I en Quanta-tidsskriftsartikel bruger den hollandske fysiker og matematiker Robbert Dijkgraaf den rumlige metafor om "landskab" til at forklare den revolutionerende betydning af strengteori for at forstå universet.
Kvantefysikens vigtigste dilemma
Forestil dig, at Alice og Bob bliver bedt om at lave middag. Alice elsker kinesisk mad, Bob elsker italiensk. Hver af dem vælger deres yndlingsopskrift, køber i en lokal butik og følger instruktionerne tydeligt. Men når de tager maden ud af ovnen, er begge meget overraskede. Begge retter viser sig at være nøjagtig de samme. Man kan kun forestille sig de eksistentielle spørgsmål, som Alice og Bob stiller. Hvordan kan forskellige ingredienser lave de samme retter? Hvad betyder det endda at tilberede kinesisk eller italiensk mad? Eller nærmet de sig madlavningsprocessen så forkert?
Dette er en illustration af det centrale dilemma hos kvantefysikere. De fandt mange eksempler på, hvordan to helt forskellige koncepter kan beskrive det samme fysiske system. I tilfælde af fysik, i stedet for kød og saucer, fungerer partikler og kræfter som ingredienser, opskrifter er interaktionsformler, og tilberedningsprocessen er en diskretiseringsprocedure, der sætter sandsynligheden for fysiske fænomener i overensstemmelse med formler. Ligesom Alice og Bob er forskere forbløffet over, hvordan forskellige opskrifter fører til de samme resultater.
Har naturen evnen til at vælge dens grundlæggende love? Albert Einstein troede så vidt vi ved i en forstand, at der kun var en måde, baseret på nogle få grundlæggende principper, til at opbygge et elegant, fungerende univers. Fra hans synspunkt, hvis vi undersøger essensen af fysik på et tilstrækkeligt dybt niveau, vil vi komme til den konklusion, at der kun er en og eneste mulig måde at interagere mellem alle tandhjulene til det universelle urværk - stof, stråling, kræfter, rum og tid.
Stringteori som en "teori om alting"
Salgsfremmende video:
Den nuværende standardmodel for partikelfysik er en inert mekanisme, der består af et magert sæt ingredienser. Men på trods af den tilsyneladende unikhed er vores univers kun en af de utallige mulige verdener. Vi har ikke den mindste idé, hvorfor denne særlige konfiguration af partikler og de kræfter, der virker på dem, er grundlaget for vores verdensorden.
Hvorfor er der seks "smagsstoffer" af kvarker, tre "generationer" af neutrinoer og en Higgs-partikel? Derudover er 19 grundlæggende fysiske konstanter (såsom massen og ladningen af et elektron) inkluderet i standardmodellen. Værdierne af disse "frie parametre" synes det som om de ikke har nogen dyb betydning. På den ene side er partikelfysik et eksempel på elegance. På den anden side er det bare en smuk teori.
Hvis vores verden kun er en af mange, hvad skal vi så gøre med alternative verdener? Det aktuelle synspunkt er den absolutte modsætning af Einsteins idé om et unikt univers. Moderne fysikere dækker et stort antal sandsynligheder og forsøger at forstå logikken i dens sammenkoblinger. Fra guldprospektører har de udviklet sig til geografer og geologer, kortlagt landskabet og studeret detaljeret de kræfter, der formede det.
En milepæl i denne proces var fødslen af strengteori. I øjeblikket er hun den eneste kandidat til titlen "teori om alting". Den gode nyhed er, at der ikke er nogen gratis parametre i strengteori. Der er ingen tvivl om, hvilken strengteori beskriver vores univers, fordi det er unikt. Fraværet af yderligere funktioner fører til radikale konsekvenser. Alle numre i naturen skal bestemmes af fysikken selv. Dette er ikke "konstanter af naturen", men blot variabler, der er opnået fra ligninger (nogle gange, dog utroligt komplekse).
Dårlige nyheder, herrer. Løsningsrummet for strengteori er stort og komplekst. Dette er normalt for fysik. Traditionelt skelnes grundlæggende love baseret på matematiske ligninger og på løsninger af disse ligninger. Normalt er der flere love og et uendeligt antal løsninger. Lad os tage Newtons love. De er sprøde og elegante, men de beskriver en utrolig bred vifte af fænomener, fra et faldende æble til en månebane. Når man kender systemets oprindelige tilstand, kan disse love bruges til at beskrive dets tilstand i det næste øjeblik. Vi forventer eller kræver ikke en universel løsning, der vil beskrive alt.
Økumenisk landskab
I strengteori er nogle af de elementer, der ofte ses som love, faktisk løsninger. De bestemmes af formen og størrelsen på de skjulte ekstra dimensioner. Rummet til alle disse løsninger kaldes ofte "landskabet", men det siges for let. Selv de mest imponerende bjerglandskaber bleger sig mod det store rum. Og selv om dens geografi endnu ikke er studeret fuldt ud, er det sikkert at sige, at dens kontinent er enorme.
En af de mere sofistikerede antagelser i teorien er, at alt muligvis er sammenkoblet. Hvis vi ryster universet godt, kunne vi flytte fra en hypotetisk verden til en anden, ændre det, vi er vant til at overveje de uforanderlige naturlove, og få en ny kombination af elementære partikler, der udgør vores virkelighed.
Men hvordan udforsker vi det enorme landskab af universelle fysiske modeller, der let kunne have hundreder af dimensioner? Tænk på det som en stort set uudviklet vildmark, meget af den skjult under tykke lag med uimodståelig kompleksitet. Levelige steder findes kun lige ved grænserne. Her er livet enkelt og gratis. Her er de grundlæggende modeller, som vi perfekt forstår. De er ikke særlig vigtige i beskrivelsen af den virkelige verden, men tjener som et praktisk udgangspunkt for at udforske den umiddelbare nærhed.
Et godt eksempel er kvanteelektrodynamik (QED), en teori, der beskriver samspillet mellem stof og lys. Denne model har en parameter, kaldet "fin strukturskonstant", som udtrykker styrken i samspillet mellem to elektroner. Numerisk er det tæt på 1/137. I QED kan alle processer betragtes som stammer fra elementære interaktioner. For eksempel kan afvisningen af to elektroner betragtes som en udveksling af fotoner. Kvanteelektrodynamik foreslår at overveje alle mulige måder, hvorpå to elektroner kan udveksle fotoner.
I praksis betyder dette, at fysikere står over for behovet for at beregne uendelige summer af stor kompleksitet. Men teorien tilbyder også en udvej: hver ekstra udveksling af fotoner tilføjer en betingelse, hvor den fine strukturkonstant hæves til den næste magt. Da antallet af disse udvekslinger er relativt lille, har de yderligere betingelser ikke meget indflydelse. De kan forsømmes ved at bringe dem tættere på den "reelle" værdi. Vi finder disse løst koblede teorier ved udposterne i landskabet. Her er kræfterne svage, og det giver mening at tale om listen over ingredienser - elementære partikler - og opskriften på deres interaktion. Men hvis vi forlader vores beboelige steder og dykker ned i ubeskyttet ødemark, vil hver ekstra betingelse blive mere og mere vigtig. Nu skelner vi ikke længere mellem individuelle partikler. De opløsesforvandles til et sammenfiltret energibane som ingredienserne i en tærte i ovnen.
Dog er ikke alt tabt. Nogle gange ses en anden forpost i slutningen af stien. Med andre ord en anden godt kontrolleret model, denne gang bestående af et helt andet sæt af partikler og kræfter. I sådanne tilfælde er der to alternative opskrifter på den samme underliggende fysik som med Alice og Bob's middage. Disse konjugerede beskrivelser kaldes dobbeltmodeller, og forbindelsen mellem dem kaldes dualitet. Disse modsætninger kan ses som en stor generalisering af den berømte bølge-partikeldualisme opdaget af Heisenberg. I tilfældet med Alice og Bob har det formen af en konvertering mellem kinesiske og italienske opskrifter.
Alt hænger sammen
Hvorfor er det hele så spændende fra et fysisk synspunkt? For det første er antagelsen om, at mange (hvis ikke alle) modeller er en del af et stort sammenhængende rum, en af de mest overraskende fund i moderne kvantefysik. Dette er en ændring i perspektiv, der er værd at blive kaldt et "paradigmeskifte." I stedet for en øhav med spredte øer, udforsker vi et enormt kontinent.
På en måde kan vi ved at studere en model dybt nok, kunne forstå dem alle. Vi kan udforske forholdet mellem disse modeller ved at fokusere på den generelle kontur af deres struktur. Det er vigtigt at bemærke, at dette fænomen er meget afhængig af, om strengteori er i overensstemmelse med den virkelige verden. Denne egenskab er iboende i kvantefysik, som er uforanderlig uanset hvad "teorien om alting" viser sig at være.
Mere dramatisk er konklusionen om, at alle traditionelle teorier om grundlæggende fysik skal gå til skraldespanden i historien. Partikler, felter, kræfter, symmetrier - alt dette er intet andet end artefakter af et frit liv ved udposterne i et uendeligt landskab med utænkelig kompleksitet. Det virker utroligt, eller i det mindste ekstremt begrænset, at se fysik med hensyn til de elementære byggesten.
Der er måske en grundlæggende ny struktur, der forener de grundlæggende naturlover og ignorerer alle de begreber, vi er vant til. Strengteoriens matematiske subtiliteter og elegance er en fristende motivation til at acceptere dette synspunkt. Men lad os være ærlige. Meget få moderne ideer om, hvad der vil finde sted for partikler og marker, er "gale nok til at være sandt", som Niels Bohr udtrykte det.
