ما هي نظرية المجال الكمي ولماذا هي غير مكتملة؟

قد تكون نظرية المجال الكمي هي النظرية العلمية الأكثر نجاحًا على الإطلاق ، حيث تتنبأ بالنتائج التجريبية بدقة مذهلة وتقدم دراسة الرياضيات ذات الأبعاد الأعلى. ومع ذلك ، هناك أيضًا سبب للاعتقاد بأنه يفتقد شيئًا ما. يتحدث ستيفن ستروغاتز مع ديفيد تونج ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة كامبريدج ، لاستكشاف الأسئلة المفتوحة لهذه النظرية الغامضة.

استمع Apple Podcasts, سبوتيفي, Google Podcasts, الخياطة, TuneIn أو تطبيق البث المفضل لديك ، أو يمكنك ذلك دفقه من كوانتا.

النص الكامل

ستيفن ستروغاتز (00:03): أنا ستيف ستروغاتز ، وهذا هو فرحة لماذا، بودكاست من مجلة كوانتوم يأخذك إلى بعض من أكبر الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في الرياضيات والعلوم اليوم.

(00:12) إذا تساءلت يومًا عما صنعناه بالفعل ، فمن المحتمل أنك وجدت نفسك تنزل في حفرة اكتشافات الأرانب. تمامًا مثل الكائنات الحية الأخرى ، بالطبع ، نحن مكونون من خلايا. والخلايا ، بدورها ، مصنوعة من جزيئات وتتكون الجزيئات من الذرات. حفر أعمق وسرعان ما ستجد نفسك على مستوى الإلكترونات والكواركات. هذه هي الجسيمات التي اعتُبرت تقليديًا نهاية السطر ، اللبنات الأساسية للمادة.

(00:39) لكننا نعلم اليوم أن هذا ليس هذا هو الحال حقا. بدلاً من ذلك ، يخبرنا الفيزيائيون أنه على المستوى الأعمق ، يتكون كل شيء من كيانات غامضة ، مواد شبيهة بالسوائل نسميها الحقول الكمومية. تعمل هذه الحقول غير المرئية أحيانًا مثل الجسيمات ، وأحيانًا مثل الموجات. يمكنهم التفاعل مع بعضهم البعض. يمكنهم حتى ، بعضهم ، أن يتدفق من خلالنا. ال نظرية المجالات الكمومية يمكن القول أنجح نظرية علمية على الإطلاق. في بعض الحالات ، يقوم بعمل تنبؤات تتفق مع التجارب على عدد مذهل من المنازل العشرية يبلغ 12 منزلاً. علاوة على ذلك ، ألقت نظرية المجال الكمومي أيضًا ضوءًا هائلاً على أسئلة معينة في الرياضيات البحتة ، خاصةً في دراسة الأشكال رباعية الأبعاد وحتى المساحات ذات الأبعاد الأعلى. ومع ذلك ، هناك أيضًا سبب للاعتقاد بأن نظرية المجال الكمومي تفتقد شيئًا ما. يبدو أنه غير مكتمل رياضيا، مما يترك لنا العديد من الأسئلة دون إجابة.

(01:38) انضم إلي الآن لمناقشة كل هذا الأستاذ ديفيد تونغ. ديفيد عالم فيزياء نظرية في جامعة كامبريدج. تخصصه هو نظرية المجال الكمي ، وهو معروف أيضًا كمعلم ومعرض موهوب بشكل استثنائي. من بين العديد من الجوائز التي حصل عليها ، حصل على جائزة Adams في عام 2008 ، وهي واحدة من أكثر الجوائز المرموقة التي تمنحها جامعة كامبريدج. وهو أيضًا محقق في Simons ، وهي جائزة من مؤسسة Simons للعلماء وعلماء الرياضيات لدراسة الأسئلة الأساسية. تمول مؤسسة Simons أيضًا هذا البودكاست. ديفيد ، شكرًا جزيلاً لك على انضمامك إلينا اليوم.

ديفيد تونغ (02:15): مرحبًا ، ستيف. شكرا جزيلا لاستضافتي.

ستروغاتز: يسعدني أن تسنح لي الفرصة للتحدث إليكم. لقد استمتعت بقراءة محاضراتك على الإنترنت ومشاهدة بعض محادثاتك الرائعة على YouTube. لذلك هذا علاج رائع. لنبدأ بالأساسيات. سوف نتحدث عن المجالات اليوم. أخبرنا من الذي أنشأها. عادة ما يحصل مايكل فاراداي على الفضل. ماذا كانت فكرته؟ وماذا اكتشف؟

تونغ (02:37): كل شيء يعود إلى مايكل فاراداي. كان فاراداي أحد أعظم الفيزيائيين التجريبيين في كل العصور ، وكان فيزيائيًا تجريبيًا إلى حد كبير ، وليس منظِّرًا. ترك المدرسة في سن الرابعة عشرة. لم يكن يعرف الرياضيات. ومع ذلك ، فإنه من الرائع إلى حد ما أنه بنى هذا الحدس للطريقة التي يعمل بها الكون. هذا يعني أنه قدم حقًا أحد أهم المساهمات في الفيزياء النظرية. على مدار حوالي 14 عامًا ، كان يلعب بأفكار الكهرباء والمغناطيسية. كان يجلب المغناطيس ويلف الأسلاك النحاسية حولهم. لقد قام ببعض الأشياء المهمة إلى حد ما مثل اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي واختراع المحرك الكهربائي.

(03:19) وبعد حوالي 20 عامًا من ذلك ، قدم اقتراحًا جريئًا للغاية بأن الصور التي طبخها في ذهنه لشرح الطريقة التي تعمل بها الأشياء كانت في الواقع الوصف الصحيح للكون الذي نعيش فيه.

(03:33) دعوني أعطيكم مثال. إذا أخذت زوجًا من قطع المغناطيس ، وقمت بدفعهما معًا بحيث يقترب القطبان الشماليان من بعضهما البعض - إنها تجربة قمنا بها جميعًا. وبينما تدفع هذه المغناطيسات معًا ، تشعر بهذه القوة الإسفنجية التي تدفعهم بعيدًا. قدم فاراداي اقتراحًا جريئًا للغاية مفاده أن هناك شيئًا ما بين المغناطيس. إنه لأمر مدهش لأنك تنظر إلى المغناطيس ، هناك - إنه مجرد هواء رقيق ، ومن الواضح أنه لا يوجد شيء هناك. لكن فاراداي قال إن هناك شيئًا ما هناك ، كان هناك ما نسميه الآن المجال المغناطيسي هناك ، أطلق عليه اسم خط القوة. وأن هذا المجال المغناطيسي كان حقيقيًا تمامًا مثل المغناطيس نفسه.

(04:11) لقد كانت طريقة جديدة جدًا للتفكير في الكون الذي نعيش فيه. لقد اقترح أنه ليس فقط هناك جسيمات في الكون ، ولكن بالإضافة إلى ذلك ، هناك نوع آخر من الأشياء ، نوع مختلف تمامًا من الأشياء ، وهو حقل موجود في كل مكان في الفضاء دفعة واحدة. قال ، يمكننا أن نقول الآن في اللغة الحديثة ، أنه في كل نقطة في الكون ، يوجد متجهان وسهمان. وتخبرنا هذه المتجهات اتجاه وحجم المجال الكهربائي والمغناطيسي.

(04:43) لذا فقد ترك لنا هذه الصورة للكون حيث يوجد نوع من الانقسام بأن هناك كائنين مختلفين للغاية. هناك جسيمات تقوم بإنشاء مجالات كهربائية ومغناطيسية. ومن ثم فإن هذه الحقول الكهربائية والمغناطيسية نفسها تلوح وتتطور ، وبالتالي تخبر الجسيمات كيف تتحرك. إذاً هناك هذا النوع من الرقص المعقد بين ما تفعله الجسيمات وما تفعله الحقول. وفي الحقيقة ، كانت مساهمته الكبيرة هي القول إن هذه الحقول حقيقية ، إنها حقًا حقيقية تمامًا مثل الجسيمات.

ستروغاتز (05:12): إذن كيف تغير مفهوم الحقول بمجرد اكتشاف ميكانيكا الكم؟

تونغ (05:18): بحلول الوقت الذي ظهرت فيه ميكانيكا الكم ، كان هذا الآن عام 1925. ولدينا هذا النوع من النظرة الغريبة للعالم. لذلك نعلم أن هناك مجالات كهربائية ومغناطيسية. ونعلم أن تموجات هذه المجالات الكهرومغناطيسية هي ما نسميه الضوء. لكن بالإضافة إلى ذلك ، وبسبب الثورة الكمومية ، نعلم أن الضوء نفسه يتكون من جسيمات ، فوتونات.

(05:41) وهناك نوع من السؤال الذي يظهر ، وهو ، كيف يجب أن تفكر في هذه العلاقة بين الحقول من ناحية والفوتونات من ناحية أخرى. وأعتقد أن هناك احتمالين منطقيين للطريقة التي يمكن أن يعمل بها هذا ، قد يكون أنه يجب أن تفكر في المجالات الكهربائية والمغناطيسية على أنها تتكون من الكثير والكثير من الفوتونات ، مثل أن السائل يتكون من الكثير والكثير من الذرات ، وأنت أعتقد أن الذرات هي الشيء الأساسي. أو بدلاً من ذلك ، قد يكون العكس هو الصحيح ، فقد تكون الحقول هي الشيء الأساسي. وتأتي الفوتونات من تموجات صغيرة من الحقول. لذلك كانا الاحتمالين المنطقيين.

(06:18) والتطور الكبير ، حسنًا ، بدأ نوعًا ما في عام 1927. لكن الأمر يستغرق 20 أو 30 عامًا حتى يتم تقدير ذلك بالكامل. التقدير الكبير ، إذن ، هو أن المجالات الأساسية حقًا ، وأن المجال الكهربائي والمغناطيسي هو أساس كل شيء. وتتحول التموجات الصغيرة للمجال الكهربائي والمغناطيسي إلى حزم صغيرة من الطاقة نسميها بعد ذلك الفوتونات بسبب تأثيرات ميكانيكا الكم.

(06:44) والخطوة الكبيرة الرائعة ، واحدة من أعظم الخطوات الموحدة في تاريخ الفيزياء ، هي أن نفهم أن نفس القصة تنطبق على كل الجسيمات الأخرى. أن الأشياء التي نطلق عليها اسم الإلكترونات والأشياء التي نسميها كواركات ليست هي نفسها الأشياء الأساسية. بدلاً من ذلك ، يوجد شيء منتشر في جميع أنحاء الكون بأكمله يسمى مجال الإلكترون ، تمامًا مثل المجالين الكهربائي والمغناطيسي. والجسيمات التي نسميها إلكترونات هي تموجات صغيرة لهذا المجال الإلكتروني. وينطبق الشيء نفسه على أي جسيم آخر تهتم بذكره. يوجد حقل كوارك - في الواقع ، هناك ستة حقول كوارك مختلفة في جميع أنحاء الكون. هناك حقول نيوترينو ، وهناك حقول للغلوونات و W البوزونات. وكلما اكتشفنا جسيمًا جديدًا ، أحدثه جسيم هيغز بوزون ، نعلم أن المرتبط بذلك هو المجال الذي يكمن وراءه ، والجسيمات هي مجرد تموجات للحقل.

ستروغاتز (07:33): هل هناك اسم معين يجب ربطه بهذه الطريقة في التفكير؟

تونغ (07:36): هناك شخص واحد وهو كذلك ، لقد كاد أن يُمحى من كتب التاريخ ، لأنه كان عضوًا شديد الحماس في الحزب النازي. وكان عضوا في الحزب النازي قبل أن يتم استدعاؤه ليكون عضوا في الحزب النازي. اسمه باسكال جوردان. وكان أحد مؤسسي ميكانيكا الكم. كان على الأوراق الأصلية مع هايزنبرغ وآخرين. لكنه كان حقًا الشخص الذي قدّر أولاً أنه إذا بدأت بمجال ، وقمت بتطبيق قواعد ميكانيكا الكم ، فسينتهي بك الأمر بجسيم.

ستروغاتز (08:06): حسنًا ، جيد جدًا. الآن ، لقد ذكرت كل هذه الاختلاف - مجال الإلكترون ، كوارك ، W و Z البوزونات والباقي. أخبرنا قليلاً عن النموذج القياسي الذي نسمع عنه الكثير.

تونغ (08: 18): النموذج القياسي is أفضل نظريتنا الحالية عن الكون نحن نعيش فيه. إنه مثال على نظرية المجال الكمومي. إنها في الأساس جميع الجسيمات التي ذكرناها بالفعل. كل من هؤلاء لديه حقل مرتبط به. والنموذج القياسي عبارة عن صيغة تصف كيفية تفاعل كل من هذه الحقول مع الحقول الأخرى. الحقول في اللعب هي ثلاثة حقول قوة. ويعتمد نوعًا ما على كيفية حساب 12 حقلاً مسألة ، بطريقة سأشرحها. إذن مجالات القوة الثلاثة هي الكهرباء والمغناطيسية - منذ ذلك الحين ، في الواقع يرجع الفضل في جزء كبير منه إلى فاراداي ، ندرك أن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي نوعًا من وجهين لعملة واحدة ، لا يمكنك الحصول على أحدهما دون الآخر. لذلك نحن نحسب هؤلاء كواحد. ثم هناك حقلين للقوة النووية ، أحدهما يسمى حقل الغلوون المرتبط بالقوة النووية الشديدة. هذا يربط النوى معًا داخل الذرات ، والمجالات الأخرى المرتبطة بالقوة النووية الضعيفة. يطلق عليهم W بوزون أو Z حقول البوزون. إذن لدينا ثلاثة مجالات قوة.

[إدراج الفيديو: النموذج القياسي: النظرية العلمية الأكثر نجاحًا على الإطلاق]

(09:20) ثم لدينا مجموعة من مجالات المادة ، تأتي في ثلاث مجموعات من أربعة. أكثرها شيوعًا هي مجال الإلكترون ، حقلا كوارك مرتبطان بالكوارك العلوي والسفلي. يحتوي البروتون - يا رجل ، أتمنى أن نحصل على هذا بشكل صحيح - اثنان لأعلى ولأسفل والنيوترون يحتوي على اثنين لأسفل وأعلى ، على ما أعتقد ، لقد فهمت ذلك بالطريقة الصحيحة.

ستروغاتز (09:41): يمكنك أن تخدعني في كلتا الحالتين. لا أستطيع أن أتذكر أبدا.

تونغ (09:43): نعم ، لكن المستمعين سيعرفون. ثم حقل نيوترينو. إذن هناك مجموعة من أربعة جسيمات تتفاعل مع ثلاث قوى. ثم لسبب لا نفهمه حقًا ، قرر الكون تكرار حقول المادة مرتين. إذن هناك مجموعة ثانية من أربعة جسيمات تسمى الميون ، والسحر الغريب ونيوترينو آخر. لقد نفدنا نوعًا ما من الأسماء الجيدة للنيوترينوات ، لذلك نطلق عليها اسم نيوترينو الميون. ثم تحصل على مجموعة أخرى من أربعة: تاو ، والكوارك العلوي ، والكوارك السفلي ، ومرة ​​أخرى ، نيوترينو تاو. لذا فإن الطبيعة لها هذه الطريقة في تكرار نفسها. ولا أحد يعرف السبب حقًا. أعتقد أن هذا لا يزال أحد الألغاز الكبيرة. لكن تلك المجموعات المكونة من 12 جسيمًا تتفاعل مع ثلاث قوى تشكل النموذج القياسي.

(09:43) أوه ، فاتني واحدة. ما فاتني مهم. إنه بوزون هيغز. يربط بوزون هيجز كل شيء معًا.

ستروغاتز (10:37): حسنًا ، هذا محير. ربما يجب أن نقول قليلاً عما يفعله بوزون هيغز ، ما هو الدور الذي يلعبه في النموذج القياسي.

تونغ (10:43): إنها تفعل شيئاً مميزاً نوعاً ما. يعطي كتلة لجميع الجسيمات الأخرى. أود الحصول على تشبيه جيد لشرح كيف يعطي الكتلة. يمكنني أن أعطي تشبيهاً سيئاً ، لكنه في الحقيقة تشبيه سيء. التشبيه السيئ هو أن حقل هيغز هذا منتشر في كل الفضاء ، وهذا بيان صحيح. والقياس السيئ هو أنه يتصرف قليلاً مثل العسل الأسود أو دبس السكر. يجب على الجسيمات أن تشق طريقها عبر هذا ، حقل هيغز هذا لإحراز أي تقدم. وهذا النوع من يبطئهم. سوف يسافرون بشكل طبيعي بسرعة الضوء ، ويتباطأون بسبب وجود حقل هيغز هذا. وهذا مسؤول عن الظاهرة التي نسميها الكتلة.

(11:22) جزء كبير مما قلته للتو هو في الأساس كذبة. أعني ، إنها توحي نوعًا ما بوجود قوة احتكاك ما. وهذا ليس صحيحًا. لكنها واحدة من تلك الأشياء التي تكون فيها المعادلات سهلة بشكل مدهش. لكن من الصعب التوصل إلى تشبيه مقنع يلتقط تلك المعادلات.

ستروغاتز (11:36): إنه بيان مدهش قلته ، أنه بدون حقل هيغز أو بعض ، أعتقد ، بعض الآليات المماثلة ، كل شيء سيتحرك بسرعة الضوء. هل سمعتك صحيح؟

تونغ (11:47): نعم ، باستثناء هذه الأشياء ، كما هو الحال دائمًا ، نعم ، مع تحذير. "لكن" إذا تم إيقاف حقل هيغز ، فإن الإلكترون سيتحرك بسرعة الضوء. لذا تعلمون ، الذرات لن تكون مستقرة بشكل خاص. النيوترينو ، الذي يكاد يكون عديم الكتلة على أي حال ، سوف ينتقل بسرعة الضوء. لكن اتضح أن البروتون أو النيوترون سيكون لهما نفس الكتلة التي يمتلكانها الآن. تعلمون ، الكواركات بداخلها ستكون عديمة الكتلة. لكن كتلة الكواركات داخل البروتون أو النيوترون تافهة تمامًا مقارنة بالبروتون أو النيوترون - 0.1٪ ، شيء من هذا القبيل. لذا فإن البروتون أو النيوترون يحصلون فعليًا على كتلتهما من جزء من نظرية المجال الكمومي الذي لا نفهمه كثيرًا ، لكن التقلبات البرية في الحقول الكمومية ، هي ما يحدث داخل البروتون أو النيوترون ويعطيهم كتلتهم. لذا فإن الجسيمات الأولية ستصبح عديمة الكتلة - كواركات ، إلكترونات - لكن الأشياء التي صنعناها - النيوترونات والبروتونات - لن تفعل ذلك. يحصلون على كتلتهم من هذه الآلية الأخرى.

ستروغاتز (12:42): أنت مليء بالأشياء الشيقة. دعونا نرى ما إذا كان بإمكاني قول ما أفكر فيه ردًا على ذلك. ويمكنك أن تصححني إذا كنت قد فهمت الأمر بشكل خاطئ تمامًا. إذن لدي هذه الكواركات شديدة التفاعل داخل بروتون على سبيل المثال. وأظل في ذهني التخمين أن هناك البعض E = mc² الاتصال يحدث هنا ، أن التفاعلات القوية مرتبطة ببعض كمية كبيرة من الطاقة. وهذا يُترجم بطريقة ما إلى كتلة. هل هو كذلك ، أم أن هناك جسيمات افتراضية يتم إنشاؤها ثم تختفي؟ وكل هذا ينتج طاقة وبالتالي كتلة؟

تونغ (13:16): كلا الأمرين قلتهما للتو. لذلك نقول هذه الكذبة عندما نكون في المدرسة الثانوية - الفيزياء تدور حول قول الأكاذيب عندما تكون صغيرًا وإدراك أن الأمور أكثر تعقيدًا قليلاً مع تقدمك في السن. الكذبة التي قلناها ، وقلتها سابقًا ، هي أن هناك ثلاثة كواركات داخل كل بروتون وكل نيوترون. وهذا ليس صحيحا. البيان الصحيح هو أن هناك عدة مئات من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات داخل البروتون. وبيان أن هناك بالفعل ثلاثة كواركات ، والطريقة الصحيحة لقولها هي أنه في أي وقت ، يوجد ثلاثة كواركات أكثر من الكواركات المضادة. إذن ، هناك نوع من ثلاثة إضافية. لكنه كائن معقد للغاية ، البروتون. إنه ليس شيئًا لطيفًا ونظيفًا. إنه يحتوي على هذه المئات ، وربما حتى الآلاف من الجسيمات المختلفة التي تتفاعل بطريقة معقدة للغاية. يمكنك التفكير في أزواج الكوارك والكوارك المضادة على أنها ، كما تقول ، جسيمات افتراضية ، أشياء تخرج للتو من الفراغ وتعود مرة أخرى داخل البروتون. أو طريقة أخرى للتفكير في الأمر هي أن الحقول نفسها متحمسة بطريقة معقدة داخل البروتون أو النيوترونات التي تدور حولها وهذا ما يمنحها كتلتها.

ستروغاتز (14:20): في وقت سابق ، ألمحت إلى أن هذه نظرية ناجحة للغاية وذكرت شيئًا عن 12 منزلاً عشريًا. هل يمكنك ان تخبرنا عن ذلك؟ لأن هذا هو أحد الانتصارات العظيمة ، لن أقول فقط عن نظرية المجال الكمومي ، أو حتى الفيزياء ، ولكن كل العلوم. أعني ، محاولة البشرية فهم الكون ، ربما يكون هذا أفضل شيء فعلناه على الإطلاق. ومن وجهة نظر كمية ، نحن كجنس.

تونغ (14:42): أعتقد أن هذا صحيح تمامًا. إنه نوع من الاستثنائي. يجب أن أقول إن هناك بعض الأشياء التي يمكننا حسابها بشكل جيد للغاية ، عندما نعرف ما نفعله ، يمكننا حقًا القيام بشيء مذهل.

ستروغاتز (14:42): يكفي أن تجعلك نوعاً ما في مزاج فلسفي ، هذا السؤال عن الفعالية غير المعقولة للرياضيات.

تونغ (14:52): إذن ، الشيء المعين أو الكمية المعينة ، هذا هو فتى الملصق لنظرية المجال الكمي ، لأننا نستطيع حسابه جيدًا وإن كان الأمر يستغرق عقودًا عديدة لإجراء هذه الحسابات ، فهي ليست سهلة. لكن الأهم أيضًا ، يمكننا قياسه تجريبيًا جيدًا. لذا فهو رقم يسمى g-2 ، ليس مهمًا بشكل خاص في المخطط الكبير للأشياء ، لكن الرقم هو التالي. إذا أخذت إلكترونًا ، فسيكون له دوران. يدور الإلكترون حول محور لا يختلف عن الطريقة التي تدور بها الأرض حول محورها. إنه كمي أكثر من ذلك ، لكنه ليس تشبيهًا سيئًا في الذهن.

(14:59) وإذا أخذت الإلكترون ووضعته في مجال مغناطيسي ، فإن اتجاه هذا الدوران يعمل بمرور الوقت ، وهذا الرقم g-2 يخبرك فقط بمدى سرعة معالجته ، أما الرقم -2 فهو غريب بعض الشيء. لكنك تعتقد بسذاجة أن هذا الرقم سيكون 1. و [بول] ديراك فاز بجائزة نوبل جزئياً لإثبات أن هذا الرقم في الواقع هو 2 إلى أول تقدير تقريبي. ثم [جوليان] شوينغر فاز بجائزة نوبل، جنبًا إلى جنب مع [ريتشارد] فاينمان و [سين-إيتيرو] توموناجا ، لإظهار ذلك ، كما تعلمون ، ليست 2 ، إنها نقطتان ، شيء ، شيء ، شيء ما. ثم بمرور الوقت ، صنعنا هذا الشيء - شيئًا - شيئًا مع تسعة أشياء أخرى بعد ذلك. كما قلت ، إنه شيء نعرفه الآن جيدًا للغاية من الناحية النظرية وبشكل جيد للغاية من الناحية التجريبية. ومن المدهش رؤية هذه الأرقام ، رقمًا بعد رقم ، متفقًا مع بعضها البعض. إنه شيء مميز إلى حد ما.

(15:21) هذا أحد الأشياء التي تدفعك في هذا الاتجاه هو أنه جيد جدًا. من الجيد جدًا أن هذا ليس نموذجًا للعالم ، إنه بطريقة ما أقرب بكثير إلى العالم الفعلي ، هذه المعادلة.

ستروغاتز (16:31): بعد أن أشادوا بنظرية المجال الكمومي ، وهي تستحق الثناء ، يجب أن ندرك أيضًا أنها معقدة للغاية ، وفي بعض النواحي ، نظرية أو مجموعة من النظريات. ولذا في هذا الجزء من مناقشتنا ، أتساءل عما إذا كان بإمكانك مساعدتنا في فهم أي تحفظ يجب أن يكون لدينا؟ أو حيث تكون الحدود. مثل ، يقال أن النظرية غير مكتملة. ما هو الناقص في ذلك؟ ما هي الألغاز الكبيرة المتبقية حول نظرية المجال الكمومي؟

تونغ (17:01): كما تعلم ، يعتمد الأمر حقًا على ما تشترك فيه. إذا كنت فيزيائيًا وتريد حساب هذا الرقم g-2 ، إذًا لا يوجد شيء ناقص في نظرية المجال الكمومي. عندما تتحسن التجربة ، كما تعلم ، نحسب أو نفعل ما هو أفضل. يمكنك حقًا أن تفعل ما تريد. هناك عدة محاور لهذا. لذا اسمحوا لي أن أركز على واحدة في البداية.

(17:22) تأتي المشكلة عندما نتحدث إلى أصدقائنا من علماء الرياضيات البحتين ، لأن أصدقاء الرياضيات البحتين هم أشخاص أذكياء ، ونعتقد أن لدينا هذه النظرية الرياضية. لكنهم لا يفهمون ما نتحدث عنه. وهذا ليس خطأهم ، إنه خطأنا. أن الرياضيات التي نتعامل معها ليست شيئًا على أساس صارم. إنه شيء نلعب فيه نوعًا ما بسرعة وفضفاضة بأفكار رياضية مختلفة. ونحن على يقين من أننا نعرف ما نفعله كما توضح هذه الاتفاقية مع التجارب. لكنها بالتأكيد ليست على مستوى الصرامة الذي سيكون بالتأكيد علماء الرياضيات مرتاحين له. وأعتقد بشكل متزايد أننا الفيزيائيون نشعر بعدم الارتياح تجاه ذلك.

(17:22) يجب أن أقول إن هذا ليس بالشيء الجديد. إنه الحال دائمًا عندما تكون هناك أفكار جديدة ، وأدوات رياضية جديدة ، غالبًا ما يأخذ الفيزيائيون هذه الأفكار ويعملون معها فقط لأنهم يستطيعون حل الأشياء. وعلماء الرياضيات دائمًا - يحبون كلمة "صرامة" ، ربما تكون كلمة "التحذلق" أفضل. لكن الآن ، هم نوعًا ما يسيرون أبطأ منا. قاموا بتقطيع حرف i وعبر حرف T. وبطريقة ما ، مع نظرية المجال الكمومي ، أشعر أنه ، كما تعلمون ، لقد مر وقت طويل ، ولم يكن هناك تقدم يذكر لدرجة أننا ربما نفكر فيه بشكل غير صحيح. لذا فإن أحد أسباب التوتر هو أنه لا يمكن جعله صارمًا رياضيًا. وهذا ليس بسبب الحاجة إلى المحاولة.

ستروغاتز (18:33): حسنًا ، دعونا نحاول فهم لب الصعوبة. أو ربما يوجد الكثير منهم. لكنك تحدثت سابقًا عن مايكل فاراداي. وفي كل نقطة في الفضاء ، لدينا متجه ، وكمية يمكننا التفكير فيها كسهم ، ولها اتجاه وحجم ، أو إذا فضلنا ذلك ، فيمكننا التفكير فيها على أنها ثلاثة أعداد ربما مثل x ، y و z مكون لكل متجه. لكن في نظرية المجال الكمي ، فإن الأشياء المحددة في كل نقطة ، كما أفترض ، أكثر تعقيدًا من المتجهات أو الأرقام.

تونغ (18:33): هم. إذن ، الطريقة الرياضية لقول هذا هي أنه في كل نقطة مفردة ، يوجد عامل - بعض ، إذا أردت ، مصفوفة ذات أبعاد لا نهائية موجودة في كل نقطة في الفضاء ، وتعمل على بعض فضاء هلبرت ، وهذا بحد ذاته معقد للغاية وشديد يصعب تحديده. لذا فالرياضيات معقدة. وإلى حد كبير ، بسبب هذه المشكلة ، فإن العالم عبارة عن سلسلة متصلة ، ونعتقد أن المكان والزمان ، والفضاء على وجه الخصوص ، مستمران. ولذا عليك أن تحدد شيئًا ما حقًا في كل نقطة. وبجوار نقطة واحدة ، تكون قريبة جدًا من تلك النقطة نقطة أخرى مع عامل آخر. إذن ، هناك لانهاية تظهر عندما تنظر إلى مقاييس مسافة أصغر وأصغر ، وليس لانهاية تتجه للخارج ، ولكن لانهاية تتجه للداخل.

(19:44) مما يوحي بطريقة للالتفاف حوله. طريقة واحدة للالتفاف حولها هي مجرد التظاهر لهذه الأغراض ، أن هذه المساحة ليست مستمرة. في الواقع ، قد يكون من الجيد أن الفضاء ليس مستمرًا. لذلك يمكنك أن تتخيل التفكير في وجود شبكة ، ما يسميه علماء الرياضيات بالشبكة. فبدلاً من أن يكون لديك مساحة متصلة ، تفكر في نقطة ، ثم بعد ذلك مسافة محدودة بعيدًا عنها ، ونقطة أخرى. وبعد مسافة محدودة من ذلك ، نقطة أخرى. بعبارة أخرى ، أنت تحدد الفضاء ، ثم تفكر فيما نسميه درجات الحرية ، الأشياء التي تتحرك كأنها تعيش على هذه النقاط الشبكية بدلاً من العيش في سلسلة متصلة. هذا شيء يستطيع علماء الرياضيات التعامل معه بشكل أفضل.

(19:44) ولكن هناك مشكلة إذا حاولنا القيام بذلك. وأعتقد أنها واحدة من أعمق المشاكل في الفيزياء النظرية ، في الواقع. إنها أن بعض نظريات المجال الكمومي ، لا يمكننا ببساطة أن نحددها بهذه الطريقة. هناك نظرية رياضية تمنعك من تدوين نسخة منفصلة من بعض نظريات المجال الكمومي.

ستروغاتز (20:41): أوه ، حواجبى مرفوعة عند ذلك.

تونغ (20:43): تسمى هذه النظرية نظرية Nielsen-Ninomiya. من بين فئة نظريات المجال الكمومي التي لا يمكنك تمييزها هي تلك التي تصف كوننا ، النموذج القياسي.

ستروغاتز (20:52): لا تمزح! رائع.

تونغ (20:54): كما تعلم ، إذا أخذت هذه النظرية في ظاهرها ، فإنها تخبرنا أننا لا نعيش في المصفوفة. الطريقة التي تحاكي بها أي شيء على جهاز الكمبيوتر هي عن طريق تحديده أولاً ثم المحاكاة. ومع ذلك ، هناك عقبة أساسية على ما يبدو تحول دون تقدير قوانين الفيزياء كما نعرفها. لذلك لا يمكننا محاكاة قوانين الفيزياء ، لكن هذا يعني أنه لا أحد يستطيع ذلك أيضًا. لذا إذا اشتريت هذه النظرية حقًا ، فنحن لا نعيش في المصفوفة.

ستروغاتز (21:18): أنا أستمتع حقًا ، ديفيد. هذا مثير جدا للاهتمام. لم تتح لي الفرصة أبدًا لدراسة نظرية المجال الكمومي. لقد حصلت بالفعل على ميكانيكا الكم من Jim Peebles في برينستون. وكان ذلك رائعا. وقد استمتعت بهذا كثيرًا ، لكنني لم أستمر. إذن نظرية المجال الكمومي ، أنا فقط في موقع العديد من مستمعينا هنا ، فقط أنظر بتمعن إلى كل العجائب التي تصفها ،

تونغ (21:41): أستطيع أن أخبرك أكثر قليلاً عن الجانب الدقيق للنموذج القياسي الذي يجعل من الصعب أو المستحيل محاكاته على الكمبيوتر. هناك شعار جميل ، يمكنني إضافته مثل شعار هوليوود. الشعار هو ، "يمكن أن تحدث الأشياء في المرآة ولا يمكن أن تحدث في عالمنا". في 1950s، شين شيونغ وو اكتشف ما نسميه انتهاك التكافؤ. هذا هو البيان الذي مفاده أنه عندما تنظر إلى شيء يحدث أمامك ، أو تنظر إلى صورته في المرآة ، يمكنك معرفة الفرق ، ويمكنك معرفة ما إذا كان يحدث في العالم الحقيقي أو يحدث في المرآة. إنه هذا الجانب من قوانين الفيزياء ، أن ما يحدث في المرآة يختلف عما يحدث في الواقع ، والذي يتبين أنه إشكالي. وفقًا لهذه النظرية ، من الصعب أو المستحيل محاكاة هذا الجانب.

ستروغاتز (22:28): من الصعب أن أفهم لماذا أعني ، لأن الشبكة نفسها لن تواجه أي مشكلة في التعامل مع التكافؤ. لكن على أي حال ، أنا متأكد من أنها نظرية دقيقة.

تونغ (22:36): يمكنني أن أحاول إخباركم قليلاً عن سبب وجود كل جسيم في عالمنا - الإلكترونات والكواركات. ينقسمون إلى جزئين مختلفين. يطلق عليهم أعسر وأيمن. ويتعلق الأمر بشكل أساسي بكيفية تغير دورانهم أثناء تحركهم. قوانين الفيزياء تجعل الجسيمات اليسرى تشعر بقوة مختلفة عن الجسيمات اليمنى. هذا ما يؤدي إلى انتهاك التكافؤ هذا.

(22:59) الآن ، اتضح أنه من الصعب كتابة نظريات رياضية متسقة ولها هذه الخاصية التي واجهت الجسيمات اليسرى والجسيمات اليمنى قوى مختلفة. هناك نوع من الثغرات التي عليك القفز من خلالها. يطلق عليه الشذوذ ، أو إلغاء الشذوذ في نظرية المجال الكمومي. وهذه الثغرات الدقيقة ، هذه الثغرات تأتي منها ، على الأقل في طرق معينة لحساب حقيقة أن الفضاء مستمر ، لا ترى هذه الثغرات إلا عندما تكون المسافات ، أو هذه المتطلبات عندما يكون الفضاء مستمرًا. لذا فإن الشبكة لا تعرف شيئًا عن هذا. لا تعرف الشبكة أي شيء عن هذه الانحرافات الهائلة.

(23:36) لكن لا يمكنك كتابة نظرية غير متناسقة على الشبكة. لذا بطريقة ما ، يجب أن تغطي الشبكة مؤخرتها ، وعليها أن تتأكد من أن كل ما تقدمه لك هو نظرية متسقة. والطريقة التي يتم بها ذلك هي فقط من خلال عدم السماح للنظريات التي تشعر فيها الجسيمات اليسرى واليمنى بقوى مختلفة.

ستروغاتز (23:50): حسنًا ، أعتقد أنني حصلت على نكهة من ذلك. إنه شيء من هذا القبيل تسمح الطوبولوجيا لبعض الظواهر ، هذه الحالات الشاذة المطلوبة لمعرفة ما نراه في حالة القوة الضعيفة ، والتي لن يسمح بها الفضاء المنفصل. هذا الشيء عن الاستمرارية هو المفتاح.

تونغ (24:06): في الحقيقة قلت ذلك أفضل مني. كل شيء يتعلق بالطوبولوجيا. هذا صحيح تمامًا. نعم.

ستروغاتز (24:11): حسنًا. جيد. هذا جزء لطيف للغاية بالنسبة لنا في الواقع ، إلى حيث كنت آمل أن نتمكن من الانتقال بعد ذلك ، وهو الحديث عن ما فعلته نظرية المجال الكمومي للرياضيات ، لأن هذه واحدة من قصص النجاح العظيمة. على الرغم من أنه ، كما تعلم ، بالنسبة للفيزيائيين المهتمين بالكون ، ربما لا يكون هذا مصدر قلق رئيسي ، ولكن بالنسبة للأشخاص في الرياضيات ، نحن ممتنون للغاية ومحبسون أيضًا للمساهمات العظيمة التي تم تقديمها من خلال التفكير في الأشياء الرياضية البحتة ، كما لو كانوا يخبرونهم برؤى من نظرية المجال الكمومي. هل يمكن أن تخبرنا قليلاً عن بعض تلك القصة التي بدأت ، على سبيل المثال ، في التسعينيات؟

تونغ (24:48): نعم ، هذا حقًا أحد الأشياء الرائعة التي نتجت عن نظرية المجال الكمومي. ولا توجد مفارقة صغيرة هنا. كما تعلمون ، المفارقة هي أننا نستخدم هذه التقنيات الرياضية التي يشك علماء الرياضيات حيالها بشدة لأنهم لا يعتقدون أنها ليست صارمة. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، فنحن قادرون نوعًا ما على القفز على علماء الرياضيات ونهزمهم تقريبًا في لعبتهم في ظروف معينة ، حيث يمكننا الالتفاف وتسليمهم النتائج التي يهتمون بها ، في منطقتهم الخاصة. التخصص ، والنتائج التي غيرت تمامًا في بعض الظروف بعض مجالات الرياضيات.

(25:22) لذا يمكنني محاولة إعطائك فكرة عن كيفية عمل ذلك. إن نوع مجال الرياضيات الذي كان هذا مفيدًا للغاية هو الأفكار المتعلقة بالهندسة. إنه ليس الوحيد. لكن أعتقد أنه أكثر ما أحرزناه من تقدم في التفكير كفيزيائيين. وبالطبع ، لطالما كانت الهندسة قريبة من قلب علماء الفيزياء. تخبرنا نظرية النسبية العامة لأينشتاين أن المكان والزمان هما في حد ذاته كائنًا هندسيًا. لذا فإن ما نفعله هو أن نأخذ ما يسميه علماء الرياضيات متشعب ، إنه مساحة هندسية. في عقلك ، يمكنك التفكير أولاً في سطح كرة قدم. ثم ربما إذا كان سطح دونات ، حيث يوجد ثقب في المنتصف. ثم قم بالتعميم على سطح البسكويت المملح ، حيث يوجد عدد قليل من الثقوب في المنتصف. ومن ثم فإن الخطوة الكبيرة هي أخذ كل ذلك ودفعه إلى بعض الأبعاد الأعلى والتفكير في كائن ذي أبعاد أعلى ملفوفًا حول نفسه مع ثقوب ذات أبعاد أعلى ، وما إلى ذلك.

(26:13) وهكذا فإن أنواع الأسئلة التي يطلبها علماء الرياضيات منا أن نصنف أشياء مثل هذه ، أن نسأل ما هو خاص عن الأشياء المختلفة ، ما نوع الثقوب التي يمكن أن تحتوي عليها ، الهياكل التي يمكن أن توجد عليها ، وما إلى ذلك. وكفيزيائيين ، فإننا نوعا ما نأتي ببعض الحدس الإضافي.

(26:28) ولكن بالإضافة إلى ذلك ، لدينا هذا السلاح السري لنظرية المجال الكمومي. لدينا نوعًا ما سلاحان سريان. لدينا نظرية المجال الكمومي. لدينا تجاهل متعمد للصرامة. هذان الاثنان يتحدان بشكل جيد للغاية. ولذا سنطرح أسئلة مثل ، نأخذ واحدة من هذه الفراغات ، ونضع جسيمًا عليها ، ونسأل كيف يستجيب هذا الجسيم للفضاء؟ الآن مع الجسيمات أو الجسيمات الكمومية ، يحدث شيء مثير للاهتمام لأنه يحتوي على موجة احتمالية تنتشر في الفضاء. وبسبب هذه الطبيعة الكمومية ، فإن لديها خيار التعرف نوعًا على الطبيعة العالمية للفضاء. يمكن أن يشعر نوعًا ما بكل المساحة في وقت واحد ويكتشف مكان الثقوب وأين توجد الوديان وأين توجد القمم. وبالتالي يمكن للجسيمات الكمومية أن تفعل أشياء مثل أن تعلق في ثقوب معينة. وبهذه الطريقة ، أخبرنا شيئًا عن طوبولوجيا المساحات.

(27:18) لذلك كان هناك عدد من النجاحات الرئيسية لتطبيق نظرية المجال الكمي على هذه واحدة من أكبرها في أوائل التسعينيات ، وهو ما يسمى تناظر المرآة ، والذي أحدث ثورة في منطقة تسمى علم الهندسة العفوية. بعد قليل [ناثان] سيبرغ و [إدوارد] ويتن حللوا نظرية مجال كمومي محددة رباعية الأبعاد ، والتي أعطت رؤى جديدة في طوبولوجيا الفضاءات رباعية الأبعاد. لقد كان حقًا برنامجًا مثمرًا بشكل رائع ، حيث ما كان يحدث منذ عدة عقود الآن هو أن علماء الفيزياء سيخرجون بأفكار جديدة من نظرية المجال الكمي ، لكنهم غير قادرين تمامًا على إثباتها بشكل نموذجي ، بسبب هذا الافتقار إلى الدقة. وبعد ذلك سيأتي علماء الرياضيات ، لكن الأمر لا يقتصر فقط على تنقيط العيون وتجاوزها ، فهم يأخذون الأفكار عادةً ويثبتونها بطريقتهم الخاصة ، ويقدمون أفكارًا جديدة.

(28:02) وهذه الأفكار الجديدة تتغذى مرة أخرى في نظرية المجال الكمومي. ولذا كان هناك تطور متناغم رائع حقًا بين الرياضيات والفيزياء. كما اتضح ، فإننا غالبًا ما نطرح نفس الأسئلة ، ولكن باستخدام أدوات مختلفة جدًا ، ومن خلال التحدث مع بعضنا البعض ، فقد أحرزنا تقدمًا أكبر بكثير مما كنا سنحققه لولا ذلك.

ستروغاتز (28:18): أعتقد أن الصورة البديهية التي قدمتها مفيدة جدًا لدرجة التفكير بطريقة ما في هذا المفهوم للحقل الكمي كشيء غير محدد. كما تعلمون ، بدلاً من الجسيم الذي نعتقد أنه يشبه النقطة ، لديك هذا الكائن الذي ينتشر على كامل المكان والزمان ، إذا كان هناك وقت في النظرية ، أو إذا كنا نقوم فقط بالهندسة ، أعتقد أننا ' إعادة التفكير فقط في أنه ينتشر على كامل المساحة. هذه الحقول الكمومية مناسبة جدًا لاكتشاف الميزات العالمية ، كما قلتم.

(28:47) وهذه ليست طريقة معيارية للتفكير في الرياضيات. لقد اعتدنا على التفكير في نقطة ومجاور نقطة ما ، الجوار المتناهي الصغر لنقطة ما. هذا صديقنا. نحن مثل أكثر المخلوقات قصر النظر كعلماء رياضيات ، في حين أن علماء الفيزياء معتادون جدًا على التفكير في هذه الكائنات ذات الاستشعار الشامل تلقائيًا ، هذه الحقول التي يمكن ، كما تقول ، شم الملامح ، والوديان ، والقمم ، وكامل الأسطح من الأشياء العالمية.

تونغ (29:14): نعم ، هذا صحيح تمامًا. وجزء من ردود الفعل في الفيزياء كان مهمًا للغاية. لذا فإن تقدير أن الطوبولوجيا هي أساس الكثير من طرق تفكيرنا في نظرية المجال الكمومي ، لذا يجب أن نفكر عالميًا في نظرية المجال الكمي وكذلك في الهندسة. وكما تعلم ، هناك برامج ، على سبيل المثال ، لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية وواحدة من أكثرها ، حسنًا ، ربما تكون واحدة من أكثر الطرق تفاؤلاً لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية.

(29:34) ولكن إذا كان من الممكن جعلها تعمل ، فإن إحدى أقوى الطرق لبناء جهاز كمبيوتر كمي هي استخدام الأفكار الطوبولوجية لنظرية المجال الكمي ، حيث لا يتم تخزين المعلومات في نقطة محلية ولكن يتم تخزينها على مستوى العالم مساحة. وتتمثل الفائدة في أنه إذا قمت بدفعها في مكان ما في نقطة ما ، فأنت لا تدمر المعلومات لأنها لم يتم تخزينها في وقت ما. يتم تخزينها في كل مكان مرة واحدة. لذا كما قلت ، هناك هذا التفاعل الرائع بين الرياضيات والفيزياء الذي يحدث ونحن نتحدث.

ستروغاتز (30:01): حسنًا ، دعنا نحول التروس مرة أخيرة بعيدًا عن الرياضيات نحو الفيزياء مرة أخرى ، وربما حتى القليل من علم الكونيات. فيما يتعلق بقصة نجاح النظرية الفيزيائية ، المزيد من كوكبة النظريات التي نسميها نظرية المجال الكمومي ، فقد أجرينا هذه التجارب مؤخرًا إلى حد ما في CERN. هل هذا ، حيث يوجد مصادم الهادرونات الكبير ، هل هذا صحيح؟

تونغ (30:01): هذا صحيح. إنه في جنيف.

ستروغاتز (30:04): حسنًا. لقد ذكرت عن اكتشاف Higgs منذ فترة طويلة توقعت شيئًا مثل 50 ، 60 عامًا ، لكن ما أفهمه هو أن علماء الفيزياء كانوا - حسنًا ، ما هي الكلمة الصحيحة؟ بخيبة أمل ، ومضايقة ، والحيرة. أن بعض الأشياء التي كانوا يأملون في رؤيتها في التجارب في مصادم الهادرونات الكبير لم تتحقق. التناظر الفائق ، على سبيل المثال ، كونك واحدًا. أخبرنا قليلاً عن تلك القصة. أين نأمل أن نرى المزيد من تلك التجارب؟ كيف يجب أن نشعر حيال عدم رؤية المزيد؟

تونغ (30:53): كنا نأمل في رؤية المزيد. ليس لدي أي فكرة عما يجب أن نشعر به رغم أننا لم نر. استطيع ان اقول لكم القصة.

تونغ (31:00): لذلك تم بناء LHC. وقد تم بناؤه مع توقع أنه سيكتشف بوزون هيغز ، وهو ما فعلته. كان بوزون هيغز الجزء الأخير من النموذج القياسي. وكانت هناك أسباب للاعتقاد أنه بمجرد الانتهاء من النموذج القياسي ، فإن بوزون هيغز سيكون أيضًا البوابة التي قادتنا إلى ما سيأتي بعد ذلك ، الطبقة التالية من الواقع التي تأتي بعد ذلك. وهناك حجج يمكنك طرحها ، أنه عندما تكتشف Higgs ، يجب أن تكتشف نوعًا ما في نفس الحي ، نفس مقياس الطاقة مثل Higgs ، بعض الجسيمات الأخرى التي تعمل بطريقة ما على استقرار بوزون Higgs. بوزون هيغز مميز. إنه الجسيم الوحيد في النموذج القياسي الذي لا يدور. كل الجسيمات الأخرى ، الإلكترون يدور ، الفوتون يدور ، هذا ما نسميه الاستقطاب. بوزون هيغز هو الجسيم الوحيد الذي لا يدور. بمعنى ما ، إنه أبسط جسيم في النموذج القياسي.

(31:00) ولكن هناك حجج نظرية تقول أن الجسيم الذي لا يدور يجب أن يكون له كتلة ثقيلة جدًا. وسائل ثقيلة جدًا يتم دفعها إلى أعلى مستوى طاقة ممكن. هذه الحجج هي حجج جيدة. يمكننا استخدام نظرية المجال الكمومي في العديد من المواقف الأخرى ، في المواد التي وصفتها نظرية المجال الكمي. من الصحيح دائمًا أنه إذا لم يدور الجسيم ، فإنه يسمى جسيمًا عدديًا. ولها كتلة خفيفة. هناك سبب يجعلها كتل الضوء.

(32:25) ولذا توقعنا أن يكون هناك سبب لامتلاك بوزون هيغز الكتلة التي يمتلكها. واعتقدنا أن السبب سيأتي مع بعض الجسيمات الإضافية التي ستظهر نوعًا ما بمجرد ظهور هيجز. وربما كان ذلك تناظرًا فائقًا وربما كان شيئًا يسمى تكنيكولور. وكان هناك العديد من النظريات. واكتشفنا Higgs و LHC - أعتقد أن هذا مهم للإضافة - فقد تجاوز كل التوقعات عندما يتعلق الأمر بتشغيل الآلة والتجارب وحساسية أجهزة الكشف. وهؤلاء الأشخاص هم أبطال مطلقون يقومون بالتجربة.

(32:56) والإجابة هي أنه لا يوجد شيء آخر على مقياس الطاقة الذي نستكشفه حاليًا. وهذا لغز. إنه لغز بالنسبة لي. وهو لغز للعديد من الآخرين. من الواضح أننا كنا مخطئين. من الواضح أننا كنا مخطئين بشأن توقع أننا يجب أن نكتشف شيئًا جديدًا. لكننا لا نعرف لماذا نحن مخطئون. كما تعلم ، لا نعرف ما الخطأ في هذه الحجج. ما زالوا يشعرون بأنهم على ما يرام ، وما زالوا يشعرون بأنهم على حق تجاهي. لذلك هناك شيء نفتقده في نظرية المجال الكمومي ، وهو أمر مثير. وأنت تعلم ، من الجيد أن تكون مخطئًا في هذا المجال من العلم ، لأنه فقط عندما تكون مخطئًا ، يمكنك أخيرًا دفعك في الاتجاه الصحيح. لكن من العدل أن نقول إننا لسنا متأكدين حاليًا من سبب خطأنا.

ستروغاتز (33:32): هذا موقف جيد أن يكون لديك ، صحيح ، أنه تم إحراز الكثير من التقدم من هذه المفارقات ، مما يبدو أنه خيبات الأمل في ذلك الوقت. لكن لكي تعيشها وتعيش في جيل - أعني ، حسنًا ، لا أريد أن أقول إنه يمكن أن تغتسل بحلول الوقت الذي يتم فيه اكتشاف هذا ، لكنه احتمال مخيف.

تونغ (33:50): مغتسل سيكون بخير. لكني أود أن أكون على قيد الحياة.

ستروغاتز (33:56): نعم ، لقد شعرت بالسوء حتى لقولي ذلك.

الانتقال من الصغير إلى الكبير ، لماذا لا نفكر في بعض القضايا الكونية. لأن بعض الألغاز العظيمة الأخرى ، أشياء مثل المادة المظلمة ، الطاقة المظلمة ، الكون المبكر. لذا فأنت تدرس كأحد المجالات الخاصة بك التي تحظى باهتمام كبير ، الوقت بعد الانفجار العظيم مباشرة ، عندما لم يكن لدينا جزيئات بعد. لدينا فقط ، ما ، الحقول الكمومية؟

تونغ (34:22): كان هناك وقت بعد الانفجار العظيم يسمى التضخم. لذلك كان الوقت الذي توسع فيه الكون بسرعة كبيرة جدًا. وكانت هناك حقول كمومية في الكون عندما كان هذا يحدث. وما أعتقد أنه حقًا أحد أكثر القصص إثارة للدهشة في كل العلوم هو أن هذه الحقول الكمومية بها تقلبات. إنها دائمًا ما ترتد لأعلى ولأسفل ، فقط بسبب التوتر الكمي ، كما تعلم. تمامًا كما يقول مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ ، لا يمكن للجسيم أن يكون في مكان معين لأنه سيكون له زخم غير محدود ، كما تعلمون ، دائمًا ما يكون هناك بعض عدم اليقين. أن الشيء نفسه ينطبق على هذه المجالات. لا يمكن أن تكون هذه الحقول الكمية صفراً بالضبط أو قيمة ما بالضبط. إنهم دائمًا ما يتأرجحون صعودًا وهبوطًا من خلال عدم اليقين الكمومي.

(35:02) وما حدث في هذه الثواني القليلة الأولى - الثواني طويلة جدًا. أول عدد قليل 10^-30 دعنا نقول ثوان من الانفجار العظيم هو أن الكون توسع بسرعة كبيرة. وهذه الحقول الكمومية تم القبض عليها نوعًا ما في الفعل ، أنها كانت متذبذبة ، ولكن بعد ذلك سحبها الكون بعيدًا إلى نطاقات واسعة. وهذه التقلبات عالقة هناك. لم يعد بإمكانهم التقلب بعد الآن ، بشكل أساسي ، بسبب أسباب سببية ، لأنهم الآن منتشرون حتى الآن ، كما تعلمون ، جزء واحد من التقلب لم يعرف ما كان يفعله الآخر. لذلك تمتد هذه التقلبات عبر الكون كله ، طريق العودة في اليوم.

(35:43) والقصة الرائعة هي أنه يمكننا رؤيتهم ، يمكننا رؤيتهم الآن. وقد التقطنا صورة لهم. إذن الصورة لها اسم رهيب. يطلق عليه إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف. أنت تعرف هذه الصورة ، إنها التموجات الزرقاء والحمراء. لكنها صورة للكرة النارية التي ملأت الكون منذ 13.8 مليار سنة ، وهناك تموجات هناك. والتموجات التي يمكننا رؤيتها كانت ناتجة عن هذه التقلبات الكمية في الأجزاء القليلة الأولى من الثانية بعد الانفجار العظيم. ويمكننا إجراء الحساب ، يمكنك حساب تقلبات الكم. ويمكنك قياس التقلبات في الإشعاع CMB بشكل تجريبي. وهم يتفقون فقط. لذا فهي قصة مدهشة أنه يمكننا التقاط صورة لهذه التقلبات.

(36:30) ولكن هناك أيضًا مستوى من خيبة الأمل هنا أيضًا. التقلبات التي نراها هي الفانيليا إلى حد ما ، إنها فقط تلك التي قد تحصل عليها من الحقول المجانية. وسيكون من الرائع لو تمكنا من الحصول على مزيد من المعلومات ، إذا استطعنا أن نرى - الاسم الإحصائي هو أن التقلبات غاوسية. وسيكون من اللطيف أن نرى بعض العناصر غير الغوسية ، والتي ستخبرنا عن التفاعلات بين الحقول في الكون المبكر جدًا. ومرة أخرى ، لقد طار القمر الصناعي بلانك وأخذ لقطة من CMB بتفاصيل أكثر وضوحًا ، والأشياء غير الغوسية الموجودة هناك ، إن وجدت على الإطلاق ، فهي أصغر من بلانك. يمكن للقمر الصناعي الكشف.

(36:52) إذن هناك أمل في المستقبل بأن هناك تجارب أخرى لـ CMB ، وهناك أيضًا أمل في أن هذه الأشياء غير الغوسية قد تظهر في الطريقة التي تتشكل بها المجرات ، والتوزيع الإحصائي للمجرات عبر الكون يحمل أيضًا ذكرى لهذه التقلبات التي نعرف أنها صحيحة ، ولكن ربما نحصل على مزيد من المعلومات من هناك. لذلك من المذهل حقًا أنه يمكنك تتبع هذه التقلبات لمدة 14 مليار سنة ، من المراحل الأولى إلى طريقة توزيع المجرات في الكون الآن ،

ستروغاتز (37:36): حسنًا ، لقد منحني هذا الكثير من الأفكار التي لم تكن لدي من قبل حول بصمة هذه التقلبات الكمومية على الخلفية الكونية الميكروية. كنت دائما أتساءل. لقد ذكرت أنها النظرية الحرة ، بمعنى - ماذا ، أخبرنا ما الذي تعنيه كلمة "مجاني" بالضبط؟ لا يوجد شيء صحيح؟ أعني ، إنه فقط الفراغ نفسه؟

تونغ (37:45): لا يتعلق الأمر بالفراغ فقط ، لأن هذه الحقول تتحمّس مع توسع الكون. لكنه مجرد مجال لا يتفاعل مع أي مجالات أخرى أو حتى مع نفسه ، إنه فقط يرتد لأعلى ولأسفل مثل المذبذب التوافقي ، في الأساس. كل نقطة ترتد صعودا وهبوطا مثل الربيع. لذا فهو نوع من أكثر المجالات مللاً التي يمكن أن تتخيلها.

ستروغاتز (38:11): وهذا يعني أنه لم يكن علينا افتراض أي مجال كمي معين في بداية الكون. إنه فقط ، هذا ما تقوله يا فانيلا.

تونغ (38:19): إنها الفانيليا. لذلك كان من اللطيف الحصول على تعامل أفضل مع حدوث هذه التفاعلات ، أو حدوث هذه التفاعلات ، أو أن الحقل له هذه الخاصية المعينة. وهذا لا يبدو - ربما في المستقبل ، لكن في الوقت الحالي ، لم نصل إلى هناك بعد.

ستروغاتز (38:32): إذن ربما يجب أن نختم بعد ذلك بآمالك الشخصية. هل هناك شيء واحد ، إذا كان عليك تحديد شيء واحد ترغب في حله شخصيًا ، في السنوات القليلة المقبلة ، أو لمستقبل البحث في نظرية المجال الكمي ، فما هو المفضل لديك؟ إذا كنت تستطيع أن تحلم.

تونغ (38:48): هناك الكثير -

ستروغاتز: يمكنك اختيار المزيد.

تونغ: هناك أشياء على الجانب الرياضي. لذا أود ، أود أن أفهم ، من الناحية الرياضية ، المزيد حول نظرية نيلسن-نينوميا ، حقيقة أنه لا يمكنك تمييز بعض نظريات المجال الكمي. وهل هناك ثغرات في النظرية؟ هل هناك افتراضات يمكننا التخلص منها وننجح بطريقة ما في القيام بذلك؟

(39:07) كما تعلمون ، النظريات في الفيزياء ، تسمى عادةً نظريات "no-go". لا يمكنك فعل هذا. لكنها غالبًا علامات حول المكان الذي يجب أن تبحث فيه ، لأن النظرية الرياضية ، من الواضح أنها صحيحة ، لكنها بالتالي تأتي مع افتراضات صارمة للغاية. ولذا ربما يمكنك التخلص من هذا الافتراض أو ذلك الافتراض ، وإحراز تقدم في ذلك. لذلك فهو على الجانب الرياضي ، أود أن أرى تقدمًا في ذلك.

(39:28) على الجانب التجريبي ، أي من الأشياء التي تحدثنا عنها - بعض الجسيمات الجديدة ، تلميحات جديدة لما يكمن وراءها. ونحن نشهد تلميحات بشكل منتظم إلى حد ما. أحدثها هو أن كتلة W يختلف البوزون الموجود على جانبك من المحيط الأطلسي عن كتلة البوزون W بوزون على جانبي المحيط الأطلسي وهذا يبدو غريبًا. تلميحات حول المادة المظلمة أو المادة المظلمة. مهما كان ، فهو مصنوع من الحقول الكمية. ليس هناك شك في ذلك.

(39:53) والطاقة المظلمة التي أشرت إليها بوجود تنبؤات هي كلمة قوية للغاية ولكن هناك اقتراحات من نظرية المجال الكمومي. في كل هذه التقلبات في المجالات الكمومية يجب أن تكون الدافع وراء توسع الكون. ولكن بهذه الطريقة ، أكبر بكثير مما نراه بالفعل.

(40:07) لذا ، نفس اللغز الموجود مع Higgs. لماذا هيغز خفيفة جدا؟ إنه موجود أيضًا مع الطاقة المظلمة. لماذا يعتبر التسارع الكوني للكون صغيرًا جدًا مقارنة بما نعتقده نحن. لذا فهو وضع غريب بعض الشيء. أعني ، لدينا هذه النظرية. إنه لأمر مدهش تمامًا. لكن من الواضح أيضًا أن هناك أشياء لا نفهمها حقًا.

ستروغاتز (40:26): أود فقط أن أشكرك ، ديفيد تونج ، على هذه المحادثة الممتعة والرائعة حقًا. شكرا جزيلا لانضمامك لي اليوم.

تونغ (40:33): يسعدني. شكرا جزيلا.

مذيع (40:39): إذا شئت فرحة لماذا، تفحص ال مجلة كوانتا ساينس بودكاستالذي استضافته أنا سوزان فالوت أحد منتجي هذا العرض. أخبر أصدقاءك أيضًا عن هذا البودكاست وأعطونا إعجابًا أو تابعوا المكان الذي تستمعون إليه. يساعد الناس في العثور عليها فرحة لماذا بودكاست.

ستيف ستروغاتز (41: 03): فرحة لماذا هو بودكاست من مجلة كوانتا، نشرة تحريرية مستقلة تدعمها مؤسسة سيمونز. لا تؤثر قرارات التمويل الصادرة عن مؤسسة Simons على اختيار الموضوعات أو الضيوف أو القرارات التحريرية الأخرى في هذا البودكاست أو في مجلة كوانتا. فرحة لماذا من إنتاج سوزان فالوت وبولي سترايكر. محررونا هم جون ريني وتوماس لين ، بدعم من مات كارلستروم وآني ميلكور وليلى سلومان. تم تأليف الموسيقى الخاصة بنا بواسطة ريتشي جونسون. شعارنا من تصميم جاكي كينج ، والعمل الفني للحلقات من مايكل درايفر وصامويل فيلاسكو. أنا مضيفك ، ستيف ستروغاتز. إذا كان لديك أي أسئلة أو تعليقات لنا ، يرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني على quanta@simonsfoundation.org. شكرا على الإنصات.