Низовият пейзаж може да е увлекателна идея, която е пълна с теоретичен потенциал, но не предрича нищо, което можем да наблюдаваме във нашата Вселена. Тази идея за красота, мотивирана от решаването на „неестествени“ проблеми, сама по себе си не е достатъчна, за да се издигне до нивото, изисквано от науката. (Университета в Кеймбридж)

Теоретичната физика губи ли най-добрите ни живи умове с глупости?

Няма такова нещо като теория, която е прекалено красива, за да греши, ако не е съгласна с експеримента.

Историята на физиката е изпълнена с страхотни идеи, за които сте чували, като Стандартния модел, Големият взрив, Общата относителност и т.н. Но също така е изпълнен с блестящи идеи, за които вероятно не сте чували, като модела Саката, теорията на Technicolor, модела на стабилно състояние и плазмена космология. Днес имаме теории, които са изключително модерни, но без доказателства за тях: суперсиметрия, велико обединение, теория на струните и мултивселената.

Поради начина на структуриране на полето, затънал в съвкупност от идеи, кариерите в теоретичната физика на високо енергията, които се фокусират върху тези теми, често са успешни. От друга страна, избирането на други теми означава да се справите сами. Идеята за "красота" или "естественост" е водещ принцип във физиката отдавна и ни доведе до този момент. В новата си книга „Изгубена в математиката“ Сабин Хосенфелдер убедително твърди, че продължаването на този принцип е точно това, което ни заблуждава.

Новата книга, Lost In Math, се справя с някои невероятно големи идеи, включително идеята, че теоретичната физика е затънала в групово мислене и невъзможността да се противопоставят на идеите си със суровата светлина на реалността, която предоставя (засега) никакви доказателства, които да ги подкрепят. , (Сабин Хосенфелдер / Основни книги)

Представете си, че ви е поставен хипотетичен проблем да вземете два милиардера от списъка и да оцените разликата в нетната им стойност. Представете си, че те са анонимни и няма да знаете кой от тях струва повече, къде се класира в списъка на милиардерите на Forbes или колко всъщност струва нито един.

Можем да наречем първия A, втория B и разликата между тях C, където A - B = C. Дори и без никакви други знания за тях, има едно важно нещо, което можете да заявите за C: много е малко вероятно ще бъде много, много по-малък от A или B. С други думи, ако A и B са и двете в милиардите долари, тогава вероятно C ще бъде и в милиардите, или поне в стотиците милиони.

Когато имате общо две големи числа и вземете разликата им, разликата ще бъде от същия порядък като оригиналните числа. (E. Siegel / данни от Forbes)

Например A може да бъде Pat Stryker (# 703 в списъка), струва, да речем, 3,592,327,960 долара. А B може да е Дейвид Гефен (# 190), на стойност 8 467 103 235 долара. Разликата между тях или A - B е тогава - 4 874 775 275 долара. C има изстрел 50/50 като положителен или отрицателен, но в повечето случаи ще бъде от същия порядък (в рамките на коефициент 10 или повече) и на Aand B.

Но не винаги ще бъде. Например, повечето от над 2200 милиардери в света струват по-малко от 2 милиарда долара, а има стотици на стойност между 1 и 1,2 милиарда долара. Ако случайно изберете две от тях на случаен принцип, няма да ви изненада ужасно, ако разликата в нетната им стойност беше само няколко десетки милиона долара.

Предприемачите Тайлър Уинклевос и Камерън Уинклевос обсъждат биткойн с Мария Бартиромо в студия FOX на 11 декември 2017 г. Първите „биткойн милиардери“ в света, нетните им стойности са практически идентични, но има основна причина за това. (Астрид Ставиарц / Гети Имиджис)

Това обаче може да ви изненада, ако разликата между тях е само няколко хиляди долара или е нула. „Колко малко вероятно“, бихте си помислили. Но в крайна сметка може да не е толкова малко вероятно.

В края на краищата не знаете кои милиардери бяха в списъка ви. Бихте ли шокирани да научите близнаците Winklevoss - Камерън и Тайлър, първите милиардери на биткойн, имаха идентични нетни стойности? Или братята Collison, Патрик и Джон (съоснователи на Stripe), струваха същата сума в рамките на няколкостотин долара?

Не. Това не би било изненадващо и разкрива истина за големи числа: като цяло ако A е голям и B е голям, тогава A - B също ще бъде голям ..., но няма да има, ако има някаква причина, че A и Б са много близо един до друг. Разпределението на милиардери не е напълно случайно, както виждате, и затова може да има някаква основна причина тези две на пръв поглед неща, които всъщност да са свързани. (В случая с колизите или Winklevosses, буквално!)

Масите на кварките и лептоните на стандартния модел. Най-тежката стандартна частица на модела е горната кварка; най-лекият неутрино е електронът. Самите неутрино са поне 4 милиона пъти по-леки от електроните: по-голяма разлика, отколкото съществува между всички останали частици. Докрай в другия край на скалата, скалата на Планк завива в предчувствие 10¹⁹ GeV.Hitoshi Murayama от http://hitoshi.berkeley.edu/)

Същото свойство е вярно и във физиката. Електронът, най-леката частица, която съставя атомите, които намираме на Земята, е повече от 300 000 пъти по-малко масивен от горния кварк, най-тежката частица от Стандартния модел. Неутрино са поне четири милиона пъти по-леки от електроните, докато масата на Планк - така наречената „естествена“ енергийна скала за Вселената - е около 10¹⁷ (или 100 000 000 000 000 000) пъти по-тежка от горния кварк.

Ако не сте знаели каквато и да е основна причина, поради която тези маси трябва да са толкова различни, бихте предположили, че има някаква причина за това. И може би има такава. Този тип мислене е известен като аргумент за фина настройка или „естественост“. В най-простата си форма той заявява, че би трябвало да има някакво физическо обяснение защо компонентите на Вселената с много различни свойства трябва да имат тези разлики помежду си.

Когато се възстановят симетриите (в горната част на потенциала), настъпва обединение. Разрушаването на симетриите в дъното на хълма обаче съответства на Вселената, която имаме днес, в комплект с нови видове масивни частици. Поне за някои приложения. (Луис Алварес-Гаме и Джон Елис, Nature Physics 7, 2–3 (2011))

През 20-ти век физиците са използвали аргументите за естественост с голям ефект. Един от начините да се обяснят големите разлики в мащаба е да се наложи симетрия при високи енергии и след това да се изучат последствията от разрушаването му при по-ниска енергия. Редица страхотни идеи излязоха от това разсъждение, особено в областта на физиката на частиците. Калибровъчните бозони в силата на електроослабване произтичат от тази мисловна линия, както и механизмът на Хигс и, както бе потвърдено само преди няколко години, бозонът на Хигс. Целият стандартен модел е изграден на базата на тези видове аргументи за симетрия и естественост и природата се съгласи с нашите най-добри теории.

Частиците и античастиците на Стандартния модел вече са директно открити, като последното задържане - Хигс Босон, падна в LHC в началото на това десетилетие. (Е. Сийгъл / Отвъд галактиката)

Друг голям успех беше космическата инфлация. Вселената трябваше да бъде добре настроена до голяма степен в ранните етапи, за да произведе Вселената, която виждаме днес. Балансът между скоростта на разширяване, пространствената кривина и количеството материя и енергия в нея трябва да е необикновен; изглежда, че е неестествено. Космическата инфлация беше предложен механизъм за нейното обяснение и оттогава бяха потвърдени много от нейните прогнози, като например:

  • почти мащабно-инвариантен спектър от колебания,
  • съществуването на свръххоризонтни наднормености и недостатъци,
  • с несъвършенства на плътността, които имат адиабатен характер,
  • и горна граница на температурата, достигната в ранната, след Големия взрив Вселена.
Квантовите колебания, възникващи по време на инфлация, се разтягат във Вселената и когато инфлацията приключи, те се превръщат в колебания на плътността. Това води с течение на времето до мащабната структура във Вселената днес, както и до колебанията в температурата, наблюдавани в CMB. (E. Siegel, с изображения, получени от ESA / Planck и междуведомствената работна група DoE / NASA / NSF за изследвания на CMB)

Но въпреки успеха на тези аргументи за естественост, те не винаги дават плод.

Има неестествено малко количество нарушения на СР при силните разрушения. Предлаганото решение (нова симетрия, известна като симетрия на Peccei-Quinn) не е потвърдена от нула от новите си прогнози. Разликата в мащабния мащаб между най-тежката частица и скалата на Планк (проблемът с йерархията) беше мотивацията за суперисиметрия; отново, тя е нула от прогнозите си потвърдени. Неестествеността на Стандартния модел доведе до нови симетрии под формата на Голямото обединение и по-скоро Теория на струните, които (отново) не бяха потвърдени нито едно от техните прогнози. И неестествено ниската, но не-нулева стойност на космологичната константа доведе до прогнозите за специфичен тип мултиленс, който дори не може да бъде тестван. Това също, разбира се, е непотвърдено.

Частиците от стандартния модел и техните суперсиметрични колеги. Малко под 50% от тези частици са открити, а малко над 50% никога не са показали следа, че те съществуват. След Runs I и II в LHC голяма част от интересното пространство за параметри за SUSY няма, включително най-простите версии, които отговарят на критериите „WIMP Miracle“. (Клер Дейвид / CERN)

Но за разлика от миналото, тези тупици продължават да представляват полетата, в които водещите теоретици и експерименталисти се групират да изследват. Тези слепи алеи, които не са дали плод за буквално две поколения физици, продължават да привличат финансиране и внимание, въпреки че е възможно да бъдат напълно изключени от реалността. В новата си книга „Изгубени в математиката“ Сабин Хосенфелдер сблъсква сблъсъка с тази криза, интервюирайки основни учени, Нобелови лауреати и други контрарианци. Можете да почувствате нейното безсилие, а също и отчаянието на много от хората, с които говори. Книгата отговаря на въпроса „оставихме ли пожелателно да мислим за това какви тайни крие природата?“ С оскърбително „да!“

Асиметрия между бозоните и анти-бозоните, обичайна за големите обединени теории, като SU (5) обединение, може да породи фундаментална асиметрия между материя и антиматерия, подобна на тази, която наблюдаваме във нашата Вселена. Експерименталната стабилност на протона обаче изключва най-простите SU (5) GUTs. (Е. Сийгъл)

Книгата е диво, дълбоко, провокиращо мисълта четиво, което би накарало всеки разумен човек в областта, който все още е способен на интроспекция, да се съмнява в себе си. Никой не обича да се сблъсква с възможността да са пропиляли живота си, преследвайки фантазма на идеята, но за това е теоретик. Виждате няколко парчета от непълен пъзел и познавате каква е пълната картина наистина; повечето пъти грешиш Може би в тези случаи всички наши предположения са сгрешили. В моя любим обмен тя интервюира Стивън Уайнбърг, който използва своя богат опит във физиката, за да обясни защо аргументите за естественост са добри насоки за теоретичните физици. Но той успява само да ни убеди, че те са били добри идеи за класовете проблеми, които преди са успели да решат. Няма гаранция, че ще бъдат добри ориентири за текущите проблеми; всъщност те демонстративно не са били.

Двукратна проекция на колектор Калаби-Яу, един популярен метод за уплътняване на допълнителните, нежелани измерения на теорията на струните. Хипотезата на Малдацена казва, че анти-де Ситер пространството е математически двойно спрямо конформните теории на полето в едно по-малко измерение. Това може да не е от значение за физиката на нашата Вселена. (Обяд за потребители на Wikimedia Commons)

Ако сте физик на теоретичните частици, теоретик на струните или феноменолог - особено ако страдате от когнитивен дисонанс - тази книга няма да ви хареса. Ако сте истински вярващ в естествеността като водеща светлина на теоретичната физика, тази книга ще ви дразни изключително много. Но ако сте някой, който не се страхува да зададе този голям въпрос „правим ли всичко грешно“, отговорът може да е голям, неудобно „да“. Тези от нас, които са интелектуално честни физици, живеем с този дискомфорт вече много десетилетия. В книгата на Sabine, Lost In Math, този дискомфорт вече е достъпен за останалите от нас.

* - Пълно разкриване: Итън Сийгъл получи безплатно копие от рецензия на Lost In Math.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.