Yaylı peyzaj teorik potansiyeli olan büyüleyici bir fikir olabilir, ancak Evrenimizde gözlemleyebileceğimiz hiçbir şeyi tahmin etmiyor. “Doğal olmayan” problemleri çözerek motive edilen bu güzellik fikri, bilimin gerektirdiği seviyeye çıkması için tek başına yeterli değildir. (Cambridge Üniversitesi)

Teorik Fizik, En İyi Yaşayan Zihinlerimizi Saçma İle Kaybediyor mu?

Deneme ile aynı fikirde değilse, yanlış olamayacak kadar güzel bir teori diye bir şey yoktur.

Fizik tarihi, Standart Model, Büyük Patlama, Genel Görelilik, vb. Gibi duymuş olduğunuz harika fikirlerle doludur. Ancak, Sakata Modeli, Tek Renkli Teori, Sürekli Devlet Modeli gibi, muhtemelen duymadığınız parlak fikirlerle de doludur. ve Plazma Kozmolojisi. Bugün, oldukça moda olan teorilerimiz var ama onlar için bir kanıt yok: süpersimetri, büyük birleşme, sicim teorisi ve multiverse.

Alanın yapılandırılmasından, bir düşünce düşkünlüğünden geçilmesinden dolayı, bu konulara odaklanan teorik yüksek enerjili fizikteki kariyerler genellikle başarılıdır. Öte yandan, başka konuların seçilmesi, başa çıkmak anlamına gelir. “Güzellik” veya “doğallık” fikri uzun zamandır fizikte yol gösterici bir ilke olmuştur ve bizi bu noktaya getirmiştir. Sabine Hossenfelder, “Kayıp Matematik” adlı yeni kitabında, ikna edici bir şekilde, bu ilkeye uymaya devam etmenin, bizi yoldan çıkaran şeyin tam olarak ne olduğunu iddia ediyor.

Yeni kitap, Kayıp Matematik, teorik fiziğin grup düşüncesiyle işlendiği görüşü ve fikirlerini gerçekliğin sert ışığıyla yüzleşememesi, (şimdiye kadar) onları destekleyecek kanıtlar sağlamaması gibi inanılmaz büyük fikirler ele alıyor. . (Sabine Hossenfelder / Temel Kitaplar)

Bir listeden iki milyarder seçme ve onların net değerindeki farkı tahmin etme varsayımsal bir sorunu olduğunu hayal edin. Anonim olduklarını ve hangisinin daha değerli olduğunu, Forbes milyarderleri listesinde nerede olduklarını ya da şu anda birinin değerinin ne olduğunu bilmeyeceğinizi hayal edin.

Bunlardan ilki A, ikincisi B, aralarındaki fark ise C, A - B = C olabilir. Onlarla ilgili herhangi bir bilginiz olmasa bile, C hakkında söyleyebileceğiniz önemli bir şey vardır: bu pek olası değildir. A veya B'den çok, çok daha küçük olacaktır. Başka bir deyişle, eğer A ve B'nin her ikisi de milyarlarca dolarsa, o zaman C'nin de milyarlarca veya en azından yüz milyonlarca olması muhtemeldir.

Genel olarak iki büyük sayınız varsa ve farklarını aldığınızda, fark söz konusu orijinal sayılarla aynı büyüklükte olacaktır. (E. Siegel / Forbes'ten gelen veriler)

Örneğin, A, Pat Stryker (listede # 703) olabilir, diyelim ki 3,592,327,960 dolar. Ve B, 8.467.103.235 dolar değerinde David Geffen (# 190) olabilir. Aralarındaki fark, ya da A - B, - - 4,874,775,275. C'nin 50/50'lik bir atışının pozitif veya negatif olması gerekir, ancak çoğu durumda, Aand B'nin aynı büyüklükte olması gerekir (10 ya da öylesine bir faktör dahilinde).

Ama her zaman olmayacak. Örneğin, dünyadaki 2.200 milyarderin çoğu 2 milyar doların altında ve 1 milyar ila 1.2 milyar dolar arasında yüzlerce değer var. İkisini rastgele seçtiyseniz, net değerindeki farkın sadece birkaç milyon dolar olması, sizi çok şaşırtmaz.

Girişimciler Tyler Winklevoss ve Cameron Winklevoss, bitcoin'i 11 Aralık 2017'de FOX Studios'ta Maria Bartiromo ile tartışıyor. Dünyanın ilk “bitcoin milyarderleri”, net değerleri neredeyse aynı, ancak nedenlerinin altında yatan bir neden var. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Ancak, aralarındaki farkın yalnızca birkaç bin dolar olması veya sıfır olması sizi şaşırtabilir. “Ne kadar düşük” diye düşünürsünüz. Ancak sonuçta o kadar da olmayabilir.

Sonuçta, listenizde hangi milyarderlerin bulunduğunu bilmiyorsunuz. Winklevoss ikizlerini öğrenirken şok olur musunuz - Cameron ve Tyler, ilk Bitcoin milyarderleri - aynı net değerlere sahipler miydi? Ya da Collison kardeşler Patrick ve John'un (Stripe'nin kurucu ortakları) birkaç yüz dolarla aynı değerde olduklarını mı?

Hayır. Bu şaşırtıcı olmaz ve büyük sayılarla ilgili bir gerçeği ortaya çıkarır: genel olarak A büyük ve B büyükse, o zaman A - B de büyük olacaktır… ama bunun bir nedeni varsa olmayacak ve B birbirine çok yakınlar. Milyarderlerin dağılımı tamamen rastlantısal değildir, görüyorsunuz ve bu nedenle, birbiriyle ilişkili görünen bu iki ilişkinin altında yatan bir sebep olabilir. (Çarpışmalar veya Winklevosslar durumunda, kelimenin tam anlamıyla!)

Standart modeldeki kuarkların ve leptonların kütleleri. En ağır standart model parçacık, en üst kuarktır; en hafif nötrino dışı elektrondur. Nötrinoların kendileri elektrondan en az 4 milyon kat daha hafiftir: diğer tüm parçacıklar arasında olduğundan daha büyük bir fark. Ölçeğin öbür ucunda, Planck ölçeği ön plana çıkmakta olan bir 10¹⁹ GeV.Hitoshi Murayama'nın http://hitoshi.berkeley.edu/)

Bu aynı özellik fizikte de geçerlidir. Dünyada bulduğumuz atomları oluşturan en hafif parçacık olan elektron, en ağır Standart Model parçacık olan en üst kuarktan 300.000 kat daha az büyüktür. Nötrinolar elektrondan en az dört milyon kat daha hafiftir. Evren için sözde “doğal” enerji ölçeği olan Planck kütlesi üst kuarktan 10¹⁷ (veya 100,000,000,000,000,000) kat daha ağırdır.

Bu kitlelerin neden bu kadar farklı olması gerektiğinin altında yatan bir nedenin farkında değilseniz, bunun bir nedeni olduğunu varsayarsınız. Ve belki bir tane var. Bu tür bir düşünce, ince ayar veya “doğallık” argümanı olarak bilinir. En basit haliyle, neden Evren'in bileşenlerinin çok farklı özelliklere sahip olduklarının neden aralarında bu farklılığa sahip olması gerektiğine dair bir tür fiziksel açıklama yapılması gerektiğini belirtir.

Simetriler geri yüklendiğinde (potansiyelin tepesinde) birleşme meydana gelir. Bununla birlikte, tepenin altındaki simetrilerin kırılması, günümüzde sahip olduğumuz Evren'e karşılık gelir ve yeni masif parçacık türleriyle tamamlanır. En azından bazı uygulamalar için. (Luis Álvarez-Gaumé ve John Ellis, Doğa Fiziği 7, 2–3 (2011))

20. yüzyılda fizikçiler doğallık argümanlarını büyük etki için kullandılar. Ölçekteki büyük farklılıkları açıklamanın bir yolu, yüksek enerjilere bir simetri uygulamak ve daha sonra onu daha düşük bir enerjide kırmanın sonuçlarını incelemektir. Bu gerekçeden, özellikle parçacık fiziği alanında, çok sayıda harika fikir ortaya çıktı. Elektroweak kuvvetindeki ayar bozonları, Higgs mekanizmasında olduğu gibi, bu düşünce hattından kaynaklandı ve birkaç yıl önce onaylandığı gibi, Higgs bozonu. Standart Modelin tamamı bu tür simetriler ve doğallık argümanları üzerine inşa edildi ve doğa en iyi teorilerimizle aynı fikirde oldu.

Standart Modelin parçacıkları ve parçacıkları şimdi, son on yılda, bu on yılın başlarında LHC'ye düşen Higgs Boson ile doğrudan tespit edildi. (E. Siegel / Galaksinin Ötesinde)

Bir başka büyük başarı kozmik enflasyondu. Bugün gördüğümüz Evreni üretmek için Evrenin erken evrelerinde iyi bir şekilde ayarlanması gerekiyordu. Genişleme hızı, mekansal eğrilik ve içindeki madde ve enerji miktarı arasındaki denge olağanüstü olmalı; doğal görünmüyor. Kozmik enflasyon, bunu açıklamak için önerilen bir mekanizmaydı ve o zamandan beri tahminlerinin birçoğu onaylandı:

  • Neredeyse ölçek değişmez bir dalgalanma spektrumu,
  • süper ufuk aşırı ve aşırı yoğunlukların varlığı,
  • doğada adyabatik olan yoğunluk kusurları ile,
  • ve Büyük Patlama Evreninden sonra erken saatlerde ulaşılan sıcaklıkta bir üst sınır.
Enflasyon sırasında meydana gelen kuantum dalgalanmaları Evrenin her tarafında yayılır ve enflasyon sona erdiğinde yoğunluk dalgalanmaları haline gelir. Bu, zaman içinde bugün Evrendeki büyük ölçekli yapıya ve SPK'da gözlemlenen sıcaklık dalgalanmalarına yol açmaktadır. (E. Siegel, ESB / Planck ve DoE / NASA / NSF birlikteliği görev kuvvetinden SPK araştırmalarında elde edilen görüntüler ile)

Ancak bu doğallık argümanlarının başarılarına rağmen, her zaman meyve vermezler.

Güçlü bozulmalarda doğal olmayan küçük miktarda bir CP ihlali var. Önerilen çözüm (Peccei-Quinn simetrisi olarak bilinen yeni bir simetri) onaylanan yeni tahminlerin sıfırına sahipti. En ağır parçacık ve Planck ölçeği (hiyerarşi sorunu) arasındaki kütle ölçeğindeki fark, süpersimetri için motivasyondu; Yine, tahminlerinin sıfır olduğunu doğruladı. Standart Modelin doğallığı, Büyük Birleşme şeklinde yeni simetrilere yol açtı ve daha yakın bir zamanda, tahminlerinin hiçbiri tarafından onaylanmayan Dize Teorisi. Ve kozmolojik sabitin doğal olmayan düşük fakat sıfır olmayan değeri, test edilemeyen belirli bir multiverse tipinin tahminlerine yol açtı. Bu da tabii ki onaylanmadı.

Standart Model parçacıklar ve onların süpersimetrik benzerleri. Bu parçacıkların% 50'sinin biraz altında keşfedildi ve% 50'sinden fazlası hiçbir zaman var olduklarına dair bir iz göstermedi. LHC'deki I ve II. Çalışmaların ardından, “WIMP Miracle” kriterlerini karşılayan en basit versiyonları da dahil olmak üzere SUSY için ilginç parametre alanlarının çoğu gider. (Claire David / CERN)

Yine de, geçmişten farklı olarak, bu çıkmazlar önde gelen teorisyenlerin ve deneycilerinin araştırmaya katıldığı alanları temsil etmeye devam ediyor. Kelimenin tam anlamıyla iki kuşak fizikçi için meyve vermeyen bu kör sokaklar, muhtemelen gerçeklikten tamamen kopuk olmasına rağmen, fon ve dikkat çekmeye devam ediyor. Kayıp Matematik adlı yeni kitabında, Sabine Hossenfelder, ana akım bilim adamları, Nobel Ödül Kazananlar ve (crackpot olmayan) rakipleriyle röportaj yaparken, bu krizin başını çekiyor. Onun hayal kırıklığını ve ayrıca konuştuğu birçok insanın çaresizliğini hissedebilirsiniz. Kitap, “doğanın hangi sırları yargıladığımızı gizlediği konusunda düşünceli bir düşünceye izin verdik mi?” Sorusunu yanıtlıyor;

SU (5) birliği gibi büyük birleşmiş teorilerde ortak olan bozonlar ve bozonlar arasındaki bir asimetri, Evrenimizde gözlemlediklerimize benzer şekilde, madde ve karşıt madde arasındaki temel bir asimetriye yol açabilir. Ancak protonun deneysel stabilitesi, en basit SU (5) GUT'ları dışlar. (E. Siegel)

Kitap, hala kendi içini kuşku duyabilecek herhangi bir makul kişiyi kendiliğinden şüphe edebilecek kılan vahşi, derin, düşündürücü bir okumadır. Hiç kimse bir fikrin düşlemini kovalayarak hayatını boşa harcama ihtimaliyle yüzleşmekten hoşlanmaz, ama bir teorisyen olmak işte budur. Eksik bir bulmacanın birkaç parçasını görüyorsunuz ve tam resmin gerçekte ne olduğunu tahmin ediyorsunuz; çoğu zaman yanılıyorsun. Belki de bu durumlarda tüm tahminlerimiz yanlıştı. En sevdiğim değişimde, doğallık argümanlarının teorik fizikçiler için neden iyi rehber olduğunu açıklamak için fizik konusundaki engin deneyiminden yararlanan Steven Weinberg ile röportaj yapıyor. Ancak bizi daha önce çözmeyi başardıkları problem sınıfları için iyi fikirler olduğuna ikna etmeyi başarır. Mevcut sorunlar için iyi bir rehber olmalarının garantisi yoktur; Aslında, bariz bir şekilde olmadılar.

Bir dize teorisinin ekstra, istenmeyen boyutlarını sıkıştırmak için kullanılan popüler bir yöntem olan Calabi-Yau manifoldunun 2 boyutlu bir izdüşümü. Maldacena varsayımı, anti-de Sitter uzayının matematiksel olarak konformal alan teorileri ile daha az bir boyutta ikili olduğunu söylüyor. Bu, Evrenimizin fiziği ile hiçbir ilgisi olmayabilir. (Wikimedia Commons kullanıcısı Öğle Yemeği)

Teorik bir parçacık fizikçisi, bir ip teorisi ya da bir fenomenologsanız - özellikle bilişsel uyuşmazlıktan muzdarip iseniz - bu kitabı sevmeyeceksiniz. Teorik fiziğin yol gösterici ışığı olarak doğallığa gerçek bir inanansanız, bu kitap sizi büyük ölçüde rahatsız edecektir. Ama eğer bu büyük soruyu “her şeyi yanlış mı yapıyoruz” sorusundan korkmayan biriysen, cevap büyük, rahatsız edici bir “evet” olabilir. Uzun yıllar boyunca bu rahatsızlık. Sabine’nin kitabında Kayıp Matematik’te bu rahatsızlık artık hepimiz için erişilebilir hale geliyor.

* - Açıklama: Ethan Siegel, Lost In Math'ın ücretsiz bir kopyasını aldı.

Patron ile başlayanlar şimdi Forbes'de ve Patreon destekçilerimiz sayesinde Medium'da yeniden yayımlandı. Ethan, Galaxy'nin Ötesinde ve Treknoloji adlı iki kitap yazdı: Tricorder'lerden Warp Drive'a Star Trek'in Bilimi.