يبحث العلماء عن وصف واحد للواقع. لكن الفيزياء الحديثة تسمح لنا بوصفها بطرق عديدة ، والعديد منها متكافئ مع بعضها البعض ، ومرتبط من خلال مشهد واسع من الاحتمالات الرياضية
لنفترض أننا طلبنا من أليس وبوب طهي وجبة. أليس تحب الطعام الصيني ، بوب يحب الطعام الإيطالي. اختار كل منهم الوصفة المفضلة لديهم ، واشتروا من متجر محلي متخصص في المنتجات المناسبة ، واتبعوا التعليمات بعناية. ولكن عندما أخرجوا أطباقهم من الفرن ، فوجئوا للغاية. اتضح أن كلا الطبقين متطابقين. يمكن للمرء أن يتخيل ما هي الأسئلة الوجودية التي ستطرحها أليس وبوب. كيف يمكن صنع نفس الطبق من مكونات مختلفة؟ ماذا يعني طهي طبق صيني أو إيطالي؟ هل هناك أي خلل قاتل في طريقة طهيهم؟
إنه بالضبط هذا الحيرة التي يعاني منها المتخصصون في فيزياء الكم. وجدوا العديد من الأمثلة على وصفين مختلفين تمامًا لنفس النظام المادي. فقط في حالة الفيزياء ، المكونات ليست اللحم والصلصة ، ولكن الجسيمات والقوة ؛ الوصفات هي صيغ رياضية ترميز التفاعلات ؛ والطبخ إجراء كمّي يحول المعادلات إلى احتمالات الظواهر الفيزيائية. ويشعر الفيزيائيون ، مثل أليس وبوب ، بالحيرة بشأن الطريقة التي أدت بها الوصفات المختلفة إلى نفس النتيجة.
هل يمكن للطبيعة أن تختار قوانينها الأساسية؟ يعتقد ألبرت آينشتاين ، كما تعلم ، أن هناك طريقة فريدة لبناء نسخة عمل متسقة من الكون تستند إلى المبادئ الأساسية. من وجهة نظر أينشتاين ، إذا تعمقنا في جوهر الفيزياء ، فسيكون هناك طريقة واحدة يتم من خلالها ربط جميع المكونات - المادة ، والإشعاع ، والقوى ، والفضاء ، والوقت - ببعضها البعض ، بحيث يعمل الواقع ، مشابهًا ل مثل التروس والينابيع والأقراص والبكرات للساعة الميكانيكية ، فإنها تجمع بشكل فريد وتحسب الوقت.
النموذج القياسي الحالي لفيزياء الجسيمات هو في الواقع آلية مصممة بعناية مع عدد قليل من المكونات. ومع ذلك ، بدلاً من أن يبقى فريدًا ، فإن الكون هو واحد من عدد لا نهائي من العوالم الممكنة. ليس لدينا أي فكرة على الإطلاق عن سبب وجود مثل هذه المجموعة من الجسيمات والقوى بالتحديد وراء بنية الطبيعة. لماذا توجد ستة
نكهات كوارك
وثلاثة أجيال من النيوترينو وجسيم هيجز ؟ علاوة على ذلك ، يسرد النموذج القياسي 19 ثوابت الطبيعة - مثل قيم وشحنة الإلكترون - التي يجب قياسها تجريبيًا. لا يبدو أن معاني هذه "
المعلمات المجانية " لها معنى عميق. من ناحية ، فإن فيزياء الجسيمات هي معجزة من الأناقة. من ناحية أخرى ، القصة التي هي كل شيء لأنها.
إذا كان عالمنا واحدًا من العديد ، فماذا نفعل بالبدائل؟ يمكن النظر إلى وجهة النظر الحالية على أنها عكس حلم آينشتاين في الكون الفريد. يأخذ الفيزيائيون المعاصرون مساحة كبيرة من الاحتمالات ويحاولون فهم منطقها العام وترابطها. من المنقبين عن الذهب ، تحولوا إلى الجغرافيين والجيولوجيين ، وتحديد تفاصيل المشهد ودراسة القوى التي تشكله.
ساعدت نظرية الأوتار على تغيير الوضع وتغيير المنظور. في الوقت الحالي ، هذا هو المرشح الوحيد القابل للتطبيق لنظرية الطبيعة ، القادر على وصف جميع الجسيمات والتفاعلات ، بما في ذلك الجاذبية ، مع الالتزام بالقواعد المنطقية الصارمة لميكانيكا الكم ونظرية النسبية. الخبر السار هو أنه لا توجد معلمات مجانية في نظرية الأوتار. ليس لديها مقابض ضبط للعب معها. ليس هناك جدوى من التساؤل عن نظرية الأوتار التي تصف كوننا ، لأنها واحدة فقط. يؤدي عدم وجود ميزات إضافية إلى عواقب جذرية. يجب تحديد جميع أعداد الطبيعة بالفيزياء نفسها. لا توجد "ثوابت طبيعية" ، فقط المتغيرات التي تحددها المعادلات (ربما معقدة للغاية).
وهذا يقودنا إلى أخبار سيئة. مساحة حلول نظرية الأوتار ضخمة ومعقدة. في الفيزياء ، يحدث هذا. نحن نميز تقليديا بين القوانين الأساسية التي قدمتها المعادلات الرياضية وحلولها. عادة لا يوجد سوى عدد قليل من القوانين وعدد لا نهائي من الحلول. خذ قوانين نيوتن. إنها صارمة وأنيقة ، ولكنها تصف عددًا كبيرًا من الظواهر ، من التفاحة المتساقطة إلى مدار القمر. إذا كنت تعرف الشروط الأولية لنظام معين ، فإن إمكانيات هذه القوانين تسمح لك بحل المعادلات والتنبؤ بما سيحدث بعد ذلك. لا نتوقع ولا نحتاج إلى حلول فريدة تصف كل شيء.
في نظرية الأوتار ، فإن بعض ميزات الفيزياء التي نعتبرها عادة قوانين الطبيعة - على سبيل المثال ، جزيئات أو تفاعلات معينة - هي في الواقع حلول. يتم تحديدها من خلال شكل وحجم الأبعاد الإضافية الخفية. غالبًا ما يُطلق على مساحة جميع القرارات "المشهد" ، لكن هذا تقدير وحشي. حتى التضاريس الجبلية الأكثر إثارة ستبدو هراء مقارنة باتساع هذه المساحة. وعلى الرغم من أننا نفهم جغرافيتها بشكل سيء للغاية ، فإننا نعلم أن هناك قارات ذات أبعاد هائلة موجودة عليها. إحدى أكثر ميزاته المغرية هي أنه ربما يكون كل شيء مرتبطًا بكل شيء - أي أن أي نموذجين مرتبطان بطريقة مستمرة. إذا هزنا الكون بقوة كافية ، يجب أن نكون قادرين على الانتقال من عالم محتمل إلى آخر ، وتغيير ما نعتبره قوانين الطبيعة المتغيرة ومزيج خاص من الجسيمات الأولية التي تشكل واقعنا.
ولكن كيف يمكننا دراسة المناظر الطبيعية الشاسعة للنماذج المادية للكون ، والتي يمكن أن تظهر فيها مئات الأبعاد؟ من المفيد أن نتخيل المناظر الطبيعية كحياة برية غير متطورة ، معظمها مخفي تحت طبقات سميكة من التعقيد الذي لا يمكن عبوره. وفقط في حوافها يمكننا العثور على أماكن صالحة للسكن. الحياة في هذه البؤر الاستيطانية بسيطة وممتعة. هنا نجد النماذج الأساسية التي يمكن فهمها تمامًا بالنسبة لنا. إنهم لا يفعلون سوى القليل للمساعدة في وصف العالم الحقيقي ، لكنهم يعملون كنقاط بداية مناسبة لاستكشاف المناطق المحيطة.
مثال جيد هو QED ،
الديناميكا الكهربائية الكمومية ، التي تصف التفاعلات بين المادة والضوء. في هذا النموذج ، هناك معلمة واحدة ،
ثابت البنية الدقيقة α ، الذي يقيس قوة تفاعل إلكترونين. من حيث القيمة المطلقة ، فهي قريبة من 1/137. في QED ، يمكن اعتبار جميع العمليات نتيجة للتفاعلات الأولية. يدعونا QED إلى النظر في جميع الطرق الممكنة التي يمكن لإلكترونين من خلالها تبادل الفوتون ، الأمر الذي يتطلب من الفيزيائيين العثور على كمية معقدة للغاية وغير محدودة. لكن النظرية تعطينا حلاً: كل تبادل فوتوني لاحق يضيف مصطلحًا يتم فيه رفع α ، وترفع إلى درجة إضافية. نظرًا لأن هذا الرقم صغير إلى حد ما ، فإن الأعضاء الذين لديهم عدد كبير من التبادلات يقدمون مساهمة صغيرة. يمكن تجاهلها وتقدير القيمة "الحقيقية" تقريبًا.
نحن نعتبر هذه النظريات المقترنة بشكل فضفاض بؤر استيطانية في المشهد. هنا تكون قوة التفاعلات صغيرة ، ومن المنطقي التحدث عن قائمة تسوق تتكون من جسيمات أولية ، ووصفة لحساب تفاعلاتها. ولكن إذا تركنا دائرتنا الداخلية وتوجهنا إلى البرية ، فستصبح الروابط أكبر ، وسيبدأ كل عضو إضافي في أن يصبح أكثر أهمية. والآن لم يعد بإمكاننا التمييز بين الجسيمات الفردية. تتحلل وتتحول إلى شبكة طاقات مشوشة مثل مكونات الكيك في فرن ساخن.
ومع ذلك ، لا يتم فقدان كل شيء. في بعض الأحيان ينتهي المسار عبر الغابة المظلمة عند نقطة استيطانية أخرى. هذا ، في نموذج آخر جيد التحكم ، يتم تجميعه من مجموعة مختلفة تمامًا من الجسيمات والتفاعلات. في هذه الحالة ، يصبحان وصفين بديلين لنفس الفيزياء الأساسية ، مثل أطباق أليس وبوب. تسمى هذه الأوصاف التكميلية النماذج المزدوجة ، وتسمى علاقتها الثنائية. يمكننا أن نعتبر هذه الثنائيات في شكل تعميم كبير
لازدواجية جسيمات الموجة الشهيرة ، التي اكتشفها هايزنبرغ. في حالة أليس وبوب ، يأخذ شكل الانتقال بين الوصفات الصينية والإيطالية.
لماذا هو مثير للاهتمام للفيزياء؟ أولاً ، الاستنتاج القائل بأن العديد من النماذج ، إن لم يكن جميعها ، جزء من مساحة واسعة مترابطة ، هي من بين أكثر النتائج المذهلة لفيزياء الكم الحديثة. هذا تغيير في المنظور الجدير بمصطلح "
نقلة نوعية ". وتقول إنه بدلاً من استكشاف أرخبيل الجزر الفردية ، اكتشفنا قارة واحدة ضخمة. بمعنى ما ، من خلال دراسة نموذج واحد بعمق كافٍ ، يمكننا دراستها جميعًا. يمكننا أن ندرس كيف ترتبط هذه النماذج ، والتي ستكشف لنا المشترك في هياكلها. من المهم التأكيد على أن هذه الظاهرة مستقلة إلى حد كبير عن مسألة ما إذا كانت نظرية الأوتار تصف العالم الحقيقي أم لا. هذه خاصية داخلية لفيزياء الكم ولن تذهب إلى أي مكان ، مهما كان مستقبل "نظرية كل شيء".
الاستنتاج الأكثر جذرية هو أنه يجب علينا التخلص من جميع الأوصاف التقليدية للفيزياء الأساسية. الجسيمات والحقول والتفاعلات والتماثلات - هذه كلها قطع أثرية للوجود البسيط في البؤر الاستيطانية لهذا المشهد الشاسع من التعقيد الممنوع. على ما يبدو ، فإن النهج في الفيزياء من حيث اللبنات الأساسية غير صحيح ، أو على الأقل محدود للغاية. ربما هناك منصة جديدة جذرية تجمع بين القوانين الأساسية للطبيعة ، وتتجاهل جميع المفاهيم المألوفة. إن التعقيد الرياضي وتماسك نظرية الأوتار يحفز بقوة وجهة النظر هذه. ولكن يجب أن أقول بصراحة. عدد قليل جدًا من أفكار اليوم حول استبدال الجسيمات والحقول "مجنونة جدًا لدرجة يصعب تصديقها" ، على حد تعبير
نيلز بور . الفيزياء ، مثل أليس وبوب ، على استعداد للتخلص من الوصفات القديمة واعتماد
المأكولات الحديثة.