Em memória de Joe Polchinski, mestre de farelo

No início de fevereiro de 2018, uma comunidade de físicos de alta energia - interessados ​​em partículas, campos, cordas, buracos negros e todo o Universo como um todo - lamentou a perda de um dos maiores físicos teóricos de nosso tempo, Joe Polchinski . É extremamente doloroso para mim escrever essas linhas.

Qualquer um que o conhecesse pessoalmente sentirá falta de suas qualidades especiais - um sorriso de menino, um estranho senso de humor, uma maneira encantadora de se dedicar a metade da frase para pensar, aptidão física e desejo de uma competição amigável. Qualquer pessoa familiarizada com sua pesquisa sentirá falta de seu gênio especial, idéias excepcionais, combinação única de habilidades, que tentarei descrever mais adiante. Aqueles de nós que têm a sorte de conhecê-lo pessoal e profissionalmente sofrem dupla perda.

Polchinski - e para todos os seus colegas apenas Joe - possuía uma daquelas mentes que funcionam magicamente e transmitem magia. As mentes científicas são tão diversas quanto as personalidades. Cada físico tem uma combinação única de habilidades e talentos (e fraquezas); em termos modernos, cada um de nós tem uma ou duas superpotências. É raro encontrar dois cientistas com as mesmas habilidades.

Joe tinha várias superpotências e muito fortes. Ele tinha uma capacidade incrível de examinar tarefas antigas e vê-las sob uma nova luz, que muitas vezes revirava o senso comum ou o reformulava de uma maneira nova e mais clara. E ele possuía habilidades técnicas surpreendentes que lhe permitiram seguir até o fim ao longo dos caminhos da computação complexa que alienariam a maioria de nós.

O trabalho conjunto com Joe foi um dos maiores privilégios da minha vida - e isso aconteceu não uma vez, mas quatro. Penso que o melhor de tudo poderei falar sobre ele e sobre várias de suas maiores realizações através do prisma dessa experiência inesquecível.

Nosso trabalho colaborativo de 1999 a 2006 foi uma sequência definida, com o objetivo de entender a relação estável entre a teoria quântica de campos - a linguagem da física de partículas - e a teoria das cordas - mais conhecida hoje como candidata à teoria quântica da gravidade. Em cada uma dessas obras, como em milhares de outras escritas após 1995, o papel principal foi desempenhado por uma influente contribuição de Joe para a física. Esta foi a descoberta de objetos conhecidos como D-branes , descobertos por ele no contexto da teoria das cordas.

Eu já posso ouvir disputantes gritando comigo, que odeiam a teoria das cordas. "Uma descoberta na teoria das cordas", alguém grita, batendo na mesa, "numa teoria não testada e não testada, não pode ser chamada de descoberta na física". Não preste atenção neles - como você verá no final deste texto, eles entendem pouco.

Grande descoberta

Em 1989, Joe, trabalhando com dois jovens cientistas, Jin Dai e Rob Leigh [Jin Dai e Rob Leigh], estudou alguns aspectos da teoria das cordas e participou de pequenos exercícios matemáticos. Na teoria das cordas, as cordas são geralmente pequenas linhas ou loops que podem se mover livremente - como partículas se movendo em uma sala. Mas, em alguns casos, as partículas não podem se mover livremente; é possível, por exemplo, estudar partículas presas na superfície de um líquido ou em uma antena de metal muito fina. Pegas de cordas podem existir de um tipo diferente, o que não existe para partículas - por exemplo, é possível fixar uma extremidade ou ambas as extremidades de uma corda na superfície, permitindo que a parte do meio da corda se mova livremente. O local em que o final da corda pode ser afixado - seja um ponto, linha ou superfície, ou algo mais exótico de dimensões mais altas - hoje chamamos de "D-brana".

Joe e seus colegas tropeçaram em um tesouro, mas não o entenderam imediatamente. Olhando para trás, eles descobriram que as D-branas pertencem às propriedades automáticas da teoria das cordas. Eles não são opcionais; não se pode estudar teorias de cordas nas quais não haja D-branas. E essas não são apenas superfícies ou linhas fixas. Estes são objetos físicos que podem se mover pelo mundo. Eles têm massa e têm um efeito gravitacional. Eles se movem e se afastam um do outro. Eles são tão reais e tão importantes quanto as próprias cordas!


Fig. 1: D-branas (verde) - objetos físicos nos quais as cordas fundamentais podem terminar (vermelho)

Acabou como se Joe e seus colegas tentassem entender por que a galinha atravessou a rua [um começo popular do mesmo tipo de piadas / aprox. perev. ] e, como resultado, descobriu a existência de bicicletas, carros, caminhões, ônibus e jatos. Então foi inesperado e profundo.

E, no entanto, ninguém, incluindo Joe e seus colegas, entendeu completamente o que haviam feito. Rob Ley, co-autor de Joe, ficou no meu escritório ao lado por alguns anos e escrevemos cinco trabalhos com ele de 1993 a 1995. Ao mesmo tempo, parece-me que Rob mencionou seu trabalho em D-branes uma ou duas vezes brevemente, e nunca me explicou em detalhes. No início de 1995, seu trabalho foi mencionado não mais de 20 vezes.

Em 1995, um entendimento da teoria das cordas deu um longo passo à frente. Foi então que ficou claro que todos os cinco tipos conhecidos de teoria das cordas são lados diferentes do mesmo dado - que na verdade a teoria das cordas é uma delas. Apareceu todo um fluxo de trabalhos em que o papel principal foi desempenhado por buracos negros especiais e sua generalização - cordas negras, superfícies negras e assim por diante. A relação entre eles era muito interessante, mas muitas vezes incompreensível.

E então, em outubro de 1995, apareceu um trabalho que mudou para sempre toda essa discussão. Esse Joe explicou sobre as D-branas para nós, aqueles que mal ouviram falar de seu trabalho inicial, e demonstrou que muitos desses buracos negros, cordas e superfícies pretas eram na verdade D-branas. Graças ao seu trabalho, todos os cálculos se tornaram mais simples, mais claros e mais precisos; ela imediatamente se tornou um sucesso. No início de 1996, ela foi mencionada 50 vezes; após doze meses, o número de referências se aproximou de 300.

E daí? Para os especialistas em teoria das cordas, isso é ótimo, mas não tem conexão com o mundo real e com as experiências. Por que todo mundo precisa disso? Paciência, eu conduzo a isso.

Como isso se relaciona com a natureza?

Hoje estamos tentando entender como o universo trabalha com partículas. Objetos materiais são compostos de átomos, eles são compostos de elétrons que orbitam em torno de um núcleo; o núcleo consiste em nêutrons e prótons. Na década de 1970, aprendemos que prótons e nêutrons consistem em partículas chamadas quarks, antiquarks e gluons - especificamente, do “mar” de gluons e vários pares de quarks / antiquark, além de três quarks adicionais que não possuem seu próprio par de antiquark - eles são freqüentemente chamados de "quarks de valência". Prótons, nêutrons e todas as outras partículas com três quarks de valência são chamados de " bárions ". Observe que não há partículas com um, dois ou quatro quarks de valência - existem apenas bárions com três. [ eles dizem que ainda existem pentaquarks - partículas com cinco quarks de valência / aprox. perev. ]

Nas décadas de 1950 e 1960, os físicos descobriram partículas de vida curta, semelhantes a prótons e nêutrons, com o mesmo mar, mas contendo um quark de valência e um antiquark de valência. Partículas desse tipo são chamadas de " mésons ". Na fig. 2 Esbocei um meson típico e um barion típico. O meson mais simples é chamado de " peônia "; é a partícula mais comum de prótons obtida com colisões com prótons no Large Hadron Collider.


Fig. 2: valence quarks vermelho, antiquarks azul; quarks do mar, antiquarks e glúons pretos.

Mas na década de 1960, o fato de que os mésons e os bárions são constituídos por quarks e glúons era apenas uma ideia - e ela competiu com a proposta de que os mésons fossem pequenos fios. Apresso-me a esclarecer que não são seqüências da “teoria de tudo”, que pode ser lida nos livros de Brian Green , e que são bilhões de bilhões de vezes menores que o próton. Nas seqüências da "teoria de tudo", todos os tipos de partículas da natureza, incluindo elétrons, fótons e bósons de Higgs, são minúsculas. E agora estou falando de strings da "teoria dos mésons" - não uma idéia tão ambiciosa, segundo a qual as strings são apenas mésons. Eles são muito maiores: seu comprimento é comparável ao diâmetro do próton. Para os seres humanos, este é um tamanho pequeno, mas comparado com as seqüências da "teoria de tudo" - uma gigantesca.

Por que as pessoas pensam que os mésons são cordas? Porque houve confirmações experimentais para isso ! E essa evidência não desapareceu após a descoberta de quarks. Em vez disso, os físicos teóricos gradualmente entenderam melhor por que quarks e glúons são capazes de produzir mésons que se comportam de maneira semelhante a cordas. Se você torcer rapidamente um méson (e isso pode acontecer por acaso em um experimento), seu quark e antiquark de valência podem se separar, e um mar de objetos entre eles forma um "tubo de fluxo" (veja a Fig. 3). (Em alguns supercondutores, tubos de fluxo semelhantes podem captar campos magnéticos.) Parece mais uma corda grossa do que uma corda fina, mas ainda possui algumas propriedades comuns com a corda, para que possamos obter resultados experimentais semelhantes às previsões da teoria das cordas.


Fig. 3

Portanto, desde meados da década de 1970, as pessoas têm certeza de que a teoria quântica de campos, como a que descreve quarks e glúons, pode dar origem a objetos que se comportam como cordas. Muitos físicos - incluindo os mais famosos e respeitados - fizeram afirmações ainda mais ousadas: que a teoria quântica de campos e a teoria das cordas estão profundamente interconectadas em um nível fundamental. Mas eles não podiam indicar exatamente como; eles tinham evidências claras, mas não eram completamente claros e convincentes.

Em particular, havia um importante mistério não resolvido. Se mésons são cordas, o que são bárions? O que são prótons e nêutrons, com seus três quarks de valência? Como eles serão se forem promovidos rapidamente? As pessoas pintavam imagens um pouco como arroz. 3. O barião pode se transformar em três tubos de fluxo conectados (e um, possivelmente, será muito mais longo que os outros dois), cada um dos quais terá seu próprio quark de valência no final. Esse barion consistiria em três cordas, cada uma das quais tem um final livre, tendo uma junção comum. Este composto foi chamado de "vértice bariônico". Se os mésons são pequenas cordas, objetos fundamentais na teoria das cordas, o que é um vértice bárion em termos da teoria das cordas? Onde ela se esconde na matemática da teoria das cordas e em que consiste?


Fig. 4

(Nota: o topo não está conectado de forma alguma com quarks. Isso é uma propriedade do mar - especificamente, glúons. Portanto, em um mundo onde há apenas um glúons - em um mundo cujas cordas formam laços sem terminações - deve ser possível, aplicando energia suficiente, criar um par de vértices / anti-vértice. Portanto, a teoria dos campos prevê que esses vértices devem existir em teorias de cadeia fechada, embora devam ser linearmente delimitados.)

Ninguem sabia. Mas não é interessante que a característica mais distintiva desse pico tenha sido o local ao qual o final da corda estava ligado?

No período de 1997 a 2000, tudo mudou. Seguindo as idéias propostas por muitos outros físicos e usando a D-brana como ferramenta principal, Juan Maldacena finalmente construiu essa conexão exata entre a teoria quântica de campos e a teoria das cordas. Ele foi capaz de conectar as cordas com a gravidade e dimensões adicionais , que podem ser lidas nos livros de Brown Green, com a física de partículas em apenas três dimensões espaciais, semelhantes ao mundo real e na presença de forças não gravitacionais. Logo ficou claro que as idéias mais ambiciosas e radicais dos anos 70 estavam corretas: que quase qualquer teoria quântica de campos, com suas partículas e interações, pode ser considerada uma teoria das cordas. É um pouco como a mesma imagem pode ser descrita em inglês ou japonês: campos / partículas e cordas / gravidade neste contexto são duas línguas muito diferentes que falam sobre a mesma coisa.

A saga do pico bariônico iniciou um novo caminho em maio de 1998, quando Ed Whitten mostrou como um pico semelhante aparece nos exemplos de Maldasena. Não é de surpreender que esse pico seja uma D-brana - especificamente, uma partícula D, um objeto no qual as cordas podem terminar, se estendendo de quarks em movimento livre. Este resultado não foi completamente satisfatório, uma vez que os glúons e quarks dos exemplos de Maldasena se movem livremente sem formar mésons ou bárions. Consequentemente, o vértice do bárion não é um objeto físico; se feito, dissolve-se rapidamente em nada. No entanto, a partir do trabalho de Whitten, ficou claro o que estava acontecendo. Na medida em que os mésons reais podem ser considerados cordas, prótons e nêutrons reais podem ser considerados cordões conectados a uma D-brana.

Exemplos mais realistas encontrados pelos teóricos não precisaram esperar muito. Não lembro quem foi o primeiro, mas sei que um dos primeiros exemplos apareceu em nosso trabalho com Joe em 2000.

Trabalhando com Joe

Este projeto apareceu durante minha visita em setembro de 1999 ao KITP (Instituto Cavley de Física Teórica) em Santa Barbara, onde Joe trabalhava. Pouco antes, descobriu-se que eu estava estudando a teoria de campo chamada N = 1 *, que era apenas ligeiramente diferente dos exemplos de Maldasena, nos quais objetos semelhantes a mésons podiam se formar. Um dos primeiros relatórios que ouvi quando cheguei ao KITP foi Rob Myers sobre a descoberta da estranha propriedade D-brane. Durante a palestra, ocorreu uma conexão entre a observação de Myers e uma das propriedades da teoria N = 1 *, e eu experimentei o momento da iluminação, durante o qual vivem os físicos. De repente, percebi como deveria ser a teoria das cordas, descrevendo a teoria dos campos N = 1 *.

Mas eu não gostei desta resposta. Tornou-se óbvio que cálculos detalhados seriam extremamente difíceis e exigiriam o uso de aspectos da teoria das cordas sobre os quais eu quase nada sabia (branas curvas não holomorfas na geometria curvada de dimensões mais altas). Tudo o que eu esperava enquanto trabalhava sozinho era escrever um trabalho conceitual com um monte de fotos e predominância de hipóteses sobre fatos prováveis.

Mas eu estava no KITP. Joe e eu tínhamos um bom entendimento por algum tempo e sabia que as mesmas perguntas pareciam interessantes para nós. E Joe era um mestre das farinhas; ele sabia tudo sobre D-branas. Então, decidi que a melhor saída para mim seria convencer Joe a se juntar ao trabalho. Comecei a implorar persistentemente e, felizmente, funcionou.

Voltei para a costa leste e Joe e eu começamos a trabalhar. Uma vez em uma semana ou duas, Joe me enviava notas de pesquisa com cálculos preliminares sobre a teoria das cordas. O nível de complexidade técnica deles era tão alto e havia tão poucos momentos de treinamento que eu me sentia criança; Eu mal conseguia entender o que estava acontecendo. Nós progredimos lentamente. Joe fez cálculos preliminares importantes, mas foi muito difícil para mim segui-los. E se os cálculos preliminares da teoria das cordas fossem tão complicados, poderíamos esperar resolver todo o problema? Até Joe estava um pouco preocupado.

Depois que recebi uma mensagem cheia de cacarejos vitoriosos - algo como “nós os criamos!”, Um clima que qualquer pessoa familiarizada com Joe poderia reconhecer. Usando um truque fantástico, ele descobriu como usar seus cálculos preliminares para facilitar a tarefa completa! Em vez de meses de trabalho duro, descobrimos que estávamos quase terminando.

E a partir desse momento o trabalho se tornou muito interessante! Quase toda semana evoluiu assim. Refleti sobre o fenômeno conhecido por mim na teoria quântica de campos, que deve ser descrita do ponto de vista da teoria das cordas - como o vértice do barion. Eu sabia o suficiente sobre D-branes para desenvolver uma prova heurística de como isso deveria parecer. Liguei para Joe, contei a ele sobre isso e talvez lhe enviei rascunhos. Alguns dias depois, um conjunto de notas contendo cálculos completos confirmando esse fenômeno veio por email. Cada cálculo foi único, precioso, incluindo um estudo característico de D-branas exóticas localizadas em espaço curvo. Era de tirar o fôlego observar a velocidade com que Joe trabalhava, a amplitude e profundidade de seu talento matemático, sua incomparável compreensão dessas branas.

Ao longo dos anos de nossa colaboração, quando queríamos nos aprofundar nas equações, isso sempre foi algo assim; Joe inevitavelmente me deixou para trás, balançando a cabeça com espanto. Esta é a minha falha - para um físico eu faço um cálculo razoavelmente médio. Mas Joe era incrivelmente bom nisso.

Felizmente para mim, foi possível gostar de trabalhar juntos, porque eu quase sempre conseguia manter o ritmo de Joe no campo dos problemas conceituais e às vezes o ultrapassava. Entre minhas memórias favoritas como cientista, há momentos em que ensinei a Joe algo que ele não sabia; ele ficou em silêncio por alguns segundos, assentiu rapidamente e, entendendo o problema, fez um olhar atento, apertando os olhos e abrindo a boca. "Sim, sim", ele costumava.

Outra faceta de Joe se abriu enquanto trabalhava em nosso segundo trabalho científico. Ficamos no saguão do KITP, conversando sobre um novo tópico, e mesmo antes de decidirmos em que tipo de assunto estávamos trabalhando, Joe subitamente adivinhou a resposta!E não consegui que ele explicasse o problema que havia resolvido, sem mencionar que buscava uma solução em poucos dias! Foi confuso.

Essa era outra habilidade clássica de Joe. Às vezes, sabia que havia encontrado uma pista (e quase sempre se mostrava certa), mas não conseguiu dizer nada definitivo sobre isso até pensar alguns dias e transformar suas idéias em equações. Durante nosso trabalho conjunto, isso aconteceu várias vezes. (Eu nunca disse a ele "Use as palavras, Joe", mas aparentemente era necessário). De algum modo, sua mente trabalhava em áreas não sujeitas à linguagem e, como nenhum de nós, estando fora de seu cérebro, entenderia. Havia algo do oráculo nele.

Olhando o horizonte

Depois de 2006, nossos interesses divergiram gradualmente; Concentrei-me no Large Hadron Collider (também conhecido como Large D-brane Collider), e Joe, depois de vários estudos, decidiu resolver os horizontes dos buracos negros e o paradoxo da informação . Mas gostei do trabalho dele à distância, especialmente quando, em 2012, Joe e três colegas (Ahmed Almeyri, Don Marolf e James Sally) explodiram a ideia de complementaridade de buracos negros, que muitos esperavam resolver o paradoxo da informação. Os remanescentes dessa idéia ainda estão fumando, e o paradoxo ainda está aqui.

Então Joe ficou doente e começamos a perdê-lo - em uma idade muito jovem. Um de seus últimos presentes para nós foram suas memórias, das quais cada um de nós aprendeu algo sobre ele que não conhecíamos antes. Finalmente, ele cruzou o horizonte, por causa do qual eles não retornaram. Se não houver firewall, ele finalmente descobriu.

Podemos refletir sobre o que acontecerá com a herança científica de Joe em algumas décadas? É difícil prever como o trabalho do teórico será avaliado em cem anos; às vezes as mudanças ocorrem em uma direção inesperada, e o que parece sem importância agora pode se tornar a principal coisa no futuro - como aconteceu com os D-branes durante os anos 90. Para aqueles que trabalham com eles hoje, as D-branas na teoria das cordas são claramente a descoberta mais importante de Joe - embora sua contribuição para a nossa compreensão de buracos negros, cordas cósmicas e aspectos da teoria de campos não seja esquecida tão cedo ou talvez nunca. Mas quem sabe? Em 2100, a teoria das cordas pode vir a ser uma teoria da gravidade geralmente aceita ou uma ferramenta pouco conhecida para o estudo de campos quânticos.

Mas, mesmo que o último aconteça, ainda suspeito que Joe seja lembrado pelas D-branas. Porque - como tentei provar - eles são reais. Realmente real. Em cada próton, em cada nêutron, há um. Nossos corpos os contêm bilhões de bilhões de bilhões. Por essa idéia, por essa contribuição elementar ao conhecimento humano, nossos descendentes devem culpar Joseph Polchinski.



Obrigado por tudo, Joe. Sentiremos muita falta. Você sempre nos ensinou novas maneiras de olhar para o mundo e até para nós mesmos.