Strengelandskapet kan være en fascinerende idé som er full av teoretisk potensial, men det spår ikke noe vi kan observere i vårt univers. Denne ideen om skjønnhet, motivert av å løse ‘unaturlige’ problemer, er ikke nok på egen hånd til å stige til det nivået som kreves av vitenskapen. (University of Cambridge)

Kaster bort teoretisk fysikk våre beste levende sinn på tull?

Det er ikke noe som heter en teori som er for vakker til å ta feil, hvis den ikke stemmer overens med eksperimentet.

Fysikkens historie er fylt med gode ideer som du har hørt om, som Standardmodellen, Big Bang, General Relativity, og så videre. Men den er også fylt med strålende ideer som du sannsynligvis ikke har hørt om, som Sakata-modellen, Technicolor-teorien, Steady State Model. og plasma-kosmologi. I dag har vi teorier som er svært fasjonable, men uten bevis for dem: supersymmetri, storslått forening, strengteori og multiverset.

På grunn av måten feltet er strukturert, forankret i en sycophancy av ideer, er karrierer i teoretisk høyenergifysikk som fokuserer på disse temaene ofte vellykkede. På den annen side betyr det å velge andre temaer å gå det alene. Ideen om "skjønnhet" eller "naturlighet" har vært et ledende prinsipp i fysikken i lang tid, og har ført oss til dette punktet. I sin nye bok, Lost In Math, argumenterer Sabine Hossenfelder overbevisende for at å fortsette å holde seg til dette prinsippet er akkurat det som fører oss på villspor.

Den nye boka, Lost In Math, takler noen utrolig store ideer, inkludert forestillingen om at teoretisk fysikk er gjengitt i gruppetanken og manglende evne til å konfrontere ideene sine med virkelighetens tøffe lys, som gir (så langt) ingen bevis for å sikkerhetskopiere dem . (Sabine Hossenfelder / Grunnbøker)

Se for deg at du fikk et hypotetisk problem med å plukke ut to milliardærer fra listen, og estimere forskjellen i nettoformuen. Se for deg at de er anonyme, og at du ikke vil vite hvilken som er verdt mer, hvor de rangerer på Forbes-milliardærlisten, eller hvor mye en av dem faktisk er verdt for øyeblikket.

Vi kan kalle den første A, den andre B, og forskjellen mellom dem C, der A - B = C. Selv uten annen kunnskap om dem, er det en viktig ting du kan si om C: det er veldig usannsynlig at det vil være mye, mye mindre enn A eller B. Med andre ord, hvis A og B begge er i milliarder av dollar, er det sannsynlig at C vil være i milliardene også, eller i det minste i hundrevis av millioner.

Når du generelt har to store tall og tar forskjellen, vil forskjellen være av samme størrelsesorden som de aktuelle originaltallene. (E. Siegel / data fra Forbes)

For eksempel kan A være Pat Stryker (nr. 703 på listen), verdt, la oss si, $ 3,592,327,960. Og B kan være David Geffen (# 190), verdt 8 467 103 235 dollar. Forskjellen mellom dem, eller A - B, er da - $ 4.874.775.275. C har et skudd på 50/50 for å være positivt eller negativt, men i de fleste tilfeller kommer det til å være av samme størrelsesorden (innenfor en faktor på 10 eller så) av begge Aand B.

Men det vil ikke alltid være. For eksempel er de fleste av de over 2200 milliardærene i verden verdt under 2 milliarder dollar, og det er hundrevis verdt mellom 1 milliard og 1,2 milliarder dollar. Hvis du tilfeldigvis valgte to av dem tilfeldig, ville det ikke overraske deg veldig hvis forskjellen i deres nettoformue bare var noen titalls millioner dollar.

Gründerne Tyler Winklevoss og Cameron Winklevoss diskuterer bitcoin med Maria Bartiromo ved FOX Studios 11. desember 2017. De første ‘bitcoin billionaires’ i verden, deres nettoforhold er praktisk talt identiske, men det er en underliggende grunn bak hvorfor. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Det kan imidlertid overraske deg om forskjellen mellom dem bare var noen få tusenlapper, eller var null. "Hvor usannsynlig," vil du tro. Men det er kanskje ikke så usannsynlig i det hele tatt.

Tross alt vet du ikke hvilke milliardærer som var på listen din. Ville du bli sjokkert over å lære at Winklevoss-tvillingene - Cameron og Tyler, de første Bitcoin-milliardærene - hadde samme nettoverdier? Eller at Collison-brødrene, Patrick og John (medstiftere av Stripe), var verdt det samme beløpet til i løpet av noen hundre dollar?

Nei. Dette ville ikke være overraskende, og det avslører en sannhet om store antall: Generelt hvis A er stort og B er stort, vil A - B også være stort ... men det vil ikke være hvis det er noen grunn til at A og B er veldig nær hverandre. Distribusjonen av milliardærer er ikke helt tilfeldig, skjønner du, og det kan derfor være en eller annen underliggende årsak til at disse to tilsynelatende ikke-relaterte tingene faktisk skal ha sammenheng. (For Collisons eller Winklevosses, bokstavelig talt!)

Massene av kvarkene og leptonene i standardmodellen. Den tyngste standardmodellpartikkelen er toppkvarken; den letteste ikke-nøytrinoen er elektronet. Selve nøytrinoene er minst 4 millioner ganger lettere enn elektronet: en større forskjell enn det er mellom alle de andre partiklene. Helt i den andre enden av skalaen henger Planck-skalaen på en forhåndsbestemt 10¹⁹ GeV.Hitoshi Murayama fra http://hitoshi.berkeley.edu/)

Denne samme egenskapen er sant i fysikken. Elektronet, den letteste partikkelen som utgjør atomene vi finner på jorden, er mer enn 300 000 ganger mindre massiv enn toppkvarken, den tyngste standardmodellpartikkelen. Nøytrinoene er minst fire millioner ganger lettere enn elektronet, mens Planck-massen - den såkalte "naturlige" energiskalaen for universet - er omtrent 10¹⁷ (eller 100.000.000.000.000.000.000) ganger tyngre enn toppkvarken.

Hvis du ikke var klar over noen underliggende årsak til at disse massene skulle være så forskjellige, vil du anta at det var noen grunn til det. Og kanskje er det en. Denne typen tenkning er kjent som en finjustering eller "naturlighet" -argument. I sin enkleste form sier det at det burde være en slags fysisk forklaring på hvorfor komponenter av universet med veldig forskjellige egenskaper burde ha disse forskjellene mellom seg.

Når symmetrier gjenopprettes (på toppen av potensialet), skjer en enhet. Imidlertid tilsvarer brudd på symmetrier, helt nederst i bakken, Universet vi har i dag, komplett med nye arter av massive partikler. I det minste for noen applikasjoner. (Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011))

På 1900-tallet brukte fysikere naturlighetens argumenter til stor effekt. En måte å forklare store forskjeller på skala på er å pålegge en symmetri ved høye energier, og deretter studere konsekvensene av å bryte den ved en lavere energi. En rekke gode ideer kom ut av dette resonnementet, spesielt innen partikkelfysikk. Målebosonene i elektroweak-styrken kom fra denne tankegangen, det samme gjorde Higgs-mekanismen, og som ble bekreftet for bare noen år siden, Higgs-bosonet. Hele standardmodellen var bygget på denne typen symmetrier og naturlighetskonflikter, og naturen stemte tilfeldigvis med våre beste teorier.

Partiklene og antipartiklene til standardmodellen er nå alle blitt direkte påvist, med den siste holdout, Higgs Boson, som falt ved LHC tidligere dette tiåret. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

En annen stor suksess var kosmisk inflasjon. Universet trengte å ha vært finjustert i stor grad i de tidlige stadiene for å produsere universet vi ser i dag. Balansen mellom utvidelsesgraden, den romlige krumningen og mengden materie og energi i den må ha vært ekstraordinær; det ser ut til å være unaturlig. Kosmisk inflasjon var en foreslått mekanisme for å forklare den, og har siden fått mange av sine spådommer bekreftet, for eksempel:

  • et nesten skala-invariant spekter av svingninger,
  • eksistensen av overdensiteter og underdensiteter i superhorisonten,
  • med tetthetsmessige ufullkommenheter som er adiabatiske.
  • og en øvre grense for temperaturen nådd i det tidlige, etter Big Bang Universe.
Kvantumsvingningene som oppstår under inflasjonen blir strukket over hele universet, og når inflasjonen slutter, blir de tetthetssvingninger. Dette fører over tid til den storskala strukturen i universet i dag, samt svingningene i temperatur observert i CMB. (E. Siegel, med bilder hentet fra ESA / Planck og DoE / NASA / NSF interagency taskforce på CMB-forskning)

Til tross for suksessene med disse naturlighetens argumenter, bærer de ikke alltid frukt.

Det er en unaturlig liten mengde CP-krenkelse i de sterke forfallene. Den foreslåtte løsningen (en ny symmetri kjent som Peccei-Quinn-symmetrien) har fått null av sine nye spådommer bekreftet. Forskjellen i masseskala mellom den tyngste partikkelen og Planck-skalaen (hierarkiproblemet) var motivasjonen for supersymmetri; igjen, det har fått null av sine spådommer bekreftet. Det unaturlige med Standard Model har ført til nye symmetrier i form av Grand Unification og, nylig, String Theory, som (igjen) ikke har fått noen av sine spådommer bekreftet. Og den unaturlig lave men ikke-nullverdien til den kosmologiske konstanten har ført til spådommer om en spesifikk type multiverse som ikke en gang kan testes. Også dette er selvfølgelig ubekreftet.

Standardmodellpartiklene og deres supersymmetriske motstykker. Litt under 50% av disse partiklene er blitt oppdaget, og drøyt 50% har aldri vist spor at de eksisterer. I kjølvannet av løp I og II på LHC er mye av det interessante parameterrommet for SUSY borte, inkludert de enkleste versjonene som tilfredsstiller ‘WIMP Miracle’ kriteriene. (Claire David / CERN)

Likevel, i motsetning til tidligere, fortsetter disse blindveiene å representere feltene der de ledende teoretikerne og eksperimentellene klynger seg for å undersøke. Disse blinde smugene, som ikke har båret frukt i bokstavelig talt to generasjoner fysikere, fortsetter å tiltrekke finansiering og oppmerksomhet, til tross for at de muligens er koblet helt fra virkeligheten. I sin nye bok, Lost In Math, konfronterer Sabine Hossenfelder krisehodet adroitly med å intervjue mainstream-forskere, Nobelpristagere og (ikke-crackpot) motstandere. Du kan føle frustrasjonen hennes, og også desperasjonen fra mange av de hun snakker med. Boken svarer på spørsmålet om “har vi latt ønske om å tenke på hvilke hemmeligheter naturen holder for dommen vår?” Med et rungende “ja!”

En asymmetri mellom bosoner og antibosoner som er felles for store enhetsteorier som SU (5) -forening, kan gi opphav til en grunnleggende asymmetri mellom materie og antimaterie, på lik linje med hva vi observerer i vårt univers. Protonens eksperimentelle stabilitet utelukker imidlertid de enkleste SU (5) GUT-ene. (E. Siegel)

Boken er en vill, dyp, tankevekkende lesning som vil gjøre at enhver rimelig person i feltet som fremdeles er i stand til introspeksjon, tviler på seg selv. Ingen liker å konfrontere muligheten for å ha kastet bort livene sine og jaget en fantasi fra en idé, men det er det å være teoretiker handler om. Du ser noen få stykker av et ufullstendig puslespill og gjetter hva hele bildet virkelig er; de fleste ganger tar du feil. I disse tilfellene har kanskje alle gjetningene våre vært gale. I min favorittutveksling intervjuer hun Steven Weinberg, som trekker frem sin enorme erfaring innen fysikk for å forklare hvorfor naturlighetens argumenter er gode guider for teoretiske fysikere. Men han klarer bare å overbevise oss om at de var gode ideer for klasser av problemer de tidligere lyktes med å løse. Det er ingen garanti for at de vil være gode guideposter for de aktuelle problemene; faktisk har de beviselig ikke vært det.

En 2-D projeksjon av en Calabi-Yau-manifold, en populær metode for å komprimere de ekstra, uønskede dimensjonene til String Theory. Maldacena-antagelsen sier at anti-de Sitter-rommet er matematisk dobbelt for å konforme feltteorier i en færre dimensjon. Dette kan ikke ha noen relevans for fysikken i vårt univers. (Wikimedia Commons bruker lunsj)

Hvis du er en teoretisk partikkelfysiker, en strengteoretiker eller en fenomenolog - spesielt hvis du lider av kognitiv dissonans - vil du ikke like denne boken. Hvis du er en sann troende på naturlighet som ledende lys for teoretisk fysikk, vil denne boken irritere deg enormt. Men hvis du er noen som ikke er redd for å stille det store spørsmålet om “gjør vi alt galt”, kan svaret være et stort, ubehagelig “ja.” De av oss som er intellektuelt ærlige fysikere har levd med dette ubehaget i mange tiår nå. I Sabines bok, Lost In Math, blir dette ubehaget nå tilgjengelig for resten av oss.

* - Full avsløring: Ethan Siegel mottok en gjennomgangskopi av Lost In Math uten kostnad.

Starts With A Bang er nå på Forbes, og utgitt på Medium takket være Patreon-supporterne. Ethan har forfatter to bøker, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.