Lehet, hogy a vonós táj egy lenyűgöző ötlet tele van elméleti potenciállal, ám nem jósol semmit, amit megfigyelhetünk az univerzumunkban. A szépség ezen ötlete, amelyet a „természetellenes” problémák megoldása motivál, önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a tudomány által megkövetelt szintre emelkedjen. (Cambridge-i Egyetem)

Az elméleti fizika ostobaságig veszi a legjobban élő elménket?

Nincs olyan elmélet, amely túl szép ahhoz, hogy tévedjen, ha nem ért egyet a kísérlettel.

A fizika története tele van nagyszerű ötletekkel, amelyekről Ön már hallott, mint például a standard modell, a nagy robbanás, az általános relativitás és így tovább. De olyan ragyogó ötletekkel is tele van, amelyekről valószínűleg még nem hallottál, mint például a Sakata modell, a Technicolor elmélet, a Steady State Model. és plazma kozmológia. Manapság nagyon divatos elméletek vannak, de nekik nincs bizonyítékuk: szuperszimmetria, nagy egyesülés, húr elmélet és a multiverse.

A mező szerkezetének, az ötletek egymás utáni formájának elmélyülése miatt az elméleti nagy energiájú fizika karrierje, amely ezekre a témákra összpontosít, gyakran sikeres. Másrészt, ha más témákat választ, azt magában foglalja. A „szépség” vagy a „természetesség” gondolata már hosszú ideje a fizika vezérelve, és odavezet minket erre a pontra. Sabine Hossenfelder új, Lost In Math könyvében meggyőzően állítja, hogy ennek az elvnek a tiszteletben tartása pontosan az, ami téved.

Az új, Lost In Math könyv néhány hihetetlenül nagy ötlettel foglalkozik, ideértve azt az elképzelést, miszerint az elméleti fizika csoportos gondolkodásba merül, és az a képesség, hogy elképzeléseikkel szemben ne álljon a valóság durva fényével, amely (eddig) nem nyújt bizonyítékot arra, hogy ezeket támassza alá. . (Sabine Hossenfelder / Alapvető könyvek)

Képzelje el, hogy egy hipotetikus probléma merült fel azzal, hogy két milliárdot választott ki egy listáról, és megbecsülte nettó értékük különbségét. Képzelje el, hogy anonimok, és hogy nem fogja tudni, hogy melyiknél többet érdemel, hol vannak a Forbes milliárdosok listáján, vagy hogy egy adott pillanatban mennyit érdemes megtenni.

Az elsőt A-nak, a második B-nek, és a köztük lévő különbséget C-ként hívhatjuk, ahol A - B = C. Még bármiféle más tudás nélkül is van egy fontos dolog, amit a C-ről kijelenthetünk: nagyon valószínűtlen, hogy ez sokkal, sokkal kisebb, mint A vagy B. Más szavakkal, ha A és B egyaránt milliárd dollárban vannak, akkor valószínű, hogy C is milliárdokban lesz, vagy legalább a több száz millióban.

Ha általában két nagy szám van, és figyelembe vesszük a különbséget, a különbség ugyanolyan nagyságrendű lesz, mint a kérdéses eredeti számok. (E. Siegel / a Forbes adatai)

Például A lehet Pat Stryker (a listán a 703. számú), érdemes, mondjuk, 3 592 327 960 USD. És B lehet David Geffen (# 190), értéke 8 467 103 235 dollár. A különbség közöttük, vagy az A - B, akkor - 4 874 775 275 dollár. A C-nek 50/50-es pozitív vagy negatív képe van, de a legtöbb esetben ugyanolyan nagyságrendű (körülbelül 10-es tényezőn belül) lesz mind az A, mind a B között.

De nem mindig lesz. Például a világ több mint 2200 milliárdosának legtöbbje kevesebb, mint 2 milliárd dollár értékű, és százanként 1 milliárd és 1,2 milliárd dollár között lehet. Ha véletlenszerűen választott volna egyet közülük, akkor nem meglepő, ha nettó vagyonukban csak néhány tízmillió dollár különbség lenne.

Tyler Winklevoss és Cameron Winklevoss vállalkozók 2017. december 11-én vitatták meg a bitcoint Maria Bartiromo-val a FOX Studios-ban. A világ első „bitcoin milliárdosai”, nettó vagyonuk gyakorlatilag azonos, de ennek oka van. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Meglephet azonban, ha a különbség közöttük csak néhány ezer dollár volt, vagy nulla. - Milyen valószínűtlen - gondolja. De talán nem minden valószínűtlen.

Végül is nem tudja, melyik milliárdos volt a listán. Megdöbbentő lenne, ha megtudja, hogy a Winklevoss ikrek - Cameron és Tyler, az első Bitcoin milliomosok - azonos nettó értékkel rendelkeznek? Vagy hogy a Collison testvérei, Patrick és John (a Stripe társalapítói) ugyanannyit érnek, néhány száz dollárban?

Nem. Ez nem lenne meglepő, és nagyszámokról ad igazságot: általában ha A nagy és B nagy, akkor A - B is nagy lesz ... de nem lesz, ha van valamilyen ok, hogy A és B nagyon közel vannak egymáshoz. Látja, hogy a milliárdosok eloszlása ​​nem teljesen véletlenszerű, ezért lehet, hogy van valami alapvető oka annak, hogy e két látszólag egymással nem összefüggő dolog valójában összekapcsolódjon. (Az ütközés vagy a Winklevosses esetében szó szerint!)

A kvarkok és a leptonok tömege a standard modellben. A legnehezebb standard részecske a felső kvarc; a legkönnyebb nem neutrino az elektron. Maguk a neutrinók legalább négymilliószor könnyebbek, mint az elektron: nagyobb különbség, mint az összes többi részecske között. A skála másik végénél a Planck-skála egy előre elnyomódó 10 ⁹ GeV.Hitoshi Murayama (a http://hitoshi.berkeley.edu//) oldalán lebeg.

Ugyanez a tulajdonság igaz a fizikára is. Az elektron, a legkönnyebb részecske, amely alkotja a földön található atomokat, több mint 300 000-szer kevésbé masszív, mint a felső kvarc, a legnehezebb standard modell részecske. A neutrinók legalább négymilliószor könnyebbek, mint az elektron, míg a Planck tömege - az úgynevezett „természetes” energia skála az univerzum számára - körülbelül 10¹ (vagy 100 000 000 000 000 000) alkalommal nehezebb, mint a felső kvarc.

Ha nem tudott volna semmiféle okot, ami miatt ezeknek a tömegeknek olyan eltérőnek kell lennie, akkor feltételezheti, hogy van ennek oka. És talán van egy. Az ilyen típusú gondolkodást finomhangoló vagy „természetesség” érvelésnek nevezik. A legegyszerűbb formában azt állítja, hogy legyen valamilyen fizikai magyarázat arra, hogy miért kell az Univerzum nagyon eltérő tulajdonságokkal rendelkező alkotóelemei között ezek a különbségek.

A szimmetriák helyreállításakor (a potenciál tetején) az egyesülés megtörténik. A szimmetriák törése a domb alján azonban megfelel a mai világegyetemnek, új, hatalmas részecskékkel kiegészítve. Legalább néhány alkalmazáshoz. (Luis Álvarez-Gaumé és John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011))

A 20. században a fizikusok a természetességgel kapcsolatos érveket használtak nagy hatással. Az egyik módja annak, hogy megmagyarázza a nagy méretbeli különbségeket, ha nagy energiákra szimmetriát írunk elő, majd tanulmányozzuk annak következményeit, ha alacsonyabb energiával törjük meg. Számos nagyszerű ötlet jött ki ennek az érvelésnek, különösen a részecskefizika területén. Az elektromos fénysugár erőszintjei ebben a gondolatmenetben jöttek létre, csakúgy, mint a Higgsi mechanizmus és, amint csak néhány évvel ezelőtt megerősítették, a Higgs-bozon. A teljes standard modell az ilyen típusú szimmetriákra és természeti érvekre épült, és a természet véletlenül egyetértett a legjobb elméleteinkkel.

A standard modell részecskéit és részecskéit közvetlenül detektálták, az utolsó visszatartással, a Higgs Bosonnal, amely az évtized elején esett az LHC-be. (E. Siegel / A galaxison túl)

Egy másik nagy siker volt a kozmikus infláció. Az Univerzumot a korai szakaszokban nagymértékben finoman be kellett hangolni, hogy létrehozzuk a mai világegyetemet. A tágulási sebesség, a térbeli görbület, valamint az anyag- és energiamennyiség közötti egyensúlynak rendkívülinek kellett lennie; természetellenesnek tűnik. A kozmikus infláció javasolt mechanizmus volt annak magyarázatára, és azóta számos előrejelzését megerősítette, például:

  • szinte invariáns ingadozások spektruma,
  • a szuperhorizont túlzott és túlzott mértékű megléte,
  • adiabatikus jellegű sűrűségi hiányosságokkal,
  • és a hőmérséklet felső határa a korai, a Nagyrobbanás utáni univerzumban.
Az infláció során bekövetkező kvantumingadozások az egész világegyetemre kiterjednek, és amikor az infláció véget ér, sűrűségingadozásokká válnak. Ez idővel a nagy világegyetem szerkezetéhez, valamint a CMB-ben megfigyelt hőmérsékleti ingadozásokhoz vezet. (E. Siegel, az ESA / Planck és a DoE / NASA / NSF interaktív munkacsoport CMB-kutatásokból származó képeivel)

De a természetességgel kapcsolatos érvek sikere ellenére nem mindig hoznak gyümölcsöt.

Természetesen csekély mennyiségű CP-megsértés van az erős hanyatlás során. A javasolt megoldásnak (egy új szimmetria, a Peccei-Quinn szimmetria néven ismert) új előrejelzései nulla megerősítésre kerültek. A nehezebb részecskék és a Planck-skála (tömegsáv) közötti különbség (a hierarchiaprobléma) motiválta a szuperszimmetriát; megint nem volt megerősítve az előrejelzései. A standard modell természetellenessége új szimmetriákat vezetett a Grand Unifikáció és a közelmúltban a String Theory formájában, amelyek (ismét) egyik előrejelzésük sem igazolódott. És a kozmológiai állandó természetellenesen alacsony, de nulla értéke vezetett egy olyan többfajta típus előrejelzéséhez, amelyet még nem is lehet tesztelni. Természetesen ezt sem erősítik meg.

A standard modell részecskék és szuperszimmetrikus párjuk. Ezen részecskék kissé kevesebb, mint 50% -át fedezték fel, és alig több mint 50% -uk még soha nem mutatott nyomot, hogy léteznek. Az LHC I. és II. Futása után a SUSY érdekes paramétereinek nagy része eltűnt, ideértve a legegyszerűbb verziókat is, amelyek megfelelnek a „WIMP csoda” kritériumainak. (Claire David / CERN)

Mégis, a múltban ellentétben, ezek a zsákutcák továbbra is azokat a területeket reprezentálják, amelyeken a vezető teoretikusok és kísérletezők csoportosulnak. Ezek a vak sikátorok, amelyek szó szerint szó szerint a fizikusok két generációja nem hoztak eredményt, továbbra is finanszírozást és figyelmet szentelnek annak ellenére, hogy valószínűleg teljesen függetlenek a valóságtól. Új könyvében, a Lost In Math-ban Sabine Hossenfelder hamisan szembesül ezzel a válsággal, interjút késztetve a mainstream tudósokkal, a Nobel-díjasokkal és a (nem crackpot) kontradiktorokkal. Érezheti a csalódását és sok ember kétségbeesését, akivel beszél. A könyv arra válaszol, hogy „hagytunk-e kívánságon átgondolva, hogy milyen titkok rejtik a természetünket az ítéletünkben?” Egy hangos igennel.

A nagy egységes elméletekben alkalmazott boszonok és anti-bozonok közötti aszimmetria, mint például az SU (5) egyesítés, alapvető aszimmetriát eredményezhet az anyag és az antianyag között, hasonlóan ahhoz, amit megfigyelünk az univerzumunkban. A proton kísérleti stabilitása azonban kizárja a legegyszerűbb SU (5) GUT-kat. (Siegel E.)

A könyv vad, mély, elgondolkodtató olvasmány, amely minden olyan ésszerű embert a téren, aki még mindig képes önellenőrzésre, megkérdőjelezi önmagát. Senki sem szereti szembesülni azzal a lehetőséggel, hogy az életét pazarolja egy ötlet fantázizmusát üldözve, ám teoretikusnak lenni a lényeg. Lát néhány darab hiányos puzzle-t, és kitalálhatja, mi a teljes kép valójában; legtöbbször tévedsz. Lehet, hogy ezekben az esetekben minden feltételezésünk téves. Kedvenc eszmecserám során Steven Weinbergrel készít interjút, aki a hatalmas fizikai tapasztalataira támaszkodik, hogy elmagyarázza, miért szolgálnak a természetességgel kapcsolatos érvek jó útmutatónak az elméleti fizikusok számára. De csak meggyőzni minket arról, hogy jó ötletek voltak a problémák azon osztályai számára, amelyeket korábban sikerült megoldani. Nincs garancia, hogy jó útmutatók lesznek a jelenlegi problémákhoz; valójában nyilvánvalóan nem voltak ilyenek.

A Calabi-Yau elosztó kétdimenziós vetítése, amely egy népszerű módszer a Húrelmélet extra, nem kívánt dimenzióinak tömörítésére. A Maldacena sejtése szerint az anti-de Sitter tér matematikai szempontból kettős a konformalus teretelméletekhez, kevesebb dimenzióban. Ennek valószínűleg nincs jelentősége az univerzum fizikájának. (Wikimedia Commons felhasználói ebéd)

Ha elméleti részecskefizikus, húr-teoretikus vagy fenomenológus vagy - különösen akkor, ha kognitív disszonanciától szenved -, nem fog tetszeni a könyv. Ha valóban hiszel a természetességben, mint az elméleti fizika irányadó fényében, ez a könyv óriási irritációt fog okozni. De ha olyan ember vagy, aki nem fél feltenni azt a nagy kérdést, hogy „vajon mindent rosszul csinálunk-e”, akkor a válasz nagy, kellemetlen „igen” lehet. A mi intellektuálisan őszinte fizikusok élünk ez a kellemetlenség már évtizedek óta. Sabine Lost In Math könyvében ezt a kellemetlenséget mostantól elérhetõvé tesszük a többiünk számára.

* - Teljes nyilvánosságra hozatal: Ethan Siegel ingyenesen megkapta a Lost In Math áttekintő példányát.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.