Kvanttikenttäteoria voi olla kaikkien aikojen menestynein tieteellinen teoria, joka ennustaa kokeellisia tuloksia hämmästyttävällä tarkkuudella ja edistää korkeamman ulottuvuuden matematiikan tutkimusta. Silti on myös syytä uskoa, että siitä puuttuu jotain. Steven Strogatz keskustelee Cambridgen yliopiston teoreettisen fyysikon David Tongin kanssa tutkiakseen tämän arvoituksellisen teorian avoimia kysymyksiä.
Kuuntele Apple Podcastit, Spotify, Google Podcastit, nitoja, Kääntää tai suosikki podcasting-sovelluksesi, tai voit suoratoista se osoitteesta Quanta.
Jäljennös
Steven Strogatz (00:03): Olen Steve Strogatz, ja tämä on The Joy of Why, quantum-lehden podcast, joka vie sinut matematiikan ja luonnontieteiden suurimpiin kysymyksiin.
(00:12) Jos olet koskaan miettinyt, mistä meidät oikeastaan on tehty, olet luultavasti löytänyt itsesi löytöjen kaninkoloon. Kuten muutkin elävät olennot, olemme tietysti soluista. Ja solut puolestaan valmistellaan molekyyleistä ja molekyylit on valmistettu atomeista. Kaiva vielä syvemmälle ja pian löydät itsesi elektronien ja kvarkkien tasolta. Nämä ovat hiukkasia, joita on perinteisesti pidetty rivin päätteinä, aineen perusrakennuspalikoita.
(00:39) Mutta tänään tiedämme, että se on ei todellakaan pidä paikkaansa. Sen sijaan fyysikot kertovat meille, että syvimmällä tasolla kaikki koostuu salaperäisistä olennoista, nestemäisistä aineista, joita kutsumme kvanttikentiksi. Nämä näkymätön kentät toimivat toisinaan hiukkasina, toisinaan aaltoina. He voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Jotkut heistä voivat jopa virrata läpi meidän. The kvanttikenttien teoria on kiistatta kaikkien aikojen menestynein tieteellinen teoria. Joissakin tapauksissa se tekee ennusteita, jotka ovat samaa mieltä kokeiden kanssa hämmästyttävän 12 desimaalin tarkkuudella. Tämän lisäksi kvanttikenttäteoria on myös valaisenut valtavasti tiettyjä puhtaan matematiikan kysymyksiä, erityisesti neliulotteisten muotojen ja jopa korkeampien ulottuvuuksien tutkimuksessa. Silti on myös syytä uskoa, että kvanttikenttäteoriasta puuttuu jotain. Se näyttää olevan matemaattisesti epätäydellinen, jättäen meille monia kysymyksiä vastaamatta.
(01:38) Professori on nyt mukanani keskustelemassa tästä kaikesta David Tong. David on teoreettinen fyysikko Cambridgen yliopistossa. Hänen erikoisalansa on kvanttikenttäteoria, ja hänet tunnetaan myös poikkeuksellisen lahjakkaana opettajana ja esittelijänä. Hänen monien kunnianosoitusten joukossa hänelle myönnettiin Adams-palkinto vuonna 2008, yksi Cambridgen yliopiston arvostetuimmista palkinnoista. Hän on myös Simons Investigator, Simons Foundationin myöntämä palkinto tutkijoille ja matemaatikoille peruskysymysten tutkimiseen. Simons Foundation rahoittaa myös tätä podcastia. David, kiitos paljon, että liityit joukkoomme tänään.
David Tong (02:15): Hei, Steve. Kiitos paljon, että sain olla.
Strogatz: Olen innoissani mahdollisuudesta puhua kanssasi. Olen nauttinut luennoistasi Internetistä ja katsomisesta upeita puheitasi YouTubessa. Tämä on siis hieno herkku. Aloitetaan perusasioista. Tänään puhumme pelloista. Kerro meille, kuka ne on luonut. Yleensä Michael Faraday saa kunnian. Mikä oli hänen ideansa? Ja mitä hän keksi?
Tong (02:37): Kaikki palaa asiaan Michael Faraday. Faraday oli yksi kaikkien aikojen suurista kokeellisista fyysikoista, hän oli pitkälti kokeellinen fyysikko, ei teoreetikko. Hän jätti koulun 14-vuotiaana. Hän ei periaatteessa tiennyt matematiikkaa. Ja kuitenkin hämmästyttävän hyvin hän rakensi tämän intuition universumin toimintaa varten. Tämä tarkoitti, että hän todella teki yhden teoreettisen fysiikan tärkeimmistä panoksista. Noin 25 vuoden ajan hän leikki ajatuksilla sähköstä ja magnetismista. Hän hankki magneetteja ja kietoi kuparilankaa niiden ympärille. Hän teki pari melko tärkeää asiaa, kuten löysi sähkömagneettisen induktion ja keksi sähkömoottorin.
(03:19) Ja noin 20 vuoden jälkeen hän teki erittäin rohkean ehdotuksen, että kuvat, jotka hän oli keksinyt hänen mielessään selittääkseen, miten asiat toimivat, olivat itse asiassa oikea kuvaus universumista, jossa elämme.
(03:33) Annan siis esimerkin. Jos otat pari tankomagneettia ja työnnät ne yhteen niin, että kaksi pohjoisnapaa lähestyvät toisiaan - se on kokeilu, jonka olemme kaikki tehneet. Ja kun työnnät näitä magneetteja yhteen, tunnet tämän sienimäisen voiman, joka työntää niitä erilleen. Faraday teki erittäin rohkean ehdotuksen, että magneettien välissä oli jotain. Se on hämmästyttävää, koska katsot magneetteja, siellä on vain ohutta ilmaa, siellä ei selvästikään ole mitään. Mutta Faraday sanoi, että siellä oli jotain, siellä oli mitä me nyt kutsumme magneettikentäksi, hän kutsui sitä voimalinjaksi. Ja että tämä magneettikenttä oli aivan yhtä todellinen kuin itse magneetit.
(04:11) Se oli siis aivan uusi tapa ajatella maailmankaikkeudesta, jossa elämme. Hän ehdotti, että universumissa ei ole vain hiukkasia, vaan lisäksi on olemassa toisenlainen esine, hyvin erilainen esine. , kenttä, joka on olemassa kaikkialla avaruudessa kerralla. Hän sanoi, sanoisimme nyt nykykielellä, että jokaisessa pisteessä universumissa on kaksi vektoria, kaksi nuolta. Ja nämä vektorit kertovat meille sähkö- ja magneettikentän suunnan ja suuruuden.
(04:43) Joten hän jätti meille tämän kuvan maailmankaikkeudesta, jossa on sellainen kaksijakoisuus, että kaksi hyvin, hyvin erilaista kohdetta. Siellä on hiukkasia, jotka muodostavat sähkö- ja magneettikenttiä. Ja sitten nämä sähkö- ja magneettikentät itse heiluvat ja kehittyvät ja vuorostaan kertovat hiukkasille kuinka liikkua. Joten on olemassa tällainen monimutkainen tanssi sen välillä, mitä hiukkaset tekevät, ja mitä kentät tekevät. Ja todella, hänen suuri panoksensa oli sanoa, että nämä kentät ovat todellisia, ne ovat todella yhtä todellisia kuin hiukkaset.
Strogatz (05:12): Miten kenttien käsite sitten muuttui, kun kvanttimekaniikka löydettiin?
Tong (05:18): Joten kun kvanttimekaniikka ilmestyi, nyt on vuosi 1925. Ja meillä on tällainen erikoinen näkemys maailmasta. Tiedämme siis, että on olemassa sähkö- ja magneettikenttiä. Ja tiedämme, että näiden sähkömagneettisten kenttien aaltoilua kutsutaan valoksi. Mutta lisäksi tiedämme kvanttivallankumouksen vuoksi, että valo itsessään koostuu hiukkasista, fotoneista.
(05:41) Ja niin herää eräänlainen kysymys, mikä on, miten pitäisi ajatella tätä kenttien ja fotonien välistä suhdetta toisaalta. Ja mielestäni on olemassa kaksi loogista mahdollisuutta, miten tämä voisi toimia. Voisi olla, että sinun pitäisi ajatella sähkö- ja magneettikenttiä niin, että ne koostuvat monista ja monista fotoneista, pikemminkin kuin neste koostuu monista ja monista atomeista, ja sinä ajattelevat, että atomit ovat perusobjekti. Tai vaihtoehtoisesti se voi olla päinvastoin, kentät voivat olla perusasia. Ja fotonit tulevat kenttien pienistä väreistä. Joten ne olivat kaksi loogista mahdollisuutta.
(06:18) Ja suuri kehitys, no, se alkaa tavallaan vuonna 1927. Mutta kestää hyvät 20 tai 30 vuotta ennen kuin tämä ymmärretään täysin. Suurin arvostus on siis se, että kentät ovat todella perustavanlaatuisia, että sähkö- ja magneettikenttä ovat kaiken perusta. Ja pienet sähkö- ja magneettikentän aaltoilut muuttuvat pieniksi energianippuiksi, joita kutsumme sitten fotoneiksi kvanttimekaniikan vaikutuksesta.
(06:44) Ja ihmeellinen iso askel, yksi suurista yhdistävistä askeleista fysiikan historiassa, on ymmärtää, että sama tarina koskee kaikkia muita hiukkasia. Että asiat, joita kutsumme elektroneiksi, ja asiat, joita kutsumme kvarkeiksi, eivät ole itse perusesineitä. Sen sijaan koko maailmankaikkeudessa on jotain, jota kutsutaan elektronikentällä, aivan kuten sähkö- ja magneettikentät. Ja hiukkaset, joita kutsumme elektroneiksi, ovat tämän elektronikentän pieniä aaltoja. Ja sama koskee kaikkia muita hiukkasia, jotka haluat mainita. Siellä on kvarkkikenttä – itse asiassa kaikkialla maailmankaikkeudessa on kuusi erilaista kvarkkikenttää. On neutrinokenttiä, on kenttiä gluoneille ja W bosonit. Ja aina kun löydämme uuden hiukkasen, joista viimeisin on Higgsin bosoni, tiedämme, että siihen liittyy sen taustalla oleva kenttä, ja hiukkaset ovat vain kentän aaltoja.
Strogatz (07:33): Onko olemassa jokin tietty nimi, joka meidän pitäisi yhdistää tähän ajattelutapaan?
Tong (07:36): On yksi henkilö, ja hän on melkein poistettu historiankirjoista, koska hän oli erittäin innokas natsipuolueen jäsen. Ja hän oli natsipuolueen jäsen jo ennen kuin se kutsuttiin natsipuolueen jäseneksi. Hänen nimensä on Pascal Jordan. Ja hän oli yksi kvanttimekaniikan perustajista. Hän oli alkuperäisissä papereissa Heisenbergin ja muiden kanssa. Mutta hän oli todella se henkilö, joka ensin ymmärsi, että jos aloitat kentästä ja sovellamme kvanttimekaniikan sääntöjä, päädyt hiukkaseen.
Strogatz (08:06): Okei, erittäin hyvä. Mainitsit nyt kaikki nämä erilaiset - elektronikentän, kvarkin, W ja Z bosonit ja muut. Kerro meille hieman vakiomallista, josta kuulemme niin paljon.
Tong (08: 18): Vakiomalli is tämän hetken paras teoriamme maailmankaikkeudesta elämme. Se on esimerkki kvanttikenttäteoriasta. Se on pohjimmiltaan kaikki hiukkaset, jotka olemme jo luetteloineet. Jokaiseen niistä on liitetty kenttä. Ja vakiomalli on kaava, joka kuvaa, kuinka kukin näistä kentistä on vuorovaikutuksessa muiden kanssa. Pelikentät ovat kolme voimakenttää. Ja tavallaan riippuen siitä, kuinka lasket 12 ainekenttää, tavalla, jonka selitän. Joten kolme voimakenttää ovat sähkö ja magnetismi – koska me itse asiassa suurelta osin Faradayn ansiosta ymmärrämme, että sähkökenttä ja magneettikenttä ovat tavallaan saman kolikon kaksi puolta, joten et voi olla ilman toista. Joten me laskemme ne yhdeksi. Ja sitten on kaksi ydinvoimakenttää, joista toinen on nimeltään gluonikenttä, joka liittyy vahvaan ydinvoimaan. Tämä pitää ytimet yhdessä atomien sisällä ja muut heikon ydinvoimaan liittyvät kentät. Niitä kutsutaan nimellä W bosoni tai Z bosonikentät. Meillä on siis kolme voimakenttää.
[LISÄÄ VIDEO: Vakiomalli: Kaikkien aikojen menestynein tieteellinen teoria]
(09:20) Ja sitten meillä on joukko ainekenttiä, ne tulevat kolmessa neljän hengen ryhmässä. Tunnetuimmat niistä ovat elektronikenttä, kaksi kvarkkikenttää, jotka liittyvät ylös- ja alas-kvarkkiin. Protoni sisältää - oi, toivon, että ymmärrämme tämän oikein - kaksi ylös ja alas ja neutroni sisältää kaksi alas ja ylös, luulen, että olen ymmärtänyt sen oikein.
Strogatz (09:41): Voit huijata minua kummallakin tavalla. En voi koskaan muistaa.
Tong (09:43): Kyllä, mutta kuulijat tietävät. Ja sitten neutrinokenttä. Joten siellä on tämä neljän hiukkasen kokoelma, jotka vuorovaikuttavat kolmen voiman kanssa. Ja sitten syystä, jota emme todellakaan ymmärrä, universumi päätti toistaa nuo ainekentät kahdesti. Joten on olemassa toinen neljän hiukkasen kokoelma, jota kutsutaan myoniksi, outo viehätys ja toinen neutrino. Meiltä loppuivat hyvät nimet neutriinoille, joten kutsumme sitä vain myonineutriinoksi. Ja sitten saat toisen neljän kokoelman: tau, yläkvarkki, alakvarkki ja jälleen tau-neutrino. Luonnolla on siis tapa toistaa itseään. Eikä kukaan oikeasti tiedä miksi. Mielestäni se on edelleen yksi suurimmista mysteereistä. Mutta ne 12 hiukkasen kokoelmat, jotka vuorovaikuttavat kolmen voiman kanssa, sisältävät vakiomallin.
(09:43) Niin, ja yksi minulta jäi väliin. Se, jota missasin, on tärkeä. Se on Higgsin bosoni. Higgsin bosoni yhdistää kaiken.
Strogatz (10:37): Selvä, se on kiehtovaa. Ehkä meidän pitäisi kertoa hieman, mitä Higgsin bosoni tekee, mikä rooli sillä on vakiomallissa.
Tong (10:43): Se tekee jotain melko erikoista. Se antaa massan kaikille muille hiukkasille. Haluaisin mielelläni hyvän analogian selittämään, kuinka se antaa massaa. Voin antaa huonon vertauksen, mutta se on todella huono analogia. Huono analogia on, että tämä Higgsin kenttä on levinnyt koko avaruuteen, se on totta. Ja huono analogia on, että se toimii vähän kuin siirappi tai melassi. Hiukkasten on ikäänkuin tunkeuduttava tämän Higgsin kentän läpi edistyäkseen. Ja se hidastaa niitä. Ne liikkuisivat luonnollisesti valon nopeudella, ja tämän Higgsin kentän läsnäolo hidastaa niiden toimintaa. Ja se on vastuussa ilmiöstä, jota kutsumme massaksi.
(11:22) Suuri osa siitä, mitä juuri sanoin, on pohjimmiltaan valhetta. Tarkoitan, se tavallaan viittaa siihen, että pelissä on jokin kitkavoima. Ja se ei ole totta. Mutta se on yksi niistä asioista, joissa yhtälöt ovat itse asiassa yllättävän helppoja. Mutta on melko vaikeaa keksiä vakuuttavaa analogiaa, joka kaappaa nämä yhtälöt.
Strogatz (11:36): Esittämäsi väite on hämmästyttävä, että ilman Higgsin kenttää tai jotain vastaavaa mekanismia kaikki liikkuisi valon nopeudella. Kuulinko oikein?
Tong (11:47): Kyllä, paitsi, kuten aina, nämä asiat, se on kyllä, varauksella. "Mutta" on, jos Higgsin kenttä sammuisi, elektroni liikkuisi valon nopeudella. Joten tiedät, atomit eivät olisi erityisen stabiileja. Neutriino, joka on joka tapauksessa lähes massaton, kulkee valon nopeudella. Mutta osoittautuu, että protonilla tai neutronilla olisi periaatteessa samat massat kuin nyt. Tiedätkö, niiden sisällä olevat kvarkit olisivat massattomia. Mutta protonin tai neutronin sisällä olevien kvarkkien massa on täysin triviaalia verrattuna protoniin tai neutroniin - 0.1%, jotain sellaista. Joten protoni tai neutroni todella saa massansa kvanttikenttäteorian osasta, jota ymmärrämme vähiten, mutta kvanttikenttien villit vaihtelut ovat sitä, mitä protonin tai neutronin sisällä tapahtuu ja antaa niille niiden massan. Joten alkuainehiukkaset muuttuisivat massattomaksi - kvarkeiksi, elektroneiksi - mutta aineet, joista olemme tehty - neutronit ja protonit - eivät. He saavat massansa tästä toisesta mekanismista.
Strogatz (12:42): Olet vain täynnä mielenkiintoisia asioita. Katsotaan, voinko sanoa, mitä ajattelen vastauksena siihen. Ja voit korjata, jos olen ymmärtänyt sen täysin väärin. Joten minulla on nämä voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevat kvarkit esimerkiksi protonin sisällä. Ja pidän mielessäni, että niitä on olemassa E = mc2 Tässä meneillään oleva yhteys, että voimakkaat vuorovaikutukset liittyvät johonkin suureen energiamäärään. Ja se muuttuu jotenkin massaksi. Onko se sitä, vai onko olemassa virtuaalisia hiukkasia, jotka syntyvät ja sitten katoavat? Ja kaikki tämä luo energiaa ja siten massaa?
Tong (13:16): Se on molemmat asiat, jotka juuri sanoit. Joten kerromme tämän valheen lukiossa – fysiikassa on kyse valheiden kertomisesta nuorena ja sen ymmärtämisestä, että asiat ovat hieman monimutkaisempia vanhetessaan. Valhe, jonka kerromme, ja sanoin sen jo aiemmin, on, että jokaisen protonin ja jokaisen neutronin sisällä on kolme kvarkkia. Ja se ei ole totta. Oikea väite on, että protonin sisällä on monia satoja kvarkkeja, antikvarkeja ja gluoneja. Ja väite, että kvarkkeja on todella kolme, oikea tapa sanoa se on, että kulloinkin kvarkkeja on kolme enemmän kuin antikvarkeja. Joten siellä on kolme lisää. Mutta se on poikkeuksellisen monimutkainen esine, protoni. Se ei ole mitään mukavaa ja puhdasta. Se sisältää näitä satoja, mahdollisesti jopa tuhansia erilaisia hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa jollain hyvin monimutkaisella tavalla. Voisit ajatella näitä kvarkki-antikvarkki-pareja, kuten sanot, virtuaalisia hiukkasia, asioita, jotka vain ponnahtavat ulos tyhjiöstä ja ponnahtavat takaisin protonin sisään. Tai toinen tapa ajatella sitä on, että kentät itse ovat kiihtyneet jollain monimutkaisella tavalla ympäriinsä jyskyttävän protonin tai neutronin sisällä ja se antaa niille niiden massan.
Strogatz (14:20): Aiemmin vihjasin, että tämä on erittäin onnistunut teoria ja mainitsin jotain 12 desimaalin tarkkuudella. Voitko kertoa meille siitä? Koska se on yksi suurimmista voitoista, en sanoisi vain kvanttikenttäteorian tai edes fysiikan, vaan koko tieteen osalta. Tarkoitan, että ihmiskunnan yritys ymmärtää maailmankaikkeutta, tämä on luultavasti parasta mitä olemme koskaan tehneet. Ja kvantitatiivisesta näkökulmasta me lajina.
Tong (14:42): Mielestäni se on aivan oikein. Se on tavallaan poikkeuksellista. Sanoisin, että on muutamia asioita, jotka voimme laskea poikkeuksellisen hyvin, kun tiedämme mitä olemme tekemässä, voimme todella tehdä jotain mahtavaa.
Strogatz (14:42): Se riittää saamaan sinut tavallaan filosofiseen tunnelmaan, tämä kysymys matematiikan kohtuuttomasta tehokkuudesta.
Tong (14:52): Joten, tietty kohde tai tietty määrä, eli kvanttikenttäteorian julistepoika, koska voimme laskea sen erittäin hyvin, vaikka näiden laskelmien tekemiseen menee monta, monta vuosikymmentä, ne eivät ole helppoja. Mutta mikä tärkeintä, voimme mitata sen kokeellisesti erittäin hyvin. Se on siis numero nimeltä g-2 , se ei ole erityisen tärkeä kokonaisuuden kannalta, mutta numero on seuraava. Jos otat elektronin, niin sillä on spin. Elektroni pyörii jonkin akselin ympäri, joka ei ole erilainen kuin maapallo pyörii akselinsa ympäri. Se on enemmän kvanttia, mutta se ei ole huono analogia mielessä.
(14:59) Ja jos otat elektronin ja asetat sen magneettikenttään, sen spinin suunta muuttuu ajan myötä ja tämä luku g-2 kertoo vain kuinka nopeasti se käsittelee, -2 on hieman outoa. Mutta naiivisti luulisi, että tämä luku olisi 1. Ja [Paul] Dirac voitti Nobel-palkinnon osittain osoittamalla, että itse asiassa tämä luku on 2 ensimmäisen likiarvon mukaan. Sitten [Julian] Schwinger voitti Nobelin palkinnon, yhdessä [Richard] Feynmanin ja [Sin-Itiro] Tomonagan kanssa, koska osoitit, että se ei ole 2, se on 2-piste-jotain-jotain-jotain. Sitten ajan mittaan olemme tehneet siitä jotain-jotain-jotain toisella yhdeksällä jotain jälkikäteen. Kuten sanoit, se on jotain, jonka tiedämme nyt erittäin hyvin teoreettisesti ja erittäin hyvin kokeellisesti. Ja on vain hämmästyttävää nähdä nämä numerot, numero numeron perään, sopivat keskenään. Se on jotain melko erikoista.
(15:21) Tämä on yksi niistä asioista, joka työntää sinut siihen suuntaan, että se on niin hyvää. On niin hyvä, että tämä ei ole malli maailmalle, tämä on jotenkin paljon lähempänä todellista maailmaa, tätä yhtälöä.
Strogatz (16:31): Kun siis on ylistetty kvanttikenttäteoriaa, ja se ansaitsee kiitoksen, meidän pitäisi myös tunnustaa, että se on erittäin monimutkainen ja jollain tapaa ongelmallinen teoria tai teoriajoukko. Ja niinpä tässä keskustelumme osassa mietin, voisitko auttaa meitä ymmärtämään, mikä varauma meillä pitäisi olla? Tai missä on raja. Kuten sanotaan, että teoria on epätäydellinen. Mikä siinä on epätäydellistä? Mitkä ovat kvanttikenttäteorian suurimmat jäljellä olevat mysteerit?
Tong (17:01): Tiedätkö, se todella riippuu siitä, mitä tilaat. Jos olet fyysikko ja haluat laskea tämän luvun g-2, silloin kvanttikenttäteoriassa ei ole mitään epätäydellistä. Kun kokeilu paranee, laskemme tai teemme paremmin. Voit todella tehdä niin hyvin kuin haluat. Tässä on useita akseleita. Joten anna minun keskittyä aluksi yhteen.
(17:22) Ongelma tulee, kun puhumme puhtaille matemaatikkoystävillemme, koska puhtaat matemaatikkoystävämme ovat älykkäitä ihmisiä, ja luulemme, että meillä on tämä matemaattinen teoria. Mutta he eivät ymmärrä, mistä puhumme. Ja se ei ole heidän, se on meidän. Se, että käsittelemämme matematiikka ei ole tiukalla pohjalla. Se on jotain, jossa pelaamme nopeasti ja löysästi erilaisilla matemaattisilla ideoilla. Ja olemme melko varmoja, että tiedämme mitä teemme, kuten tämä sopimus kokeiden kanssa osoittaa. Mutta se ei todellakaan ole sillä tiukkuudella, että matemaatikot olisivat varmasti mukavia. Ja uskon yhä useammin, että myös me fyysikot tunnemme olomme epämukavaksi.
(17:22) Minun pitäisi sanoa, että tämä ei ole uusi asia. Aina kun tulee uusia ideoita, uusia matemaattisia työkaluja, usein fyysikot ottavat nämä ideat ja juoksevat niiden mukana, koska he voivat ratkaista asioita. Ja matemaatikot ovat aina - he pitävät sanasta "tiukka", ehkä sana "pedantti" on parempi. Mutta nyt he kulkevat hitaammin kuin me. He merkitsevät i:n ja ylittävät T:n. Ja jotenkin kvanttikenttäteorian suhteen minusta tuntuu, että siitä on niin kauan, edistystä on ollut niin vähän, että ehkä ajattelemme sitä väärin. Joten se yksi hermostuneisuus on se, että sitä ei voida tehdä matemaattisesti tiukasti. Eikä se johdu yrittämisen halusta.
Strogatz (18:33): No, yritetään ymmärtää vaikeuden ydin. Tai ehkä niitä on monia. Mutta puhuit aiemmin Michael Faradaysta. Ja jokaisessa avaruuden pisteessä meillä on vektori, suure, jota voisimme ajatella nuolena, sillä on suunta ja suuruus, tai jos haluamme, voimme ajatella sitä kolmena numerona, ehkä kuten x, y. ja kunkin vektorin z-komponentti. Mutta kvanttikenttäteoriassa kussakin pisteessä määritellyt objektit ovat luulisin monimutkaisempia kuin vektorit tai luvut.
Tong (18:33): Ne ovat. Joten matemaattinen tapa sanoa tämä on, että jokaisessa pisteessä on operaattori - jokin, jos haluatte, ääretön ulottuvuusmatriisi, joka istuu jokaisessa avaruuden pisteessä ja vaikuttaa johonkin Hilbert-avaruuteen, joka itsessään on hyvin monimutkainen ja hyvin vaikea määritellä. Matematiikka on siis monimutkaista. Ja suurelta osin juuri tämän asian takia maailma on jatkumo, ajattelemme, että tila ja aika, erityisesti tila, on jatkuvaa. Ja siksi sinun on määriteltävä todella jotain jokaisessa kohdassa. Ja yhden pisteen vieressä, äärettömän lähellä sitä pistettä, on toinen piste toisella operaattorilla. On siis ääretön, joka näkyy, kun katsot yhä pienempiä etäisyysasteikkoja, ei ääretön, joka menee ulospäin, vaan ääretön, joka menee sisäänpäin.
(19:44) Mikä ehdottaa tapaa kiertää se. Yksi tapa kiertää se on vain teeskennellä näitä tarkoituksia varten, että avaruus ei ole jatkuvaa. Itse asiassa voi hyvinkin olla, että avaruus ei ole jatkuvaa. Voit siis kuvitella ajattelevasi hilan käyttöä, mitä matemaatikot kutsuvat hilaksi. Joten sen sijaan, että sinulla olisi jatkuva avaruus, ajattelet pistettä ja sitten rajallisen etäisyyden päässä siitä toista pistettä. Ja rajallisen matkan päässä siitä, toinen kohta. Eli diskretisoit avaruuden, toisin sanoen, ja sitten ajattelet sitä, mitä me kutsumme vapausasteiksi, tavaraa, joka liikkuu eläessään vain näissä hilapisteissä sen sijaan, että eläisi jossain jatkumossa. Se on asia, jonka matemaatikot hallitsevat paljon paremmin.
(19:44) Mutta meillä on ongelma, jos yritämme tehdä niin. Ja mielestäni se on yksi teoreettisen fysiikan syvimmistä ongelmista. Joitakin kvanttikenttäteorioita, emme yksinkertaisesti voi diskretisoida sillä tavalla. On olemassa matemaattinen lause, joka kieltää sinua kirjoittamasta tiettyjen kvanttikenttäteorioiden diskreettejä versioita.
Strogatz (20:41): Voi, kulmakarvani kohoaa tuosta.
Tong (20:43): Lauseen nimi on Nielsen-Ninomiya-lause. Kvanttikenttäteorioiden luokkaan, jota et voi eritellä, on universumiamme kuvaava standardimalli.
Strogatz (20:52): Ei vitsi! Vau.
Tong (20:54): Tiedätkö, jos otat tämän lauseen nimellisarvolla, se kertoo meille, ettemme elä Matrixissa. Tapa, jolla simuloit mitä tahansa tietokoneella, on ensin diskretisoida se ja sitten simuloida. Ja silti on olemassa perustavanlaatuinen este fysiikan lakien ymmärtämiselle sellaisina kuin ne tunnemme. Emme siis voi simuloida fysiikan lakeja, mutta se tarkoittaa, että kukaan muukaan ei voi. Joten jos todella ostat tämän lauseen, emme elä Matrixissa.
Strogatz (21:18): Viihdyn todella, David. Tämä on niin mielenkiintoista. Minulla ei ole koskaan ollut mahdollisuutta opiskella kvanttikenttäteoriaa. Sain ottamaan kvanttimekaniikkaa Jim Peeblesilta Princetonista. Ja se oli upeaa. Ja nautin siitä todella paljon, mutta en koskaan jatkanut. Joten kvanttikenttäteoria, olen vain monien kuuntelijoidemme asemassa, katsoen vain syvästi kaikkia kuvailemiasi ihmeitä,
Tong (21:41): Voin kertoa sinulle hieman enemmän vakiomallin tarkasta osa-alueesta, joka tekee simuloinnista vaikeaksi tai mahdottomaksi tietokoneella. Siinä on hieno tunnuslause, voin lisätä kuin Hollywoodin tunnuslause. Tunnuslause kuuluu: "Peilissä voi tapahtua asioita, joita ei voi tapahtua maailmassamme." 1950-luvulla Chien-Shiung Wu havaitsi sen, mitä kutsumme pariteettirikkomukseksi. Tämä on väite, että kun katsot jotain edessäsi tapahtuvaa tai katsot sen kuvaa peilistä, voit erottaa, voit kertoa tapahtuiko se todellisessa maailmassa vai peilistä. Ongelmalliseksi osoittautuu se fysiikan lakien puoli, että peiliin heijastuneena tapahtuu erilaista kuin todellisuudessa. Se on se aspekti, jota on vaikea tai mahdoton simuloida tämän teorian mukaan.
Strogatz (22:28): On vaikea ymmärtää, miksi tarkoitan, koska hilalla itsessään ei olisi mitään ongelmia pariteetin kanssa. Mutta joka tapauksessa, olen varma, että se on hienovarainen teoreema.
Tong (22:36): Voin yrittää kertoa sinulle hieman siitä, miksi jokainen hiukkanen maailmassamme - elektronit, kvarkit. Ne jakautuvat kahdeksi eri hiukkaseksi. Heitä kutsutaan vasenkätisiksi ja oikeakätisiksi. Ja se liittyy pohjimmiltaan siihen, kuinka heidän pyörimisensä muuttuu heidän liikkuessaan. Fysiikan lait ovat sellaiset, että vasenkätiset hiukkaset tuntevat eri voiman kuin oikeakätiset hiukkaset. Tämä johtaa tähän pariteettirikkomukseen.
(22:59) Nyt käy ilmi, että on haastavaa kirjoittaa muistiin matemaattisia teorioita, jotka ovat johdonmukaisia ja joilla on tämä ominaisuus, että vasenkätiset ja oikeakätiset hiukkaset kokivat erilaisia voimia. Siellä on porsaanreikiä, joista sinun on hypättävä. Sitä kutsutaan kvanttikenttäteoriassa poikkeavuuksiksi tai poikkeavuuksien kumoamiseksi. Ja nämä hienovaraisuudet, nämä porsaanreiät, joista ne tulevat, ainakin tietyillä tavoilla laskea, että tila on jatkuvaa, näet nämä porsaanreiät vain, kun tilaa on, tai nämä vaatimukset, kun tila on jatkuvaa. Hila ei siis tiedä tästä mitään. Hila ei tiedä mitään näistä hienoista poikkeavuuksista.
(23:36) Mutta ristiriitaista teoriaa ei voi kirjoittaa ylös. Joten jotenkin hilan on peitettävä perseensä, sen on varmistettava, että kaikki, mitä se antaa, on johdonmukaista teoriaa. Ja tapa se tekee sen on vain olematta sallimatta teorioita, joissa vasenkätiset ja oikeakätiset hiukkaset tuntevat erilaisia voimia.
Strogatz (23:50): Selvä, luulen tajuavani sen maun. Se on jotain sellaista, että topologia sallii jotkin ilmiöt, nämä poikkeavuudet, joita tarvitaan nähdäksemme mitä näemme heikon voiman tapauksessa, joita erillinen tila ei salli. Se jokin jatkuvuudesta on avainasemassa.
Tong (24:06): Sanoit sen paremmin kuin minä. Se kaikki liittyy topologiaan. Se on aivan oikein. Joo.
Strogatz (24:11): Selvä. Hyvä. Se on todella mukava kulku meille, siihen, mihin toivoin pääsevämme seuraavaksi, eli puhumaan siitä, mitä kvanttikenttäteoria on tehnyt matematiikan hyväksi, koska se on toinen suurista menestystarinoista. Vaikka tiedäthän, maailmankaikkeudesta välittäville fyysikoille se ei ehkä ole ensisijainen huolenaihe, mutta matematiikan ihmisille olemme hyvin kiitollisia ja myös hämmentyneitä siitä suuresta panoksesta, jonka puhtaasti matemaattisten objektien ajattelu on antanut. ikään kuin he kertoisivat heille kvanttikenttäteorian oivalluksista. Voisitko vain kertoa meille vähän siitä tarinasta, joka alkoi esimerkiksi 1990-luvulta?
Tong (24:48): Joo, tämä on todella yksi kvanttikenttäteorian upeista asioista. Eikä tässä ole pientä ironiaa. Tiedättehän, ironista on se, että käytämme näitä matemaattisia tekniikoita, joita matemaatikot ovat erittäin epäluuloisia, koska he eivät ajattele niin, että he eivät ole tiukkoja. Ja silti samaan aikaan pystymme jotenkin hyppäämään matemaatikot ja melkein voittamaan heidät heidän omassa pelissään tietyissä olosuhteissa, jolloin voimme kääntyä ympäri ja antaa heille tuloksia, joista he ovat kiinnostuneita, heidän omalla alueellaan. erikoisuus ja tulokset, jotka joissain olosuhteissa ovat muuttaneet täysin joitain matematiikan alueita.
(25:22) Joten voin yrittää antaa sinulle jonkinlaisen käsityksen siitä, miten tämä toimii. Se matematiikan alue, jolla tästä on ollut eniten hyötyä, ovat geometriaan liittyvät ideat. Se ei ole ainoa. Mutta se on mielestäni se, jota olemme edistyneet eniten ajattelussamme fyysikoina. Ja tietysti geometria on aina ollut lähellä fyysikkojen sydäntä. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria todella kertoo meille, että tila ja aika ovat itsessään jotain geometristä esinettä. Joten otamme sen, mitä matemaatikot kutsuvat moninaiseksi, se on geometrinen avaruus. Mielessäsi voit ajatella ensinnäkin jalkapallon pintaa. Ja sitten ehkä jos munkin pinta, jossa on reikä keskellä. Ja sitten yleistetään suolarinkinän pintaan, jonka keskellä on muutamia reikiä. Ja sitten iso askel on ottaa se kaikki ja työntää se joihinkin korkeampiin ulottuvuuksiin ja ajatella jotain korkeamman ulottuvuuden esinettä, jonka ympärille on kietoutunut korkeamman ulottuvuuden reikiä, ja niin edelleen.
(26:13) Ja niinpä sellaisia kysymyksiä, joita matemaatikot kysyvät meiltä luokitellaksemme tällaisia esineitä, kysyäksemme, mitä erityistä eri esineissä on, millaisia reikiä niissä voi olla, mitä rakenteita niissä voi olla ja niin edelleen. Ja fyysikoina meillä on tavallaan ylimääräistä intuitiota.
(26:28) Mutta lisäksi meillä on tämä kvanttikenttäteorian salainen ase. Meillä on tavallaan kaksi salaista asetta. Meillä on kvanttikenttäteoria; meillä on tahallinen välinpitämättömyys kurinalaisuudesta. Nämä kaksi yhdistyvät aika hienosti. Ja siksi kysymme kysymyksiä, kuten, ota yksi näistä tiloista ja laita siihen hiukkanen, ja kysymme, kuinka tuo hiukkanen reagoi tilaan? Nyt hiukkasten tai kvanttihiukkasten kanssa tapahtuu jotain varsin mielenkiintoista, koska sillä on todennäköisyysaalto, joka leviää avaruuteen. Ja siksi tämän kvanttiluonteen vuoksi sillä on mahdollisuus tietää avaruuden globaalista luonteesta. Se voi tavallaan tuntea koko tilan kerralla ja selvittää missä ovat reiät, missä laaksot ja missä ovat huiput. Ja niinpä kvanttihiukkasemme voivat tehdä asioita, kuten juuttua tiettyihin reikiin. Ja tällä tavalla kerro meille jotain tilojen topologiasta.
(27:18) Joten kvanttikenttäteorian soveltaminen tähän on saavuttanut useita erittäin suuria onnistumisia, joista yksi suurimmista oli 1990-luvun alussa, peilisymmetriaksi kutsuttu asia, joka mullisti alueen ns. symplektinen geometria. Vähän myöhemmin [Nathan] Seiberg ja [Edward] Witten ratkaisi tietyn neliulotteisen kvanttikenttäteorian, ja se antoi uusia näkemyksiä neliulotteisten tilojen topologiasta. Se on todellakin ollut ihanan hedelmällinen ohjelma, jossa nyt useita vuosikymmeniä on tapahtunut, että fyysikot tulevat keksimään uusia ideoita kvanttikenttäteoriasta, mutta eivät täysin pysty todistamaan niitä tyypillisesti tämän kurinalaisuuden puutteen vuoksi. Ja sitten tulee matemaatikot mukaan, mutta se ei ole vain silmien pilkkomista ja T:n ristiin asettamista, vaan he tyypillisesti ottavat ideat ja todistavat ne omalla tavallaan ja esittelevät uusia ideoita.
(28:02) Ja nuo uudet ideat syöttyvät sitten takaisin kvanttikenttäteoriaan. Ja niin on tapahtunut tämä todella upea harmoninen kehitys matematiikan ja fysiikan välillä. Kuten käy ilmi, kysymme usein samoja kysymyksiä, mutta käyttämällä hyvin erilaisia työkaluja ja keskustelemalla toisillemme, olemme edistyneet paljon enemmän kuin muuten olisimme tehneet.
Strogatz (28:18): Luulen, että antamasi intuitiivinen kuva on erittäin hyödyllinen, kun ajatellaan jotenkin tätä kvanttikentän käsitettä jonakin, joka on siirretty. Tiedätkö, pikemminkin kuin hiukkanen, jota pidämme pistemäisenä, sinulla on tämä objekti, joka leviää koko tilassa ja ajassa, jos teoriassa on aikaa tai jos teemme vain geometriaa, luulisin, että ajattelen vain sen leviävän koko tilaan. Nämä kvanttikentät sopivat erittäin siististi globaalien piirteiden havaitsemiseen, kuten sanoit.
(28:47) Ja se ei ole tavallinen ajattelutapa matematiikassa. Olemme tottuneet ajattelemaan pistettä ja pisteen lähialuetta, pisteen äärettömän pientä lähialuetta. Se on ystävämme. Olemme kuin likinäköisimpiä olentoja matemaatikoina, kun taas fyysikot ovat niin tottuneet ajattelemaan näitä automaattisesti globaaleja aistivia esineitä, näitä kenttiä, jotka voivat, kuten sanot, haistaa ääriviivat, laaksot, huiput, pintojen kokonaisuudet. globaaleista esineistä.
Tong (29:14): Joo, se on aivan oikein. Ja osa palautteesta fysiikkaan on ollut erittäin tärkeää. Kun ymmärrämme, että topologia on todella monien kvanttikenttäteoriamme ajattelutapojen taustalla, meidän pitäisi ajatella globaalisti niin kvanttikenttäteoriassa kuin geometriassakin. Ja tiedätkö, on olemassa ohjelmia esimerkiksi kvanttitietokoneiden rakentamiseen ja yksi parhaista, no, ehkä se on yksi optimistisimmista tavoista rakentaa kvanttitietokoneita.
(29:34) Mutta jos se voitaisiin saada toimimaan, yksi tehokkaimmista tavoista rakentaa kvanttitietokone on käyttää kvanttikenttäteorian topologisia ideoita, joissa tietoa ei tallenneta paikalliseen pisteeseen, vaan se tallennetaan maailmanlaajuisesti. tila. Etuna on, että jos työnnät sitä jonnekin jossain vaiheessa, et tuhoa tietoja, koska niitä ei tallenneta yhteen kohtaan. Se tallennetaan kaikkialle kerralla. Joten kuten sanoin, matematiikan ja fysiikan välillä on todella upea vuorovaikutus, joka tapahtuu puhuessamme.
Strogatz (30:01): No, siirretään vaihteet viimeisen kerran takaisin matematiikasta kohti fysiikkaa ja ehkä jopa vähän kosmologiaa. Fysikaalisen teorian menestystarinasta, enemmän kvanttikenttäteoriaksi kutsumistamme teorioista, olemme tehneet näitä kokeita melko äskettäin CERNissä. Onko tämä, siellä Large Hadron Collider, onko se oikein?
Tong (30:01): Juuri niin. Se on Genevessä.
Strogatz (30:04): Okei. Mainitsit kauan ennustetun Higgsin löydöstä 50, 60 vuotta sitten, mutta ymmärrykseni fyysikot ovat olleet – no, mikä on oikea sana? Pettynyt, järkyttynyt, ymmällään. Että jotkin niistä asioista, joita he toivoivat näkevänsä Large Hadron Colliderin kokeissa, eivät ole toteutuneet. Supersymmetria, vaikka se on yksi. Kerro meille vähän siitä tarinasta. Missä toivomme saavamme lisää näistä kokeista? Miltä meidän pitäisi tuntua, jos emme näe enempää?
Tong (30:53): Toivoimme näkevämme lisää. Minulla ei ole aavistustakaan, miltä meidän pitäisi tuntea, vaikka emme ole nähneet. Voisin, voin kertoa sinulle tarinan.
Tong (31:00): Joten LHC rakennettiin. Ja se rakennettiin sillä odotuksella, että se löytäisi Higgsin bosonin, minkä se teki. Higgsin bosoni oli vakiomallin viimeinen osa. Ja oli syytä ajatella, että kun saamme valmiiksi standardimallin, Higgsin bosoni olisi myös portaali, joka johti meidät seuraavaan, seuraavaan todellisuuden kerrokseen sen jälkeen, mikä tulee myöhemmin. Ja on olemassa argumentteja, joita voit esittää, että kun löydät Higgsin, sinun pitäisi löytää tavallaan samasta naapurustosta, samasta energia-asteesta kuin Higgs, joitain muita hiukkasia, jotka jollakin tavalla stabiloivat Higgsin bosonia. Higgsin bosoni on erityinen. Se on vakiomallin ainoa hiukkanen, joka ei pyöri. Kaikki muut hiukkaset, elektroni pyörii, fotoni pyörii, sitä me kutsumme polarisaatioksi. Higgsin bosoni on ainoa hiukkanen, joka ei pyöri. Jossain mielessä se on vakiomallin yksinkertaisin hiukkanen.
(31:00) Mutta on väitteitä, teoreettisia väitteitä, jotka sanovat, että hiukkasen, joka ei pyöri, tulisi olla erittäin raskas massa. Erittäin raskaat välineet työnnetty korkeimmalle mahdolliselle energia-asteikolle. Nämä väitteet ovat hyviä argumentteja. Voisimme käyttää kvanttikenttäteoriaa monissa muissa tilanteissa kvanttikenttäteorian kuvaamissa materiaaleissa. On aina totta, että jos hiukkanen ei pyöri, sitä kutsutaan skalaarihiukkaseksi. Ja siinä on kevyt massa. On syynsä miksi se on kevyttä.
(32:25) Ja niinpä odotimme syyn siihen, miksi Higgsin bosonilla oli niin suuri massa kuin sillä on. Ja luulimme, että syy tulee sisältämään joitain ylimääräisiä hiukkasia, jotka tavallaan ilmestyvät Higgsin ilmestyessä. Ja ehkä se oli supersymmetriaa ja ehkä se oli jotain nimeltä teknicolor. Ja siellä oli monia, monia teorioita. Ja huomasimme, että Higgs ja LHC – tämä on mielestäni tärkeää lisätä – ovat ylittäneet kaikki odotukset koneen toiminnan ja kokeiden sekä ilmaisimien herkkyyden suhteen. Ja nämä ihmiset ovat ehdottomia sankareita, jotka tekevät kokeilun.
(32:56) Ja vastaus on, että tällä hetkellä tutkimallamme energiamittakaavassa ei vain ole mitään muuta. Ja se on arvoitus. Se on minulle arvoitus. Ja se on arvoitus monille muille. Olimme selvästi väärässä; olimme selvästi väärässä odottaessamme, että meidän pitäisi löytää jotain uutta. Mutta emme tiedä miksi olemme väärässä. Tiedätkö, emme tiedä mikä noissa väitteissä oli vikana. He tuntevat edelleen olevansa oikeat, he pitävät edelleen oikealta minua kohtaan. Joten jotain, mitä meiltä puuttuu kvanttikenttäteoriasta, mikä on jännittävää. Ja tiedäthän, on hyvä olla väärässä tällä tieteen alueella, koska vasta kun olet väärässä, sinut voidaan vihdoin työntää oikeaan suuntaan. Mutta on reilua sanoa, että emme tällä hetkellä ole varmoja, miksi olemme väärässä.
Strogatz (33:32): Se on hyvä asenne, eikö niin, että niin paljon on edistytty näistä paradokseista, siitä, mikä tuohon aikaan tuntuu pettymykseltä. Mutta elää sen läpi ja olla sukupolvessa – tarkoitan, no, en halua sanoa, että saatat olla pesty, kun tämä selvitetään, mutta se on pelottava mahdollisuus.
Tong (33:50): Pesty olisi hyvä. Mutta haluaisin olla elossa.
Strogatz (33:56): Joo, minusta tuntui pahalta edes sanoa niin.
Mennessämme pienestä suureen, miksi emme ajattele joitain kosmologisia kysymyksiä. Koska jotkut muut suuret mysteereistä, kuten pimeä aine, pimeä energia, varhainen universumi. Joten opiskelet yhtenä omana erittäin kiinnostavana alueesi, juuri alkuräjähdyksen jälkeisenä aikana, jolloin meillä ei oikeastaan vielä ollut hiukkasia. Meillä oli vain kvanttikenttiä?
Tong (34:22): Alkuräjähdyksen jälkeen oli aika, jota kutsuttiin inflaatioksi. Joten se oli aika, jolloin universumi laajeni hyvin, hyvin nopeasti. Ja universumissa oli kvanttikenttiä, kun tämä tapahtui. Ja mielestäni yksi hämmästyttävimmistä tarinoista koko tieteessä on se, että näillä kvanttikentillä oli vaihteluita. Ne pomppivat aina ylös ja alas, vain kvanttivärinän takia. Aivan kuten Heisenbergin epävarmuusperiaate sanoo, että hiukkanen ei voi, ei voi olla tietyssä paikassa, koska sillä on ääretön liikemäärä, joten tiedäthän, että siellä on aina jonkin verran epävarmuutta. Sama pätee näille aloille. Nämä kvanttikentät eivät voi olla täsmälleen nollaa tai täsmälleen jotain arvoa. Ne tärisevät aina ylös ja alas kvanttiepävarmuuden vuoksi.
(35:02) Ja se, mitä tapahtui näinä ensimmäisten sekuntien aikana – sekunnit ovat aivan liian pitkiä. Ensimmäiset 10-30 Oletetaan, että sekuntia alkuräjähdyksestä universumi laajenee hyvin nopeasti. Ja nämä kvanttikentät ikäänkuin jäivät kiinni tekoon, että ne vaihtelivat, mutta sitten universumi veti ne erilleen laajoihin mittakaavaihin. Ja ne vaihtelut jäivät sinne. Ne eivät voineet enää vaihdella, periaatteessa kausaalisista syistä johtuen, koska nyt ne olivat levinneet niin pitkälle, että yksi osa vaihtelusta ei tiennyt mitä toinen teki. Joten nämä heilahtelut ulottuvat koko maailmankaikkeuteen, aikoinaan.
(35:43) Ja ihana tarina on, että voimme nähdä ne, voimme nähdä ne nyt. Ja olemme ottaneet heistä valokuvan. Valokuvalla on siis kauhea nimi. Sitä kutsutaan kosmiseksi mikroaaltotaustasäteilyksi. Tiedät tämän valokuvan, se on sininen ja punainen aaltoilu. Mutta se on valokuva tulipallosta, joka täytti maailmankaikkeuden 13.8 miljardia vuotta sitten, ja siinä on aaltoilua. Ja ne aaltoilut, jotka voimme nähdä, kylväivät nämä kvanttivaihtelut muutaman sekunnin ensimmäisen murto-osan aikana alkuräjähdyksen jälkeen. Ja voimme tehdä laskelman, voit laskea miltä kvanttivaihtelut näyttävät. Ja voit kokeellisesti mitata CMB:n vaihtelut. Ja he vain ovat samaa mieltä. Joten on hämmästyttävä tarina, että voimme ottaa valokuvan näistä vaihteluista.
(36:30) Mutta tässä on myös pettymyksen taso. Näkemämme vaihtelut ovat melko vaniljaisia, ne ovat vain sellaisia, joita saisit vapailta pelloilta. Ja olisi mukavaa, jos saisimme lisää tietoa, jos voisimme nähdä - tilastollinen nimi on, että vaihtelut ovat Gaussin. Ja olisi kiva nähdä jotain ei-gaussilaista, joka kertoisi meille kenttien välisistä vuorovaikutuksista hyvin, hyvin varhaisessa universumissa. Ja niin taas, Planck-satelliitti on, on lentänyt ja se on ottanut CMB:stä tilannekuvan yhä selvemmillä yksityiskohdilla, ja siellä olevat ei-gaussilaiset, jos niitä on ollenkaan, ovat vain pienempiä kuin Planck. satelliitti voi havaita.
(36:52) Tulevaisuudessa on siis toivoa, että on olemassa muita CMB-kokeita, on myös toivoa, että nämä ei-gaussisuus voisivat ilmaantua galaksien muodostumistavassa, galaksien tilastollinen jakautuminen universumin läpi pitää myös muistin näistä. vaihtelut, jonka tiedämme olevan totta, mutta ehkä saamme sieltä lisää tietoa. Joten on todella uskomatonta, että voit jäljittää nämä vaihtelut 14 miljardin vuoden ajan, aivan varhaisimmista vaiheista siihen, miten galaksit ovat jakautuneet maailmankaikkeudessa nyt.
Strogatz (37:36): No, se on antanut minulle paljon näkemystä, jota minulla ei aiemmin ollut, näiden kvanttivaihteluiden jäljestä kosmiseen mikroaaltotaustaan. Olen aina ihmetellyt. Mainitsit, että se on vapaa teoria, mikä tarkoittaa - mitä, kerro meille mitä "ilmainen" tarkoittaa tarkalleen? Eikö mitään ole oikein? Tarkoitan, se on vain, se on itse tyhjiö?
Tong (37:45): Kyse ei ole vain tyhjiöstä, koska nämä kentät innostuvat maailmankaikkeuden laajentuessa. Mutta se on vain kenttä, joka ei ole vuorovaikutuksessa minkään muun kentän tai edes itsensä kanssa, se vain pomppii ylös ja alas kuin harmoninen oskillaattori, periaatteessa. Jokainen piste pomppii ylös ja alas kuin jousi. Joten se on tavallaan tylsin kenttä, jonka voit kuvitella.
Strogatz (38:11): Ja tämä tarkoittaa, että meidän ei tarvinnut olettaa mitään tiettyä kvanttikenttää universumin alussa. Se on vain, niin sinä sanot, vanilja.
Tong (38:19): Se on vaniljaa. Joten olisi ollut mukava saada parempi käsitys siitä, että näitä vuorovaikutuksia tapahtuu tai näitä vuorovaikutuksia tapahtuu tai kentällä oli tämä tietty ominaisuus. Ja siltä ei näytä - ehkä tulevaisuudessa, mutta tällä hetkellä emme ole vielä siellä.
Strogatz (38:32): Joten ehkä meidän pitäisi sitten päättää henkilökohtaisista toiveistasi. Onko olemassa yksi asia, jos sinun pitäisi nostaa esiin yksi asia, jonka haluaisit nähdä ratkeavan henkilökohtaisesti lähivuosina tai kvanttikenttäteorian tulevaisuuden tutkimuksen kannalta, mikä olisi suosikkisi? Jos saisit unelmoida.
Tong (38:48): Niitä on niin monia —
Strogatz: Voit valita lisää.
Tong: Matemaattisella puolella on asioita. Joten haluaisin mielelläni ymmärtää matemaattiselta puolelta enemmän tästä Nielsen-Ninomiyan lauseesta, tosiasiasta, että tiettyjä kvanttikenttäteorioita ei voi diskretisoida. Ja onko lauseessa porsaanreikiä? Onko olemassa oletuksia, jotka voimme heittää pois ja onnistua siinä jotenkin?
(39:07) Tiedätkö, fysiikan lauseet, niitä kutsutaan yleensä "ei-go" -lauseiksi. Et voi tehdä tätä. Mutta ne ovat usein opasteita siitä, mihin sinun pitäisi etsiä, koska matemaattinen lause on tietysti totta, mutta siksi siihen liittyy erittäin tiukkoja oletuksia. Joten ehkä voit heittää pois tämän oletuksen tai sen oletuksen ja edistyä siinä. Se on siis matemaattisella puolella, haluaisin mielelläni nähdä edistystä siinä.
(39:28) Kokeellisella puolella, mikä tahansa niistä asioista, joista olemme puhuneet - jokin uusi hiukkanen, uudet vihjeet siitä, mitä on takana. Ja näemme vihjeitä melko säännöllisesti. Viimeisin on, että massa W Bosonin puolella Atlanttia eroaa massasta W bosoni minun puolellani Atlanttia ja se näyttää oudolta. Vihjeitä pimeästä aineesta tai pimeästä aineesta. Mikä tahansa se onkin, se on tehty kvanttikentistä. Siitä ei ole epäilystäkään.
(39:53) Ja pimeä energia, johon viittasit ennusteiden olemassaoloon, on liian vahva sana, mutta kvanttikenttäteoriasta on ehdotuksia. kaikissa noiden kvanttikenttien vaihteluiden pitäisi ohjata universumin laajenemista. Mutta tavallaan, paljon isompi kuin me todellisuudessa näemme.
(40:07) Eli sama palapeli kuin Higgsien kanssa. Miksi Higgs on niin kevyt? Siinä on myös pimeää energiaa. Miksi maailmankaikkeuden kosmologinen kiihtyvyys on niin pieni verrattuna siihen, mitä me ajattelemme sen olevan. Joten on hieman outo tilanne olla. Tarkoitan, meillä on tämä teoria. Se on täysin hämmästyttävää. Mutta on myös selvää, että on asioita, joita emme todellakaan ymmärrä.
Strogatz (40:26): Haluan vain kiittää sinua, David Tong, tästä todella laaja-alaisesta ja kiehtovasta keskustelusta. Kiitos paljon, että liityit kanssani tänään.
Tong (40:33): Olen iloinen. Kiitos paljon.
Kuuluttaja (40:39): Jos haluat The Joy of Why, tarkista Quanta-lehden tiedepodcast, jonka isännöin minä, Susan Valot, yksi tämän ohjelman tuottajista. Kerro myös ystävillesi tästä podcastista ja tykkää tai seuraa missä kuuntelet. Se auttaa ihmisiä löytämään The Joy of Why podcast.
Steve Strogatz (41: 03): The Joy of Why on podcast osoitteesta Quanta-lehti, toimituksellisesti riippumaton julkaisu, jota Simons Foundation tukee. Simons Foundationin rahoituspäätökset eivät vaikuta aiheiden, vieraiden valintaan tai muihin toimituksellisiin päätöksiin tässä podcastissa tai Quanta-lehti. The Joy of Why on tuottanut Susan Valot ja Polly Stryker. Toimittajamme ovat John Rennie ja Thomas Lin, joita tukevat Matt Carlstrom, Annie Melchor ja Leila Sloman. Teemamusiikkimme on säveltänyt Richie Johnson. Logomme on Jackie King, ja jaksojen kuvitus on Michael Driver ja Samuel Velasco. Olen isäntäsi, Steve Strogatz. Jos sinulla on meille kysymyksiä tai kommentteja, lähetä meille sähköpostia osoitteeseen quanta@simonsfoundation.org. Kiitos kuuntelemisesta.
