Untuk mengenang Joe Polchinski, penguasa dedak

Pada awal Februari 2018, komunitas fisikawan berenergi tinggi - yang tertarik pada partikel, bidang, string, lubang hitam, dan seluruh Semesta secara keseluruhan - berduka atas kehilangan salah satu fisikawan teoretis terhebat di zaman kita, Joe Polchinski . Sangat menyakitkan bagi saya untuk menulis baris-baris ini.

Setiap orang yang mengenalnya secara pribadi akan kehilangan kualitas istimewanya - senyum kekanak-kanakan, rasa humor yang aneh, cara yang menarik untuk memikirkan setengah dari frasa untuk dipikirkan, kebugaran fisik dan keinginan untuk kompetisi persahabatan. Siapa pun yang akrab dengan penelitiannya akan kehilangan kejeniusan khususnya, ide-ide luar biasa, kombinasi unik dari kemampuan, yang akan saya coba jelaskan kepada Anda lebih lanjut. Kita yang cukup beruntung untuk mengenalnya secara pribadi dan profesional mengalami kehilangan ganda.

Polchinski - dan untuk semua koleganya, Joe - memiliki salah satu pikiran yang bekerja secara ajaib dan mengeluarkan sihir. Pikiran ilmiah beragam seperti kepribadian. Setiap fisikawan memiliki kombinasi unik antara keterampilan dan bakat (dan kelemahan); dalam istilah modern, kita masing-masing memiliki satu atau dua kekuatan super. Jarang bertemu dua ilmuwan dengan kemampuan yang sama.

Joe memiliki beberapa kekuatan super, dan yang sangat kuat. Dia memiliki kemampuan luar biasa untuk melihat tugas-tugas lama dan melihatnya dalam cahaya baru, yang sering kali mengubah akal sehat atau memformulasikannya kembali dengan cara baru yang lebih jelas. Dan dia memiliki keterampilan teknis yang luar biasa yang memungkinkan dia untuk mengikuti sampai akhir di sepanjang jalur komputasi yang kompleks yang akan mengasingkan sebagian besar dari kita.

Kerja bersama dengan Joe adalah salah satu hak istimewa terbesar dalam hidup saya - dan ini terjadi bukan hanya sekali, tetapi empat. Saya pikir yang terbaik dari semua saya akan dapat memberi tahu Anda tentang dia dan tentang beberapa pencapaian terbesarnya melalui prisma pengalaman tak terlupakan ini.

Pekerjaan kolaboratif kami dari tahun 1999 hingga 2006 adalah urutan yang pasti yang bertujuan untuk memahami hubungan yang stabil antara teori medan kuantum - bahasa fisika partikel - dan teori string - yang sekarang dikenal sebagai kandidat untuk teori gravitasi quantum. Dalam masing-masing karya ini, sebagaimana dalam ribuan karya lainnya yang ditulis setelah 1995, peran utama dimainkan oleh satu kontribusi berpengaruh Joe terhadap fisika. Ini adalah penemuan benda yang dikenal sebagai D-branes , ditemukan olehnya dalam konteks teori string.

Saya sudah bisa mendengar pertengkaran berteriak pada saya, yang membenci teori string. "Penemuan dalam teori string," teriak seseorang, mengetuk meja, "dalam teori yang tidak diuji dan tidak diuji, tidak bisa disebut penemuan dalam fisika." Jangan memperhatikan mereka - karena Anda akan melihat di dekat akhir teks ini, mereka mengerti sedikit.

Penemuan hebat

Pada tahun 1989, Joe, bekerja dengan dua ilmuwan muda, Jin Dai dan Rob Leigh [Jin Dai dan Rob Leigh], mempelajari beberapa fitur teori string dan terlibat dalam latihan matematika kecil. Dalam teori string, string biasanya berupa garis kecil atau loop yang dapat bergerak bebas - seperti partikel yang bergerak di suatu ruangan. Tetapi dalam beberapa kasus, partikel tidak dapat bergerak dengan bebas; misalnya, dimungkinkan untuk mempelajari partikel yang terperangkap di permukaan cairan atau antena logam yang sangat tipis. Genggaman senar mungkin ada dari jenis yang berbeda, yang tidak ada untuk partikel - misalnya, dimungkinkan untuk memperbaiki satu ujung, atau kedua ujung tali pada permukaan, memungkinkan bagian tengah tali bergerak bebas. Tempat di mana ujung tali dapat dilampirkan - baik itu titik, garis atau permukaan, atau sesuatu yang lebih eksotis dari dimensi yang lebih tinggi - hari ini kita sebut "D-brane."

Joe dan rekan-rekannya menemukan harta karun, tetapi mereka tidak segera memahaminya. Melihat ke belakang, mereka menemukan bahwa D-branes milik sifat otomatis teori string. Mereka bukan opsional; orang tidak dapat mempelajari teori string di mana tidak ada D-branes. Dan ini bukan hanya permukaan atau garis yang diperbaiki. Ini adalah objek fisik yang dapat bergerak di seluruh dunia. Mereka memiliki massa dan mereka memiliki efek gravitasi. Mereka bergerak dan saling menjauh. Mereka sama nyata dan sama pentingnya dengan string itu sendiri!


Fig. 1: D-branes (hijau) - objek fisik di mana string fundamental dapat berakhir (merah)

Ternyata seolah-olah Joe dan rekannya mencoba memahami mengapa ayam itu menyeberang jalan [ permulaan yang populer dari jenis lelucon / perkiraan yang sama. perev. ], dan sebagai hasilnya menemukan keberadaan sepeda, mobil, truk, bus dan jet. Jadi itu tak terduga dan dalam.

Namun tidak ada seorang pun, termasuk Joe dan rekan-rekannya, yang sepenuhnya memahami apa yang telah mereka lakukan. Rob Ley, rekan penulis Joe, duduk di kantor saya di sebelah selama beberapa tahun, dan kami menulis lima karya bersamanya dari tahun 1993 hingga 1995. Pada saat yang sama, menurut saya, Rob menyebutkan karyanya tentang D-branes satu atau dua kali secara singkat, dan tidak pernah menjelaskannya kepada saya secara terperinci. Pada awal 1995, karya mereka disebutkan tidak lebih dari 20 kali.

Pada tahun 1995, pemahaman tentang teori string mengambil langkah panjang ke depan. Saat itulah menjadi jelas bahwa kelima jenis teori string yang diketahui adalah sisi yang berbeda dari dadu yang sama - bahwa sebenarnya teori string adalah satu. Seluruh aliran karya telah muncul di mana peran utama dimainkan oleh lubang hitam khusus dan generalisasi mereka - string hitam, permukaan hitam, dan sebagainya. Hubungan di antara mereka sangat menarik, tetapi seringkali tidak bisa dipahami.

Dan kemudian, pada bulan Oktober 1995, pekerjaan muncul yang selamanya mengubah semua diskusi ini. Joe ini menjelaskan tentang bran-D kepada kita, mereka yang hampir tidak pernah mendengar tentang pekerjaan awalnya, dan menunjukkan bahwa banyak dari lubang hitam ini, string hitam dan permukaan hitam sebenarnya adalah bran-D. Berkat karyanya, semua perhitungan menjadi lebih sederhana, lebih jelas, dan lebih akurat; dia langsung menjadi hit. Pada awal 1996, dia disebutkan 50 kali; setelah dua belas bulan jumlah referensi mendekati 300.

Jadi apa Bagi para pakar teori string, ini hebat, tetapi tidak ada hubungannya dengan dunia nyata dan eksperimen. Mengapa semua orang membutuhkannya? Sabar, saya memimpin ini.

Bagaimana ini berhubungan dengan alam?

Hari ini kita berusaha memahami bagaimana alam semesta bekerja dengan partikel. Objek material terbuat dari atom, mereka terbuat dari elektron yang mengorbit di sekitar inti; nukleus terdiri dari neutron dan proton. Pada tahun 1970-an, kami belajar bahwa proton dan neutron sendiri terdiri dari partikel yang disebut quark, antiquarks dan gluon - khususnya, dari "laut" gluon dan beberapa pasangan quark / antiquark, ditambah tiga quark tambahan yang tidak memiliki pasangan antiquark sendiri - mereka sering disebut "quark valensi." Proton, neutron, dan semua partikel lain dengan tiga quark valensi disebut " baryon ". Perhatikan bahwa tidak ada partikel dengan satu, atau dua, atau empat quark valensi - hanya ada baryon dengan tiga. [ mereka mengatakan bahwa masih ada pentaquark - partikel dengan lima quark valensi / kira-kira. perev. ]

Pada 1950-an dan 1960-an, fisikawan menemukan partikel berumur pendek yang mirip dengan proton dan neutron dengan laut yang sama, tetapi mengandung satu quark valensi dan satu quark anti valensi. Partikel jenis ini disebut " meson ." Dalam gbr. 2 Saya membuat sketsa meson khas dan baryon khas. Meson yang paling sederhana disebut " peony "; itu adalah partikel paling umum dari proton yang diperoleh dengan tabrakan dengan proton di Large Hadron Collider.


Fig. 2: valensi quark merah, biru antiquark; quark laut, barang antik dan lem hitam.

Tetapi pada tahun 1960-an, fakta bahwa meson dan baron terdiri dari quark dan gluon hanyalah sebuah ide - dan dia bersaing dengan proposal bahwa meson adalah string kecil. Saya cepat-cepat mengklarifikasi bahwa mereka bukan basa-basi dari "teori segalanya", yang dapat dibaca dalam buku-buku Brian Green , dan yang satu miliar miliar kali lebih kecil dari proton. Dalam string dari "teori segalanya", semua jenis partikel alam, termasuk elektron, foton dan boson Higgs, adalah string kecil. Dan sekarang saya sedang berbicara tentang string dari "teori meson" - bukan ide yang ambisius, yang menurutnya string hanya meson. Mereka jauh lebih besar: panjangnya sebanding dengan diameter proton. Bagi manusia, ini adalah ukuran kecil, tetapi dibandingkan dengan string dari "teori segalanya" - yang raksasa.

Mengapa orang berpikir bahwa meson adalah dawai? Karena ada konfirmasi eksperimental untuk itu ! Dan bukti ini belum hilang setelah ditemukannya quark. Alih-alih, fisikawan teoritis secara bertahap lebih memahami mengapa quark dan gluon mampu menghasilkan meson yang berperilaku seperti string. Jika Anda dengan cepat melepaskan meson (dan ini mungkin terjadi secara kebetulan dalam percobaan), valensi kuark dan antiquark dapat terpisah, dan lautan benda di antara mereka membentuk "tabung aliran" (lihat Gambar 3). (Dalam beberapa superkonduktor, tabung fluks serupa dapat mengambil medan magnet.) Itu lebih mirip string tebal daripada string tipis, tetapi masih memiliki beberapa sifat umum dengan string, sehingga kita bisa mendapatkan hasil eksperimen yang mirip dengan prediksi teori string.


Fig. 3

Oleh karena itu, sejak pertengahan 1970-an, orang telah yakin bahwa teori medan kuantum, seperti yang menggambarkan quark dan gluon, dapat memunculkan objek yang berperilaku seperti string. Banyak fisikawan - termasuk yang paling terkenal dan dihormati - telah membuat pernyataan yang bahkan lebih berani: bahwa teori medan kuantum dan teori string sangat saling terkait pada tingkat fundamental. Tetapi mereka tidak dapat menunjukkan dengan tepat bagaimana; mereka memiliki bukti yang jelas, tetapi mereka tidak sepenuhnya jelas dan meyakinkan.

Secara khusus, ada misteri penting yang belum terpecahkan. Jika meson adalah string, lalu apa itu baryon? Apa itu proton dan neutron, dengan tiga kuensi valensi mereka? Akan seperti apa mereka jika mereka dipromosikan dengan cepat? Orang melukis gambar sedikit seperti nasi. 3. Baryon dapat berubah menjadi tiga tabung aliran yang terhubung (dan satu, mungkin, akan lebih lama dari dua lainnya), yang masing-masing akan memiliki quark valensi sendiri di akhir. Baryon semacam itu akan terdiri dari tiga string, yang masing-masing memiliki ujung bebas, memiliki persimpangan yang sama. Senyawa ini disebut "baryon vertex" [baryon vertex]. Jika meson adalah string kecil, objek mendasar dalam teori string, lalu apa itu baryon vertex dalam hal teori string? Di mana dia bersembunyi di matematika teori string dan terdiri dari apa?


Fig. 4

(Catatan: puncak tidak terhubung dengan quark. Ini adalah properti laut - khususnya, gluon. Oleh karena itu, di dunia di mana hanya ada satu gluon - di dunia yang senarnya membentuk loop tanpa ujung - harus dimungkinkan, dengan menggunakan energi yang cukup, untuk membuat sepasang simpul. / anti-vertex. Oleh karena itu, teori medan memprediksi bahwa simpul-simpul ini harus ada dalam teori string tertutup, meskipun mereka harus dibatasi secara linear.)

Tidak ada yang tahu. Tapi bukankah menarik bahwa fitur yang paling membedakan dari puncak ini adalah bahwa itu adalah tempat di mana ujung tali terpasang?

Pada periode 1997-2000, semuanya berubah. Mengikuti ide-ide yang diajukan oleh banyak fisikawan lain, dan menggunakan D-brane sebagai alat utama, Juan Maldacena akhirnya membangun hubungan yang tepat antara teori medan kuantum dan teori string. Dia mampu menghubungkan string dengan gravitasi dan dimensi tambahan , yang dapat dibaca dalam buku-buku Brown Green, dengan fisika partikel hanya dalam tiga dimensi spasial, mirip dengan dunia nyata dan di hadapan kekuatan non-gravitasi. Segera menjadi jelas bahwa ide-ide paling ambisius dan radikal tahun 70-an adalah benar: bahwa hampir semua teori medan kuantum, dengan partikel dan interaksinya, dapat dianggap sebagai teori string. Ini agak mirip dengan bagaimana gambar yang sama dapat digambarkan dalam bahasa Inggris atau Jepang: bidang / partikel dan string / gravitasi dalam konteks ini adalah dua bahasa yang sangat berbeda yang berbicara tentang hal yang sama.

Kisah puncak baryonik berlanjut di jalur baru pada Mei 1998, ketika Ed Whitten menunjukkan bagaimana puncak serupa muncul dalam contoh-contoh Maldasena. Tidak mengherankan bahwa puncak ini adalah D-brane - khususnya, D-partikel, objek di mana string dapat berakhir, memanjang dari quark yang bergerak bebas. Hasil ini tidak sepenuhnya memuaskan, karena gluon dan quark dari contoh Maldasena bergerak bebas tanpa membentuk meson atau baryon. Dengan demikian, baryon vertex bukanlah objek fisik; jika dilakukan, dengan cepat larut menjadi nol. Namun, dari karya Whitten, menjadi jelas apa yang terjadi. Sejauh meson nyata dapat dianggap sebagai string, proton dan neutron nyata dapat dianggap sebagai string yang terhubung ke D-brane.

Contoh yang lebih realistis yang ditemukan oleh para ahli teori tidak harus menunggu lama. Saya tidak ingat siapa yang pertama, tetapi saya tahu bahwa salah satu contoh paling awal muncul dalam pekerjaan kami dengan Joe pada tahun 2000.

Bekerja dengan Joe

Proyek ini muncul selama kunjungan saya pada bulan September 1999 ke KITP (Institut Fisika Teoritis Cavley) di Santa Barbara, tempat Joe bekerja. Tidak lama sebelumnya, ternyata saya sedang mempelajari teori medan yang disebut N = 1 *, yang hanya sedikit berbeda dari contoh Maldasena, di mana objek mirip meson dapat terbentuk. Salah satu laporan pertama yang saya dengar ketika saya tiba di KITP adalah Rob Myers tentang penemuan properti D-brane yang aneh. Selama kuliah, hubungan antara pengamatan Myers dan salah satu sifat teori N = 1 * muncul di benak saya, dan saya mengalami momen pencerahan, yang menjadi tempat hidup fisikawan. Tiba-tiba saya menyadari seperti apa teori string, menggambarkan teori medan N = 1 *.

Tapi saya tidak suka jawaban ini. Menjadi jelas bahwa perhitungan terperinci akan sangat sulit dan akan membutuhkan penggunaan aspek teori string yang hampir tidak saya ketahui (bekatul lengkung non-holomorfik dalam geometri lengkung dimensi tinggi). Yang bisa saya harapkan ketika bekerja sendirian adalah menulis karya konseptual dengan banyak gambar dan dengan dominasi hipotesis atas fakta-fakta yang terbukti.

Tapi saya di KITP. Joe dan saya memiliki pemahaman yang baik untuk beberapa waktu, dan saya tahu bahwa pertanyaan yang sama tampak menarik bagi kami. Dan Joe adalah ahli dedak; dia tahu semua tentang D-branes. Jadi saya memutuskan bahwa jalan keluar terbaik bagi saya adalah meyakinkan Joe untuk bergabung dengan pekerjaan itu. Saya mulai mengemis terus-menerus, dan, untungnya, itu berhasil.

Saya kembali ke pantai timur, dan Joe dan saya mulai bekerja. Sekali dalam satu atau dua minggu, Joe mengirimi saya catatan penelitian dengan perhitungan awal pada teori string. Tingkat kerumitan teknis mereka sangat tinggi, dan ada begitu sedikit momen pelatihan di dalamnya sehingga saya merasa seperti anak kecil; Saya hampir tidak bisa mengerti apa yang sedang terjadi. Kami berkembang perlahan. Joe melakukan perhitungan awal yang penting, tetapi sangat sulit bagi saya untuk mengikuti mereka. Dan jika perhitungan awal untuk teori string sangat rumit, dapatkah kita berharap untuk menyelesaikan seluruh masalah? Bahkan Joe sedikit khawatir.

Begitu saya menerima pesan yang penuh dengungan kemenangan - sesuatu seperti "kami membuat mereka!", Suasana hati yang bisa dikenali oleh siapa pun yang akrab dengan Joe. Dengan menggunakan trik yang luar biasa, ia menemukan cara menggunakan perhitungan pendahuluannya untuk memfasilitasi tugas yang lengkap! Alih-alih berbulan-bulan kerja keras, ternyata kami hampir selesai.

Dan sejak saat itu pekerjaan menjadi sangat menarik! Hampir setiap minggu telah berevolusi seperti ini. Saya merenungkan fenomena yang saya kenal dari teori medan kuantum, yang harus dijelaskan dari sudut pandang teori string - seperti baryon vertex. Saya cukup tahu tentang D-branes untuk mengembangkan bukti heuristik tentang bagaimana seharusnya ini terlihat. Saya menelepon Joe, memberi tahu dia tentang hal itu, dan mungkin mengiriminya draft. Beberapa hari kemudian, satu set catatan berisi perhitungan lengkap mengkonfirmasikan fenomena ini datang melalui email. Setiap perhitungan unik, berharga, termasuk studi karakteristik D-branes eksotis yang terletak di ruang melengkung. Sangat menakjubkan untuk mengamati kecepatan Joe bekerja, luasnya dan kedalaman bakat matematikanya, pemahamannya yang tak tertandingi dari bran ini.

Selama bertahun-tahun kolaborasi kami, ketika kami ingin mempelajari persamaan, ini selalu seperti ini; Joe meninggalkan saya jauh di belakang, menggelengkan kepalanya dengan takjub. Ini adalah kekurangan saya - untuk seorang fisikawan saya melakukan perhitungan yang cukup rata-rata. Tetapi Joe sangat pandai dalam hal itu.

Untungnya bagi saya, adalah mungkin untuk menikmati bekerja bersama, karena saya hampir selalu dapat menjaga kecepatan Joe di bidang masalah konseptual, dan kadang-kadang menyusulnya. Di antara memoar favorit saya sebagai ilmuwan, ada saat-saat ketika saya mengajar Joe sesuatu yang tidak dia ketahui; dia terdiam selama beberapa detik, mengangguk cepat dan, memahami masalahnya, membuat pandangan penuh perhatian, menyipitkan matanya dan membuka mulutnya. "Ya, ya," dia dulu.

Sisi lain Joe terbuka saat mengerjakan karya ilmiah kedua kami. Kami berdiri di lobi KITP, berbicara tentang topik baru, dan bahkan sebelum kami memutuskan masalah apa yang akan kami selesaikan, Joe tiba-tiba menebak jawabannya!Dan saya tidak bisa membuatnya menjelaskan masalah apa yang telah dipecahkannya, belum lagi mencari solusi dalam beberapa hari! Itu membingungkan.

Ini adalah kemampuan Joe klasik lainnya. Kadang-kadang dia tahu bahwa dia telah menemukan petunjuk (dan hampir selalu ternyata benar), tetapi tidak bisa mengatakan apa-apa tentang hal ini sampai dia berpikir selama beberapa hari dan mengubah idenya menjadi persamaan. Selama kerja bersama kami, ini terjadi beberapa kali. (Saya tidak pernah memberitahunya “Gunakan kata-kata, Joe,” tetapi tampaknya itu perlu). Pikirannya entah bagaimana bekerja di area yang tidak tunduk pada bahasa, dan karena tidak ada di antara kita, yang berada di luar otaknya, akan mengerti. Ada sesuatu dari oracle dalam dirinya.

Memandang ke cakrawala

Setelah 2006, minat kami secara bertahap menyimpang; Saya berkonsentrasi pada Large Hadron Collider (juga dikenal sebagai Large D-brane Collider), dan Joe, setelah beberapa penelitian, memutuskan untuk menangani cakrawala lubang hitam dan paradoks informasi . Tetapi saya menikmati pekerjaannya dari jauh, terutama ketika pada tahun 2012, Joe dan tiga rekannya (Ahmed Almeyri, Don Marolf dan James Sally) meledakkan gagasan saling melengkapi lubang hitam, yang banyak berharap untuk menyelesaikan paradoks informasi. Sisa-sisa gagasan ini masih merokok, dan paradoksnya masih ada di sini.

Kemudian Joe sakit, dan kami mulai kehilangan dia - pada usia yang sangat muda. Salah satu hadiah terakhirnya kepada kami adalah memoarnya, yang masing-masing dari kami mempelajari sesuatu tentangnya yang tidak kami ketahui sebelumnya. Akhirnya, ia melintasi cakrawala, karena itu mereka tidak kembali. Jika tidak ada firewall, maka dia akhirnya mengetahuinya.

Bisakah kita merenungkan apa yang akan terjadi pada warisan ilmiah Joe dalam beberapa dekade? Sulit untuk memperkirakan bagaimana pekerjaan ahli teori akan dievaluasi dalam seratus tahun; kadang-kadang perubahan terjadi dalam arah yang tidak terduga, dan apa yang tampaknya tidak penting sekarang dapat menjadi hal utama di masa depan - seperti halnya dengan D-branes sendiri selama tahun 1990-an. Bagi mereka yang bekerja dengan mereka hari ini, D-branes dalam teori string jelas merupakan penemuan Joe yang paling penting - meskipun kontribusinya terhadap pemahaman kita tentang lubang hitam, string kosmik dan aspek teori medan tidak akan segera terlupakan, atau mungkin tidak akan pernah. Tapi siapa yang tahu? Pada tahun 2100, teori string dapat berubah menjadi teori gravitasi yang diterima secara umum atau alat yang kurang dikenal untuk mempelajari medan kuantum.

Tetapi bahkan jika yang terakhir terjadi, saya masih curiga bahwa Joe akan diingat untuk D-branes. Karena - ketika saya mencoba untuk membuktikan - mereka nyata. Sangat nyata. Di setiap proton, di setiap neutron, ada satu. Tubuh kita mengandung mereka miliaran miliar. Untuk gagasan ini, atas kontribusi mendasar ini bagi pengetahuan manusia, keturunan kita harus menyalahkan Joseph Polchinski.



Terima kasih untuk semuanya, Joe. Kami akan sangat dirindukan. Anda telah begitu sering mengajari kami cara-cara baru untuk memandang dunia, dan bahkan pada diri kita sendiri.