Ajakirja Quanta artiklis kasutab Hollandi füüsik ja matemaatik Robbert Dijkgraaf "maastiku" ruumilist metafoori, et selgitada keelteteooria revolutsioonilist tähtsust universumi mõistmisel.
Kvantfüüsika peamine dilemma
Kujutage ette, et Alice'il ja Bobil palutakse õhtusööki keeta. Alice armastab hiina toitu, Bob armastab itaalia keelt. Igaüks neist valib oma lemmikretsepti, ostab kohalikku kauplust ja järgib selgelt juhiseid. Kui nad aga toidu ahjust välja viivad, on mõlemad üsna üllatunud. Mõlemad toidud osutuvad täpselt samaks. Võib vaid ette kujutada eksistentsiaalseid küsimusi, mida Alice ja Bob esitavad. Kuidas saavad erinevad koostisosad valmistada samu roogi? Mida tähendab isegi hiina või itaalia toidu valmistamine? Või lähenesid nad toiduvalmistamise protsessile nii valesti?
See illustreerib kvantfüüsikute keskset dilemmat. Nad leidsid palju näiteid selle kohta, kuidas kaks täiesti erinevat mõistet võivad kirjeldada sama füüsilist süsteemi. Füüsika puhul toimivad liha ja kastmete asemel koostisosadena osakesed ja jõud, retseptid on interaktsioonivalemid ja keetmisprotsess on diskreetimisprotseduur, mis seab füüsikaliste nähtuste tõenäosuse valemiga vastavusse. Nii nagu Alice ja Bob, hämmastavad teadlasi, kuidas erinevad retseptid viivad samade tulemusteni.
Kas loodusel oli võimalus valida oma põhiseadused? Albert Einstein uskus niivõrd, kuivõrd me teame, et elegantse, toimiva universumi ehitamiseks on vaid üks võimalus, mis põhineb vähestel aluspõhimõtetel. Tema vaatenurgast, kui uurime füüsika olemust piisavalt sügaval tasemel, jõuame järeldusele, et universaalse kellakeeramise kõigi hammasrataste - mateeria, kiirgus, jõud, ruum ja aeg - interaktsioon on ainult üks ja ainus võimalik viis.
Keelteooria kui "kõige teooria"
Reklaamvideo:
Osakeste füüsika praegune standardmudel on inertsest mehhanismist, mis koosneb vähesest koostisosade komplektist. Kuid hoolimata näilisest ainulaadsusest on meie Universum vaid üks lugematutest võimalikest maailmadest. Meil pole vähimatki aimu, miks see osakeste konkreetne konfiguratsioon ja neid mõjutavad jõud on meie maailmakorra alus.
Miks on kuus kvarki "maitset", neutriinode kolm "põlvkonda" ja üks Higgsi osake? Lisaks hõlmab standardmudel üheksateist füüsikalist konstanti (näiteks elektroni mass ja laeng). Näib, et nende "vabade parameetrite" väärtustel pole sügavat tähendust. Ühelt poolt on osakeste füüsika näide elegantsist. Teisest küljest on see lihtsalt ilus teooria.
Kui meie maailm on vaid üks paljudest, siis mida teha alternatiivsete maailmadega? Praegune vaatepunkt on Einsteini unikaalse universumi idee absoluutne vastand. Kaasaegsed füüsikud katavad tohutu tõenäosuste ruumi ja proovivad mõista selle seoste loogikat. Kullaotsijatest on nad kujunenud geograafideks ja geoloogideks, kaardistades maastikku ja uurides üksikasjalikult selle kujundanud jõude.
Selle protsessi verstapostiks oli keelteooria sünd. Praegu on ta ainus kandidaat "kõige teooria" tiitlile. Hea uudis on see, et keelte teoorias puuduvad vabad parameetrid. Pole küsimust, milline keelteooria kirjeldab meie universumit, sest see on ainulaadne. Täiendavate funktsioonide puudumine põhjustab radikaalseid tagajärgi. Kõik looduses olevad numbrid peab määrama füüsika ise. Need ei ole "looduse konstandid", vaid lihtsalt võrranditest saadud muutujad (mõnikord, ehkki uskumatult keerukad).
Halvad uudised, härrased. Nöörteooria lahendusruum on tohutu ja keeruline. See on füüsika jaoks normaalne. Traditsiooniliselt eristatakse põhiseadusi, mis põhinevad matemaatilistel võrranditel ja nende võrrandite lahendustel. Tavaliselt on mitu seadust ja lõpmatu arv lahendusi. Võtame Newtoni seadused. Nad on karged ja elegantsed, kuid kirjeldavad uskumatult suurt hulka nähtusi, alates langevast õunast kuni Kuu orbiidini. Teades süsteemi algseisundit, saab neid seadusi kasutada selle oleku kirjeldamiseks järgmisel hetkel. Me ei oota ega nõua universaalset lahendust, mis kirjeldaks kõike.
Oikumeeniline maastik
Keelteoorias on mõned elemendid, mida tavaliselt peetakse seadusteks, tegelikult lahendused. Need määratakse peidetud lisamõõtmete kuju ja suuruse järgi. Kõigi nende lahenduste ruumi nimetatakse sageli maastikuks, kuid seda öeldakse liiga kergekäeliselt. Isegi kõige muljetavaldavamad mägimaastikud kahvatuvad selle ruumi avaruse vastu. Ja kuigi selle geograafiat pole veel täielikult uuritud, võib kindlalt öelda, et tema mandrid on tohutud.
Üks keerukamaid eeldusi teoorias on see, et kõik on omavahel tõenäoliselt seotud. Universumi hästi raputades võiksime liikuda ühest hüpoteetilisest maailmast teise, muutes seda, mida kasutasime looduse muutumatute seaduste arvestamiseks ja saades uue kombinatsiooni elementaarsetest osakestest, mis moodustavad meie reaalsuse.
Kuid kuidas uurida universumi füüsiliste mudelite tohutut maastikku, millel võib hõlpsasti olla sadu mõõtmeid? Mõelge sellele kui suuresti arenemata kõrbe tükile, suur osa sellest on peidetud vastupandamatu keerukuse paksude kihtide alla. Liigutatavaid kohti võib leida ainult väga piiridelt. Siin on elu lihtne ja tasuta. Siin on põhimudelid, millest me suurepäraselt aru saame. Need pole pärismaailma kirjeldamisel väga olulised, kuid on mugavaks lähtepunktiks lähiümbruse uurimisel.
Hea näide on kvant-elektrodünaamika (QED) - teooria, mis kirjeldab mateeria ja valguse vastasmõjusid. Sellel mudelil on üks parameeter, nn peenstruktuuri konstant, mis väljendab kahe elektroni vahelise interaktsiooni tugevust. Numbriliselt on see lähedane 1/137-le. QED-is võib kõiki protsesse pidada põhiliste interaktsioonide tulemusel toimuvaks. Näiteks võib kahe elektroni tõrjumist pidada footonite vahetuseks. Kvant-elektrodünaamika soovitab kaaluda kõiki võimalikke viise, kuidas kaks elektroni saavad footoneid vahetada.
Praktikas tähendab see, et füüsikud seisavad silmitsi vajadusega arvutada väga keerulised lõpmatud summad. Kuid teooria pakub ka väljapääsu: iga täiendav footonite vahetus lisab tingimuse, mille korral peenstruktuuri konstant tõstetakse järgmisele võimsusele. Kuna nende vahetuste arv on suhteliselt väike, ei oma lisatingimused suurt mõju. Neid saab unarusse jätta, viies nad lähemale "tegelikule" väärtusele. Need lõdvalt seotud teooriad leiame maastiku eelpostidest. Siin on jõud nõrgad ja on mõttekas rääkida koostisosade - elementaarsete osakeste - loetelust ja nende koostoimimise retseptist. Kuid kui jätame oma elamiskõlblikud kohad ja süveneme kaardistamata kõrbesse, muutub iga lisatingimus üha olulisemaks. Nüüd ei tee me enam vahet üksikute osakeste vahel. Nad lahustuvadmuutudes sassis energiavõrguks nagu ahjus oleva piruka koostisosad.
Kõik pole siiski kadunud. Mõnikord nähakse raja lõpus veel ühte eelpostit. Teisisõnu, teine hästi juhitav mudel, mis seekord koosneb täiesti teistsugusest osakeste ja jõudude komplektist. Sellistel juhtudel on sama füüsika jaoks kaks alternatiivset retsepti, nagu Alice ja Bobi õhtusöökide puhul. Neid konjugeeritud kirjeldusi nimetatakse duaalseteks mudeliteks ja nendevahelist seost nimetatakse duaalsuseks. Neid vastandeid võib vaadelda Heisenbergi avastatud kuulsa laineosakeste dualismi suurejoonelisena. Alice ja Bobi puhul toimub see muundamise teel hiina ja itaalia retseptide vahel.
Kõik on omavahel seotud
Miks see kõik füüsika seisukohast nii põnev on? Esiteks on eeldus, et paljud (kui mitte kõik) mudelid on osa ühest tohutult ühendatud ruumist, moodsa kvantfüüsika üks üllatavamaid leide. See on vaatenurga muutus, mida tasub nimetada "paradigma muutuseks". Hajutatud saarte saarestiku asemel uurime ühte suurt mandrit.
Mõnes mõttes, uurides ühte mudelit piisavalt sügavalt, suudame neid kõiki mõista. Saame uurida nende mudelite seoseid, keskendudes nende ülesehituse üldjoontele. Oluline on märkida, et see nähtus sõltub suuresti sellest, kas keelte teooria vastab tegelikule maailmale. See omadus on omane kvantfüüsikale, mis on muutumatu, hoolimata sellest, milline osutub "kõige teooriaks".
Dramaatilisem on järeldus, et kõik fundamentaalfüüsika traditsioonilised teooriad peavad minema ajaloo prügikasti. Osakesed, väljad, jõud, sümmeetriad - need kõik pole muud kui vaba elu esemed mõeldamatu keerukusega lõputu maastiku ääres. Füüsika vaatamine elementaarsete ehitusplokkide osas tundub uskumatu või vähemalt äärmiselt piiratud.
Võib-olla on olemas täiesti uus struktuur, mis ühendab looduse põhiseadused ja eirab kõiki mõisteid, millega oleme harjunud. Keelpilliteooria matemaatilised peensused ja elegants on ahvatlev motivatsioon selle seisukohaga nõustuda. Kuid olgem ausad. Väga vähesed kaasaegsed ideed osakeste ja väljade asemele on "piisavalt hullud, et tõsi olla", nagu Niels Bohr ütles.
