genellikle doğa kanunlarının belirli fiziksel özelliklerinin (belirli parçacıklar ve kuvvetler gibi) aslında çözüm olduğunu düşünürüz. Gizli ekstra boyutların şekli ve boyutu ile belirlenirler. Tüm bu çözümlerin bulunduğu alan genellikle "manzara" olarak adlandırılır, ancak bu bir eksikliktir. En muhteşem dağ manzarası bile bu geniş alan tarafından gölgeleniyor. Coğrafyası hakkında çok az şey bilmemize rağmen, kocaman bir kıtaya sahip olduğunu biliyoruz. En çekici özelliklerden biri, her şeyin birbirine bağlanabilmesi, yani her iki modelin tam bir yolla birbirine bağlanmasıdır. Yeterince büyük bir titreşim yoluyla, değiştirilemez doğa kanunları ve gerçekliği oluşturan temel parçacıkların özel bileşimi olarak düşündüğümüz şeyi değiştirerek, olası bir dünyadan başka bir olası dünyaya geçilebilir.
Ancak, yüzlerce boyuta sahip olabilen, evrenin fiziksel modellerinin engin manzarasını nasıl keşfedeceğiz? Manzarayı, çoğu kalın karmaşıklık ve karmaşıklık katmanlarında gizlenmiş, büyük ölçüde keşfedilmemiş bir vahşi doğa olarak düşünmek yararlıdır. Sadece sınırda yaşamak için uygun bir yer bulabilirsin. Bu karakollarda hayat basit ve güzel. Burada tamamen anladığımız temel modeli bulduk. Gerçek dünyayı tanımlamada çok az değeri vardır, ancak yerel bölgeyi keşfetmek için uygun bir başlangıç noktasıdırlar.
İyi bir örnek, madde ve ışık arasındaki etkileşimi tanımlayan Kuantum Elektrodinamik Teorisidir (QED). Bu model, iki elektron arasındaki kuvvetin kuvvetini ölçen ince yapı sabiti adı verilen tek bir parametreye sahiptir. Rakamlarla yakındır. Kuantum elektrodinamiği (QED) teorisinde, tüm süreçlerin temel etkileşimler tarafından üretildiği kabul edilebilir. Örneğin, iki elektron arasındaki itme kuvveti, foton alışverişi olarak görselleştirilebilir. QED, iki elektronun foton alışverişinde bulunabileceği tüm olası yolları düşünmemizi gerektirir, bu da aslında fizikçilerin sonsuz karmaşıklığın toplamını çözmesi gerektiği anlamına gelir. Ancak bu teori aynı zamanda bir çıkış yolu da sağlar: Her ilave foton değişimi, ek bir "güce" yükseltilen içeren bir terim ekler. Bu nispeten küçük bir sayı olduğu için, birçok "değişim terimine" yalnızca küçük bir katkıda bulunmuştur ve "gerçek" değere yakın olduklarında bunlar göz ardı edilebilir.
Bu zayıf eşleşme teorilerini arazinin ileri karakolunda bulduk. Burada kuvvetin gücü küçüktür ve temel parçacıkların listesi hakkında konuşmak ve etkileşimlerini hesaplamak mantıklıdır. Ancak çevredeki ortamı terk ederseniz ve vahşi doğanın derinliklerine inerseniz, bağlantı harika hale gelecek ve her genişlemedeki ek koşullar daha önemli hale gelecektir. Artık tek tek parçacıkları ayırt edemiyoruz. Bunun yerine, sıcak bir fırında bir kekin içinde eritilen malzemeler gibi, dolanmış bir enerji ağı içinde çözülürler.
Ancak her şey kaybolmaz. Bazen karanlık vahşi doğanın içinden geçen yol başka bir karakolda biter. Yani farklı kontrol modellerinde bu sefer tamamen farklı parçacık ve kuvvetlerden oluşur. Bu gibi durumlarda, Alice ve Bob'un yemekleri gibi aynı fiziksel temel için kullanılabilecek iki farklı yöntem vardır. Bu tamamlayıcı açıklamalar, ikili modeller olarak adlandırılır ve aralarındaki ilişki ikilidir. Bu ikilemler, Heisenberg'in iyi bilinen parçacık dalgası ikiliği keşfinin bir genellemesi olarak kabul edilebilir. Alice ve Bob için, formatı Çin ve İtalyan tarifleri arasında çeviri yapmaktır.
Tüm bunlar fizik için neden bu kadar heyecan verici? İlk sonuç, birçok modelin (hepsi değilse de), modern kuantum fiziğinin en şaşırtıcı sonuçlarından biri olan, birbirine bağlı devasa bir uzayın parçası olduğudur. Bu perspektifte bir değişimdir ve "paradigma değişimi" terimiyle açıklamaya değer. Bize bir takımadaları keşfetmek yerine devasa bir kıta keşfettiğini söylüyor. Bir anlamda, tek bir model derinlemesine çalışıldığı sürece hepsi çalışılabilir. Bu modellerin nasıl bağlantılı olduğunu keşfedebilir ve ortak yapılarını açıklayabilirsiniz. Bu fenomenin, sicim teorisinin gerçek dünyayı tanımlayıp tanımlamamasından büyük ölçüde bağımsız olduğunu vurgulamak önemlidir. Bu, kuantum fiziğinin doğasında bulunan bir özelliktir Gelecekteki "her şeyin teorisi" ne olursa olsun, var olmaya devam edecektir.
Daha çarpıcı bir sonuç, tüm geleneksel temel fiziksel tanımlamaların atılması gerektiğidir. Parçacıklar, alanlar, kuvvetler ve simetri, bu karmaşık ve devasa arazide ileri karakolların basit varlığının ürünleridir. Fiziği temel yapı taşlarında veya en azından sınırlı olarak düşünmek yanlış görünüyor. Belki de doğanın temel yasalarını birleştiren ve tüm tanıdık kavramları görmezden gelen temel yeni bir çerçeve vardır. Sicim teorisinin matematiksel karmaşıklığı ve tutarlılığı, bu dramatik görüş için güçlü motivasyona hakimdir. Ancak Niels Boll'un sözleriyle dürüst olmak zorundayız: "Çılgınca gerçek" olan parçacıkların ve alanların yerini neyin aldığına dair çok az fikir var. Tıpkı Alice ve Bob gibi, Fizik de eski tarifleri terk etmeye ve modern bir füzyon mutfağını kabul etmeye hazır.
