מהי תורת שדות קוונטים ומדוע היא לא שלמה?

תורת השדות הקוונטית עשויה להיות התיאוריה המדעית המצליחה ביותר בכל הזמנים, המנבאת תוצאות ניסויים בדיוק מדהים ומקדמת את חקר המתמטיקה בממדים גבוהים יותר. עם זאת, יש גם סיבה להאמין שחסר בו משהו. סטיבן סטרוגאץ מדבר עם דיוויד טונג, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת קיימברידג', כדי לחקור את השאלות הפתוחות של התיאוריה האניגמטית הזו.

תקשיב Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, Stitcher, לכונן או אפליקציית הפודקאסט המועדפת עליך, או שאתה יכול להזרים את זה Quanta.

תמליל

סטיבן סטרוגאץ (00:03): אני סטיב סטרוגאץ, וזהו השמחה של למה, פודקאסט ממגזין קוואנטום שלוקח אותך לכמה מהשאלות הגדולות ביותר ללא מענה במתמטיקה ובמדעים כיום.

(00:12) אם אי פעם תהיתם ממה אנחנו בעצם עשויים, סביר להניח שמצאתם את עצמכם יורדים לבור של תגליות. בדיוק כמו יצורים חיים אחרים, כמובן, אנחנו עשויים מתאי. ותאים, בתורם, עשויים ממולקולות ומולקולות עשויות מאטומים. חפרו אפילו יותר לעומק ודי מהר תמצאו את עצמכם ברמה של אלקטרונים וקווארקים. אלו הם החלקיקים שנחשבו באופן מסורתי לסוף הקו, אבני היסוד של החומר.

(00:39) אבל היום, אנחנו יודעים שזהו לא באמת המקרה. במקום זאת, פיזיקאים אומרים לנו שברמה העמוקה ביותר, הכל מורכב ישויות מסתוריות, חומרים דמויי נוזל שאנו מכנים שדות קוונטיים. השדות הבלתי נראים הללו פועלים לפעמים כמו חלקיקים, לפעמים כמו גלים. הם יכולים לתקשר אחד עם השני. הם יכולים אפילו, חלקם, לזרום דרכנו. ה תורת השדות הקוונטיים ניתן לטעון התיאוריה המדעית המצליחה ביותר בכל הזמנים. במקרים מסוימים, הוא עושה תחזיות שמתאימות לניסויים עד 12 מקומות עשרוניים מדהימים. נוסף על כך, תורת השדות הקוונטים גם שפכה אור עצום על שאלות מסוימות במתמטיקה טהורה, במיוחד בחקר צורות ארבע-ממדיות וחללים ממדיים גבוהים אף יותר. עם זאת, יש גם סיבה להאמין שתורת השדות הקוונטיים מפספסת משהו. נראה שזה לא שלם מבחינה מתמטית, מותיר אותנו עם שאלות רבות ללא מענה.

(01:38) מצטרף אלי עכשיו כדי לדון בכל זה פרופסור דייויד טונג. דיוויד הוא פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת קיימברידג'. המומחיות שלו היא תורת השדה הקוונטית, והוא גם ידוע כמורה ומגלה מוכשר במיוחד. בין כבודו הרבים, הוענק לו פרס אדמס בשנת 2008, אחד הפרסים היוקרתיים ביותר שאוניברסיטת קיימברידג' מעניקה. הוא גם חוקר סימונס, פרס מקרן סימונס למדענים ומתמטיקאים לחקר שאלות יסוד. קרן סימונס מממנת גם את הפודקאסט הזה. דוד, תודה רבה שהצטרפת אלינו היום.

דייויד טונג (02:15): היי, סטיב. תודה רבה שקיבלת אותי.

סטרוגאץ: אני נרגש שיש לי הזדמנות לדבר איתך. נהניתי לקרוא את ההרצאות שלך באינטרנט ולצפות בכמה מהרצאות המדהימות שלך ב-YouTube. אז זה פינוק נהדר. בואו נתחיל עם היסודות. אנחנו הולכים לדבר על שדות היום. ספר לנו מי המקור שלהם. בדרך כלל מייקל פאראדיי מקבל את הקרדיט. מה היה הרעיון שלו? ומה הוא גילה?

טונג (02:37): הכל חוזר ל מייקל פאראדיי. פאראדיי היה אחד מגדולי הפיזיקאים הניסויים בכל הזמנים, הוא היה מאוד פיזיקאי ניסיוני, לא תיאורטיקן. הוא עזב את בית הספר בגיל 14. הוא בעצם לא ידע מתמטיקה. ובכל זאת, בצורה מופלאה למדי, הוא בנה את האינטואיציה הזו לדרך שבה פועל היקום. זה אומר שהוא באמת תרם את אחת התרומות החשובות ביותר לפיזיקה תיאורטית. במשך תקופה של כ-25 שנה, הוא שיחק עם רעיונות של חשמל ומגנטיות. הוא קיבל מגנטים וכרך סביבם חוטי נחושת. הוא עשה כמה דברים חשובים למדי כמו לגלות אינדוקציה אלקטרומגנטית ולהמציא את המנוע החשמלי.

(03:19) ואחרי בערך 20 שנה של זה, הוא הציע את ההצעה הנועזת מאוד שתמונות שהוא רקח במוחו כדי להסביר את הדרך שבה הדברים פועלים היו למעשה התיאור הנכון של היקום שבו אנו חיים.

(03:33) אז תן לי לתת לך דוגמה. אם אתה לוקח כמה מגנטים מוטים, ודוחפים אותם יחד כך ששני הקטבים הצפוניים מתקרבים זה לזה - זה ניסוי שכולנו עשינו. וכאשר אתה דוחף את המגנטים האלה יחד, אתה מרגיש את הכוח הספוגי הזה שדוחף אותם זה מזה. פאראדיי הציע את ההצעה הנועזת שבעצם יש משהו בין המגנטים. זה מדהים כי אתה מסתכל על המגנטים, שם - זה רק אוויר דליל, ברור שאין שם כלום. אבל פאראדיי אמר שיש שם משהו, היה שם מה שאנחנו קוראים עכשיו שדה מגנטי, הוא קרא לזה קו כוח. ושהשדה המגנטי הזה היה אמיתי בדיוק כמו המגנטים עצמם.

(04:11) אז זו הייתה דרך חדשה מאוד לחשוב על היקום בו אנו חיים. הוא הציע שלא רק שיש חלקיקים ביקום, אלא בנוסף, יש סוג אחר של אובייקט, סוג שונה מאוד של אובייקט. , שדה, שקיים בכל מקום בחלל בבת אחת. הוא אמר, עכשיו היינו אומרים בשפה המודרנית, שבכל נקודה אחת ביקום, יש שני וקטורים, שני חצים. והווקטורים האלה אומרים לנו את הכיוון ואת גודל השדה החשמלי והמגנטי.

(04:43) אז הוא השאיר לנו את התמונה הזו של היקום שבה יש סוג של דיכוטומיה שיש שני עצמים מאוד מאוד שונים. יש חלקיקים שיוצרים שדות חשמליים ומגנטיים. ואז השדות החשמליים והמגנטיים עצמם מתנופפים ומתפתחים ובתורם אומרים לחלקיקים כיצד לנוע. אז יש סוג כזה של ריקוד מורכב בין מה שחלקיקים עושים, לבין מה שדות עושים. ובאמת, התרומה הגדולה שלו הייתה לומר שהשדות האלה אמיתיים, הם באמת אמיתיים בדיוק כמו החלקיקים.

סטרוגאץ (05:12): אז איך אם כן המושג של שדות השתנה ברגע שהתגלתה מכניקת הקוונטים?

טונג (05:18): אז עד שהגיעה מכניקת הקוונטים, זה עכשיו 1925. ויש לנו סוג כזה של השקפה מוזרה על העולם. אז אנחנו יודעים שיש שדות חשמליים ומגנטים. ואנו יודעים שאדוות השדות האלקטרומגנטיים הללו הם מה שאנו מכנים אור. אבל בנוסף, בגלל המהפכה הקוונטית, אנחנו יודעים שהאור עצמו עשוי מחלקיקים, פוטונים.

(05:41) ולכן יש סוג של שאלה שמתעוררת, והיא, איך אתה צריך לחשוב על היחס הזה בין השדות מצד אחד לפוטונים מצד שני. ואני חושב שיש שתי אפשרויות הגיוניות לדרך שבה זה יכול לעבוד, יכול להיות שאתה צריך לחשוב על שדות חשמליים ומגנטיים כמורכבים מהמון המון פוטונים, כמו שנוזל מורכב מהמון המון אטומים, ואתה חושב שהאטומים הם האובייקט הבסיסי. או לחילופין, זה יכול להיות הפוך, יכול להיות שהשדות הם הדבר היסודי. והפוטונים מגיעים מאדוות קטנות של השדות. אז הן היו שתי האפשרויות ההגיוניות.

(06:18) וההתפתחות הגדולה, ובכן, היא מתחילה בערך ב-1927. אבל זה לוקח 20 או 30 שנה טובות עד שזה מוערך במלואו. ההערכה הגדולה, אם כן, היא שדווקא השדות הם הבסיסיים באמת, שהשדה החשמלי והמגנטי עומד בבסיס הכל. ואדוות קטנות של השדה החשמלי והמגנטי הופכים לצרורות קטנות של אנרגיה שאנו מכנים אז פוטונים בשל ההשפעות של מכניקת הקוונטים.

(06:44) והצעד הגדול הנפלא, אחד הצעדים המאחדים הגדולים בהיסטוריה של הפיזיקה, הוא להבין שאותו סיפור מתאים לכל שאר החלקיקים. שהדברים שאנו מכנים אלקטרונים והדברים שאנו מכנים קווארקים אינם בעצמם האובייקטים הבסיסיים. במקום זאת, יש פרוש בכל היקום משהו שנקרא שדה אלקטרוני, בדיוק כמו השדות החשמליים והמגנטיים. והחלקיקים שאנו מכנים אלקטרונים הם אדוות קטנות של שדה האלקטרונים הזה. וזה נכון לגבי כל חלקיק אחר שאתה רוצה להזכיר. יש שדה קווארק - למעשה, ישנם שישה שדות קווארקים שונים ברחבי היקום. יש שדות נייטרינו, יש שדות לגלואונים ו W בוזונים. ובכל פעם שאנו מגלים חלקיק חדש, האחרון הוא בוזון היגס, אנו יודעים שקשור לזה הוא שדה שעומד בבסיסו, והחלקיקים הם רק אדוות של השדה.

סטרוגאץ (07:33): האם יש שם מסוים שעלינו לקשר לצורת החשיבה הזו?

טונג (07:36): יש אדם אחד והוא, הוא כמעט נמחק מספרי ההיסטוריה, כי הוא היה חבר נלהב מאוד במפלגה הנאצית. והוא היה חבר במפלגה הנאצית הרבה לפני שנקראה להיות חבר במפלגה הנאצית. קוראים לו פסקל ג'ורדן. והוא היה אחד ממייסדי מכניקת הקוונטים. הוא היה על המסמכים המקוריים עם הייזנברג ואחרים. אבל הוא באמת היה האדם שהעריך לראשונה שאם אתה מתחיל עם שדה, ואתה מיישם את כללי מכניקת הקוונטים, אתה בסופו של דבר עם חלקיק.

סטרוגאץ (08:06): אוקיי, טוב, טוב מאוד. עכשיו, הזכרת את כל השונות האלה - שדה האלקטרונים, קווארק, W ו Z בוזונים וכל השאר. ספר לנו קצת על הדגם הסטנדרטי שאנו שומעים עליו כל כך הרבה.

טונג (08: 18): הדגם הסטנדרטי is התיאוריה הטובה ביותר הנוכחית שלנו על היקום אנחנו חיים בו. זו דוגמה לתיאוריית שדות קוונטיים. זה בעצם כל החלקיקים שכבר רשמנו. לכל אחד מהם יש שדה משויך אליו. והמודל הסטנדרטי הוא נוסחה שמתארת ​​כיצד כל אחד מהשדות הללו מקיים אינטראקציה עם האחרים. השדות במשחק הם שלושה שדות כוח. וקצת תלוי איך אתה סופר 12 שדות חומר, באופן שאני אסביר. אז שלושת שדות הכוח הם חשמל ומגנטיות - מאז, למעשה, בעיקר בגלל פאראדיי, מבינים שהשדה החשמלי והשדה המגנטי הם מעין שני צדדים של אותו מטבע, אי אפשר לקבל אחד בלי השני. אז אנחנו, אנחנו סופרים אותם רק כאחד. ואז יש שני שדות כוח גרעיניים, אחד שנקרא שדה גלואון שקשור לכוח הגרעיני החזק. זה מחזיק את הגרעינים יחד בתוך אטומים, ואת השדות האחרים הקשורים לכוח הגרעיני החלש. הם נקראים ה W בוזון או ה Z שדות בוזונים. אז יש לנו שלושה שדות כוח.

[הוסף סרטון: המודל הסטנדרטי: התיאוריה המדעית המוצלחת ביותר אי פעם]

(09:20) ואז יש לנו חבורה של שדות חומר, הם מגיעים בשלוש קבוצות של ארבע. המוכרים שבהם הם שדה אלקטרונים, שני שדות קווארקים הקשורים לקווארק למעלה ולמטה. הפרוטון מכיל - הו אחי, אני מקווה שנבין את זה נכון - שניים למעלה ולמטה והנייטרון מכיל שניים למטה ולמעלה, אני חושב, הבנתי את זה בצורה הנכונה.

סטרוגאץ (09:41): אתה יכול לרמות אותי בכל מקרה. אני אף פעם לא יכול לזכור.

טונג (09:43): כן, אבל המאזינים יידעו. ואז שדה ניטרינו. אז ישנו אוסף זה של ארבעה חלקיקים המקיימים אינטראקציה עם שלושה כוחות. ואז מסיבה שאנחנו באמת לא מבינים, היקום החליט לחזור על שדות החומר האלה פעמיים. אז יש אוסף שני של ארבעה חלקיקים שנקראים מיאון, המוזר הקסם ועוד ניטרינו. די נגמרו לנו השמות הטובים לנייטרינו, אז אנחנו פשוט קוראים לזה ניוטרינו מיאון. ואז אתה מקבל עוד אוסף של ארבעה: הטאו, הקווארק העליון, הקווארק התחתון ושוב, נייטרינו טאו. אז לטבע יש את הדרך הזו לחזור על עצמו. ואף אחד לא באמת יודע למה. אני חושב שזה נשאר אחת התעלומות הגדולות. אבל אותם אוספים של 12 חלקיקים המקיימים אינטראקציה עם שלושה כוחות מהווים את המודל הסטנדרטי.

(09:43) אה, ופספסתי אחד. זה שפספסתי חשוב. זה הבוזון של היגס. בוזון היגס סוג של קושר הכל ביחד.

סטרוגאץ (10:37): בסדר, זה מגרה. אולי כדאי שנספר קצת מה עושה הבוזון של היגס, איזה תפקיד הוא ממלא במודל הסטנדרטי.

טונג (10:43): זה עושה משהו מיוחד למדי. זה נותן מסה לכל שאר החלקיקים. אשמח לקבל אנלוגיה טובה כדי להסביר איך זה נותן מסה. אני יכול לתת אנלוגיה גרועה, אבל זו באמת אנלוגיה גרועה. האנלוגיה הרעה היא ששדה היגס הזה פרוש בכל החלל, זו אמירה אמיתית. והאנלוגיה הרעה היא שהוא מתנהג קצת כמו פטריה או מולסה. החלקיקים צריכים לדחוף את דרכם דרך שדה היגס הזה כדי להתקדם. וזה די מאט אותם. הם היו נוסעים באופן טבעי במהירות האור, והם מואטים בגלל הנוכחות של שדה היגס זה. וזה אחראי לתופעה שאנו קוראים לה המוני.

(11:22) חלק גדול ממה שאמרתי זה עתה הוא בעצם שקר. כלומר, זה מעיד על כך שיש איזה כוח חיכוך במשחק. וזה לא נכון. אבל זה אחד מהדברים שבהם המשוואות למעשה קלות באופן מפתיע. אבל די קשה להמציא אנלוגיה משכנעת שתופסת את המשוואות האלה.

סטרוגאץ (11:36): זו הצהרה מדהימה שהבאת, שללא שדה היגס או איזה מנגנון אנלוגי, הכל היה זז במהירות האור. שמעתי אותך נכון?

טונג (11:47): כן, חוץ מהדברים האלה, כמו תמיד, זה כן, עם אזהרה. ה"אבל" הוא שאם שדה היגס יכבה, האלקטרון ינוע במהירות האור. אז אתה יודע, אטומים לא יהיו יציבים במיוחד. הנייטרינו, שהוא כמעט חסר מסה בכל מקרה, היה נע במהירות האור. אבל לפרוטון או לנייטרון, מסתבר, יהיו בעצם אותן מסות שיש להם עכשיו. אתה יודע, הקווארקים בתוכם יהיו חסרי מסה. אבל המסה של הקווארקים בתוך הפרוטון או הנייטרון, היא טריוויאלית לחלוטין בהשוואה לפרוטון או נויטרון - 0.1%, משהו כזה. אז הפרוטון או הנייטרון למעשה מקבלים את המסה שלהם מחלק מתורת השדות הקוונטיים שאנחנו הכי פחות מבינים, אבל תנודות פראיות של שדות קוונטיים, זה מה שמתרחש בתוך הפרוטון או הנייטרון ונותן להם את המסה שלהם. אז החלקיקים היסודיים יהפכו לחסרי מסה - קווארקים, אלקטרונים - אבל החומר שממנו אנו עשויים - נייטרונים ופרוטונים - לא. הם מקבלים את המסה שלהם מהמנגנון האחר הזה.

סטרוגאץ (12:42): אתה פשוט מלא בדברים מעניינים. בוא נראה אם ​​אני יכול להגיד מה אני חושב בתגובה לזה. ואתה יכול לתקן אותי אם טעיתי לגמרי. אז יש לי את הקווארקים בעלי אינטראקציה חזקה בתוך, נגיד, פרוטון. ואני שומר בראש שלי מנחש שיש כאלה E = mc² חיבור מתרחש כאן, שהאינטראקציות העוצמתיות קשורות לכמות גדולה של אנרגיה. וזה איכשהו מתורגם למסה. האם זה, או שמא נוצרים חלקיקים וירטואליים ואז נעלמים? וכל זה הוא יצירת אנרגיה ולכן מסה?

טונג (13:16): זה שני הדברים שאמרת זה עתה. אז אנחנו מספרים את השקר הזה כשאנחנו בתיכון - פיזיקה היא כולה לספר שקרים כשאתה צעיר ולהבין שהדברים קצת יותר מסובכים ככל שאתה מתבגר. השקר שאנו מספרים, וכבר אמרתי אותו קודם, הוא שיש שלושה קווארקים בתוך כל פרוטון וכל נויטרון. וזה לא נכון. הקביעה הנכונה היא שיש מאות רבות של קווארקים ואנטי-קווארקים וגלואונים בתוך פרוטון. ואמירה שבאמת יש שלושה קווארקים, הדרך הנכונה לומר זאת היא שבכל זמן נתון, יש שלושה קווארקים יותר ממה שיש אנטי-קווארקים. אז יש סוג של שלושה נוספים. אבל זה אובייקט מסובך בצורה יוצאת דופן, הפרוטון. זה, זה לא משהו נחמד ונקי. הוא מכיל מאות, אולי אפילו אלפי חלקיקים שונים המקיימים אינטראקציה בצורה מאוד מסובכת. אפשר לחשוב על צמדי הקווארק-אנטיקווארק האלה כעל חלקיקים וירטואליים, כפי שאתה אומר, דברים שפשוט יוצאים מהוואקום וחוזרים פנימה בתוך הפרוטון. או דרך אחרת לחשוב על זה היא רק השדות עצמם מתרגשים בצורה מסובכת כלשהי בתוך הפרוטון או הנייטרון שמתנגשים מסביב וזה מה שנותן להם את המסה שלהם.

סטרוגאץ (14:20): קודם לכן, רמזתי שזו תיאוריה מאוד מוצלחת והזכרתי משהו על 12 מקומות עשרוניים. אתה יכול לספר לנו על זה? מכיוון שזה אחד הניצחונות הגדולים, הייתי אומר לא רק של תורת השדות הקוונטיים, או אפילו הפיזיקה, אלא של כל המדע. כלומר, הניסיון של האנושות להבין את היקום, זה כנראה הדבר הטוב ביותר שעשינו אי פעם. ומבחינה כמותית, אנחנו כמין.

טונג (14:42): אני חושב שזה בדיוק נכון. זה סוג של יוצא דופן. אני צריך לומר שיש כמה דברים שאנחנו יכולים לחשב בצורה יוצאת דופן, כשאנחנו יודעים מה אנחנו עושים, אנחנו באמת יכולים לעשות משהו מרהיב.

סטרוגאץ (14:42): זה מספיק כדי להביא אותך למצב רוח פילוסופי, השאלה הזו של היעילות הבלתי סבירה של המתמטיקה.

טונג (14:52): אז, האובייקט המסוים או הכמות המסוימת, כלומר הפוסטר לתורת שדות קוונטים, מכיוון שאנו יכולים לחשב זאת היטב, אם כי לוקח הרבה מאוד עשורים לעשות את החישובים האלה, הם לא קלים. אבל גם חשוב, אנחנו יכולים למדוד את זה בצורה ניסיונית טוב מאוד. אז זה מספר שנקרא g-2, זה לא חשוב במיוחד בתוכנית הגדולה של הדברים, אבל המספר הוא הבא. אם אתה לוקח אלקטרון, אז יש לו ספין. האלקטרון מסתובב סביב ציר כלשהו שאינו דומה לאופן שבו כדור הארץ מסתובב סביב צירו. זה יותר קוונטי מזה, אבל זו אנלוגיה לא רעה שיש לזכור.

(14:59) ואם אתה לוקח את האלקטרון, ומכניס אותו לשדה מגנטי, הכיוון של הספין הזה יעבור לאורך זמן, והמספר הזה g-2 רק אומר לך כמה מהר הוא מעבד, ה-2 הוא מעט מוזר. אבל הייתם חושבים בתמימות שהמספר הזה יהיה 1. ו [פול] דיראק זכה בפרס נובל בחלקו על כך שהראה שבעצם המספר הזה הוא 2 לקירוב הראשון. ואז [ג'וליאן] שווינגר זכה בפרס נובל, יחד עם [ריצ'רד] פיינמן ו[סינ-איטירו] טומונאגה, על שהראו שזה לא 2, זה 2-נקודות-משהו-משהו-משהו. ואז עם הזמן, הכנו את המשהו-משהו-משהו הזה עם עוד תשעה דברים אחר כך. כפי שאמרת, זה משהו שאנחנו מכירים כעת בצורה תיאורטית בצורה יוצאת דופן ומבחינה ניסויית. וזה פשוט מדהים לראות את המספרים האלה, ספרה אחר ספרה, מסכימים זה עם זה. זה משהו די מיוחד.

(15:21) זה אחד הדברים שדוחפים אותך לכיוון זה שהוא כל כך טוב. זה כל כך טוב שזה לא מודל לעולם, זה איכשהו הרבה יותר קרוב לעולם האמיתי, המשוואה הזו.

סטרוגאץ (16:31): אז לאחר ששרנו את השבחים של תורת השדות הקוונטים, והיא אכן ראויה לשבח, עלינו להכיר בכך שזו תיאוריה או מערכת תיאוריות מסובכת ביותר, ובמובנים מסוימים, בעייתית. אז בחלק זה של הדיון שלנו, אני תוהה אם תוכל לעזור לנו להבין איזו הסתייגות עלינו להיות? או איפה הגבול. כאילו, אומרים שהתיאוריה אינה שלמה. מה לא שלם בזה? מהן התעלומות הגדולות שנותרו לגבי תורת השדות הקוונטיים?

טונג (17:01): אתה יודע, זה מאוד תלוי למה אתה מנוי. אם אתה פיזיקאי ואתה רוצה לחשב את המספר הזה g-2, אז אין שום דבר לא שלם בתורת השדות הקוונטיים. כאשר הניסוי ישתפר, אתה יודע, אנו מחשבים או נעשה טוב יותר. אתה באמת יכול לעשות כמה שאתה רוצה. יש לזה כמה צירים. אז תן לי אולי להתמקד באחד מלכתחילה.

(17:22) הבעיה מגיעה כאשר אנו מדברים עם חברינו המתמטיקאים הטהורים, כי חברינו המתמטיקאים הטהורים הם אנשים חכמים, ואנחנו חושבים שיש לנו את התיאוריה המתמטית הזו. אבל הם לא מבינים על מה אנחנו מדברים. וזו לא אשמתם, זו אשמתנו. שהמתמטיקה שאנחנו עוסקים בה היא לא משהו שהוא על בסיס קפדני. זה משהו שבו אנחנו משחקים די מהר ומשוחרר עם רעיונות מתמטיים שונים. ואנחנו די בטוחים שאנחנו יודעים מה אנחנו עושים כפי שמראה ההסכם הזה עם ניסויים. אבל זה בהחלט לא ברמת הקפדנות, ובכן, בטח שמתמטיקאים יהיו נוחים איתה. ואני חושב יותר ויותר שגם אנחנו הפיזיקאים מרגישים אי נוחות.

(17:22) אני צריך לומר שזה לא דבר חדש. זה תמיד המצב בכל פעם שיש רעיונות חדשים, כלים מתמטיים חדשים, שלעתים קרובות הפיזיקאים לוקחים את הרעיונות האלה ופשוט רצים איתם כי הם יכולים לפתור דברים. והמתמטיקאים תמיד - הם אוהבים את המילה "קפדנות", אולי המילה "פדנטיות" טובה יותר. אבל עכשיו, הם קצת הולכים לאט יותר מאיתנו. הם מנקדים את ה-i וחוצים את ה-T. ואיכשהו, עם תורת שדות קוונטים, אני מרגיש, אתה יודע, עבר כל כך הרבה זמן, הייתה כל כך מעט התקדמות שאולי אנחנו חושבים על זה בצורה לא נכונה. אז עצבנות אחת היא שאי אפשר לעשות את זה קפדני מתמטית. וזה לא מתוך חוסר ניסיון.

סטרוגאץ (18:33): ובכן, בואו ננסה להבין את עיקר הקושי. או אולי יש הרבה מהם. אבל דיברת קודם על מייקל פאראדיי. ובכל נקודה במרחב, יש לנו וקטור, כמות שנוכל לחשוב עליה כחץ, יש לה כיוון וגודל, או אם נעדיף, נוכל לחשוב על זה כמו שלושה מספרים אולי כמו x, y ורכיב z של כל וקטור. אבל בתורת השדות הקוונטיים, העצמים המוגדרים בכל נקודה הם, אני מניח, מסובכים יותר מוקטורים או מספרים.

טונג (18:33): הם כן. אז הדרך המתמטית לומר זאת היא שבכל נקודה בודדת, יש אופרטור - איזו, אם תרצו, מטריצה ​​אינסופית מימדית שיושבת בכל נקודה בחלל, ופועלת על מרחב הילברט כלשהו, ​​שהוא עצמו מאוד מסובך ומאוד מאוד. קשה להגדיר. אז המתמטיקה מסובכת. ובגדול, זה בגלל הנושא הזה שהעולם הוא רצף, אנחנו חושבים שמרחב וזמן, מרחב בפרט, הם רציפים. ולכן אתה צריך להגדיר משהו באמת בכל נקודה. וליד נקודה אחת, קרובה לאין שיעור לאותה נקודה נמצאת נקודה נוספת עם אופרטור אחר. אז יש אינסוף שמופיע כשמסתכלים על סולמות מרחקים קטנים יותר ויותר, לא אינסוף שהולך החוצה, אלא אינסוף שהולך פנימה.

(19:44) מה שמציע דרך לעקוף את זה. אחת הדרכים לעקוף את זה היא פשוט להעמיד פנים למטרות אלו, שהחלל אינו רציף. למעשה, יכול להיות שהחלל אינו רציף. אז אתה יכול לדמיין לחשוב על סריג, מה שמתמטיקאים קוראים לו סריג. אז במקום שיהיה לך רווח רציף, אתה חושב על נקודה, ואז מרחק סופי ממנה, נקודה נוספת. ואיזה מרחק סופי מזה, עוד נקודה. אז אתה מבסס את החלל, במילים אחרות, ואז אתה חושב על מה שאנו מכנים דרגות החופש, הדברים שזזים כמו חיים רק על נקודות הסריג האלה במקום לחיות ברצף כלשהו. זה משהו שלמתמטיקאים יש שליטה טובה בהרבה.

(19:44) אבל יש בעיה אם ננסה לעשות זאת. ואני חושב שזו אחת הבעיות העמוקות ביותר בפיזיקה תיאורטית, למעשה. זה שכמה תיאוריות שדות קוונטיות, אנחנו פשוט לא יכולים להבדיל בצורה כזו. ישנו משפט מתמטי שאוסר עליך לרשום גרסה בדידה של תיאוריות שדות קוונטיות מסוימות.

סטרוגאץ (20:41): הו, הגבות שלי מורמות על זה.

טונג (20:43): המשפט נקרא משפט נילסן-נינומיה. בין מחלקה של תיאוריות שדות קוונטיות שאינך יכול להבחין בהן, היא זו שמתארת ​​את היקום שלנו, המודל הסטנדרטי.

סטרוגאץ (20:52): לא צוחק! וואו.

טונג (20:54): אתה יודע, אם אתה לוקח את המשפט הזה כערך נקוב, זה אומר לנו שאנחנו לא חיים במטריקס. הדרך בה אתה מדמה כל דבר במחשב היא על ידי תחילה דיסקרטיות שלו ולאחר מכן הדמיה. ובכל זאת יש מכשול מהותי לכאורה לדיסקרטציה של חוקי הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותה. אז אנחנו לא יכולים לדמות את חוקי הפיזיקה, אבל זה אומר שאף אחד אחר גם לא יכול. אז אם אתה באמת קונה את המשפט הזה, אז אנחנו לא חיים במטריקס.

סטרוגאץ (21:18): אני ממש נהנה, דיוויד. זה כל כך, כל כך מעניין. מעולם לא הייתה לי הזדמנות ללמוד תורת שדות קוונטים. יצא לי לקחת מכניקת קוונטים מג'ים פיבלס בפרינסטון. וזה היה נפלא. ואני נהניתי מזה מאוד, אבל אף פעם לא המשכתי. אז תורת השדות הקוונטיים, אני בדיוק בעמדה של רבים מהמאזינים שלנו כאן, רק מסתכלת על כל הנפלאות שאתה מתאר,

טונג (21:41): אני יכול לספר לכם קצת יותר על ההיבט המדויק של המודל הסטנדרטי שמקשה או בלתי אפשרי לבצע הדמיה במחשב. יש תיוג נחמד, אני יכול להוסיף כמו תיוג הוליווד. הכותרת היא, "דברים יכולים לקרות במראה שלא יכולים לקרות בעולמנו." בשנות החמישים, צ'יין-שיונג וו גילה את מה שאנו מכנים הפרת זוגיות. זו ההצהרה שכאשר אתה מסתכל על משהו שקורה מולך, או שאתה מסתכל על התמונה שלו במראה, אתה יכול להבחין בהבדל, אתה יכול לדעת אם זה התרחש בעולם האמיתי או קורה במראה. זה ההיבט הזה של חוקי הפיזיקה, שמה שקורה מושתקף במראה שונה ממה שקורה במציאות, מתברר כבעייתי. את ההיבט הזה קשה או בלתי אפשרי לדמות, לפי התיאוריה הזו.

סטרוגאץ (22:28): קשה להבין למה אני מתכוון, כי לסריג עצמו לא תהיה שום בעיה להתמודד עם השוויון. אבל בכל מקרה, אני בטוח שזה משפט עדין.

טונג (22:36): אני יכול לנסות לספר לכם קצת על למה כל חלקיק בעולם שלנו - אלקטרונים, קווארקים. הם מתפצלים לשני חלקיקים שונים. הם נקראים שמאליים וימניים. וזה בעצם קשור לאופן שבו הספין שלהם משתנה תוך כדי תנועה. חוקי הפיזיקה הם כאלה שהחלקיקים השמאליים מרגישים כוח שונה מהחלקיקים הימניים. זה מה שמוביל להפרת שוויון זו.

(22:59) כעת, מתברר שזה מאתגר לכתוב תיאוריות מתמטיות שהן עקביות ובעלות תכונה זו שחלקיקים שמאליים וחלקיקים ימניים חוו כוחות שונים. יש מעין פרצות שאתה צריך לקפוץ דרכן. זה נקרא אנומליות, או ביטול אנומליות בתורת השדות הקוונטיים. והדקויות האלה, הפרצות האלה מהן באות, לפחות בדרכים מסוימות של חישוב העובדה שהחלל רציף, אתה רואה את הפרצות האלה רק כשרווחים, או הדרישות האלה כשהמרחב רציף. אז הסריג לא יודע דבר על זה. הסריג לא יודע דבר על החריגות המפוארות האלה.

(23:36) אבל אתה לא יכול לרשום תיאוריה לא עקבית על הסריג. אז איכשהו, הסריג צריך לכסות את התחת שלו, הוא צריך לוודא שכל מה שהוא נותן לך הוא תיאוריה עקבית. והדרך שבה הוא עושה זאת היא רק בכך שלא מאפשרים תיאוריות שבהן חלקיקים שמאליים וימניים מרגישים כוחות שונים.

סטרוגאץ (23:50): בסדר, אני חושב שאני מבין את הטעם של זה. זה משהו כמו שהטופולוגיה מאפשרת חלק מהתופעות, החריגות האלה שנדרשות כדי לראות את מה שאנחנו רואים במקרה של הכוח החלש, שמרחב בדיד לא יאפשר. שמשהו ברצף הוא המפתח.

טונג (24:06): אמרת את זה יותר טוב ממני, בעצם. הכל קשור לטופולוגיה. זה בדיוק נכון. כֵּן.

סטרוגאץ (24:11): בסדר. טוֹב. למעשה, זה קטע נחמד מאוד עבורנו, לאן קיוויתי שנוכל ללכת הלאה, כלומר לדבר על מה שתורת השדות הקוונטים עשתה למתמטיקה, כי זה עוד אחד מסיפורי ההצלחה הגדולים. אמנם, אתה יודע, עבור פיזיקאים שאכפת להם מהיקום, זה אולי לא הדאגה העיקרית, אבל עבור אנשים, במתמטיקה, אנחנו מאוד אסירי תודה וגם מבולבלים על התרומות הגדולות שנעשו מחשיבה על עצמים מתמטיים גרידא. , כאילו הם מודיעים להם עם תובנות מתורת השדות הקוונטיים. תוכל לספר לנו קצת על חלק מהסיפור הזה שהתחיל, למשל, בשנות התשעים?

טונג (24:48): כן, זה באמת אחד הדברים הנפלאים שיוצאים מתורת השדות הקוונטיים. ויש כאן אירוניה לא קטנה. אתה יודע, האירוניה היא שאנחנו משתמשים בטכניקות המתמטיות האלה שמתמטיקאים חשדנים כלפיהם מאוד כי הם לא חושבים שזה, שהם, הם לא קפדניים. ובכל זאת, באותו הזמן, אנחנו מסוגלים איכשהו לזנק למתמטיקאים וכמעט לנצח אותם במשחק שלהם בנסיבות מסוימות, שבהן אנחנו יכולים להסתובב ולמסור להם תוצאות שהם מעוניינים בהן, באזור שלהם. מומחיות, ותוצאות שבנסיבות מסוימות שינו לחלוטין תחומים מסוימים במתמטיקה.

(25:22) אז אני יכול לנסות לתת לך קצת היגיון לגבי איך זה עובד. סוג התחום של המתמטיקה שזה היה הכי שימושי בו הוא רעיונות הקשורים לגיאומטריה. זה לא היחיד. אבל זה, אני חושב שזה זה שהתקדמנו הכי הרבה בחשיבה עליו בתור פיזיקאים. וכמובן, גיאומטריה תמיד הייתה קרובה לליבם של הפיזיקאים. תורת היחסות הכללית של איינשטיין באמת אומרת לנו שהמרחב והזמן הם בעצמם אובייקט גיאומטרי כלשהו. אז שמה שאנחנו עושים זה שאנחנו לוקחים את מה שמתמטיקאים מכנים סעפת, זה איזה מרחב גיאומטרי. בראש שלך, אתה יכול לחשוב, ראשית, על פני השטח של כדור כדורגל. ואז אולי אם פני השטח של סופגנייה, איפה שיש חור באמצע. ואז הכליל על פני השטח של בייגלה, שם יש כמה חורים באמצע. ואז הצעד הגדול הוא לקחת את כל זה ולדחוף אותו לכמה ממדים גבוהים יותר ולחשוב על איזה עצם ממדים גבוהים יותר עם עטוף סביב עצמו עם חורים ממדים גבוהים יותר, וכן הלאה.

(26:13) ולכן סוגי השאלות שמתמטיקאים שואלים אותנו לסווג חפצים כך, לשאול מה מיוחד באובייקטים שונים, איזה סוג של חורים יכולים להיות להם, המבנים שיכולים להיות עליהם, וכן הלאה. וכפיזיקאים, אנחנו באים עם קצת אינטואיציה נוספת.

(26:28) אבל בנוסף, יש לנו את הנשק הסודי הזה של תורת השדות הקוונטיים. יש לנו בערך שני כלי נשק סודיים. יש לנו תורת שדות קוונטים; יש לנו התעלמות מכוונת מהקפדנות. שני אלה משתלבים די, די יפה. ולכן נשאל שאלות כמו, קח אחד מהרווחים האלה, ונשים עליו חלקיק, ונשאל איך החלקיק הזה מגיב לחלל? עכשיו עם החלקיקים או החלקיקים הקוונטיים, משהו די מעניין קורה כי יש לו גל של הסתברות שמתפשט על פני החלל. ולכן בגלל הטבע הקוונטי הזה, יש לו אפשרות לדעת בערך על הטבע הגלובלי של החלל. הוא יכול להרגיש את כל החלל בבת אחת ולהבין היכן נמצאים החורים ואיפה העמקים ואיפה הפסגות. וכך החלקיקים הקוונטיים שלנו יכולים לעשות דברים כמו להיתקע בחורים מסוימים. ובדרך זו, ספר לנו משהו על הטופולוגיה של החללים.

(27:18) אז היו מספר הצלחות גדולות מאוד של יישום תורת השדות הקוונטיים על אחד מהגדולים שבהם היה בתחילת שנות ה-1990, משהו שנקרא סימטרית מראה, שחולל מהפכה בתחום שנקרא גיאומטריה סימפלקטית. מאוחר יותר [נתן] סייברג ו [אדוארד] ויטן פתר תורת שדות קוונטית ארבע-ממדית מסוימת, וזה נתן תובנות חדשות לגבי טופולוגיה של מרחבים ארבעה-ממדיים. זו באמת הייתה תוכנית פורה להפליא, שבה מה שקורה כבר כמה עשורים הוא שפיזיקאים יעלו רעיונות חדשים מתורת השדות הקוונטיים, אבל לא יצליחו להוכיח אותם בדרך כלל, בגלל חוסר הקפדנות הזה. ואז יבואו מתמטיקאים, אבל זה לא רק לנקד עיניים ולהצליב ת'ים, הם בדרך כלל לוקחים את הרעיונות והם מוכיחים אותם בדרכם שלהם, ומציגים רעיונות חדשים.

(28:02) והרעיונות החדשים האלה ניזונים בחזרה אל תורת השדות הקוונטיים. וכך חלה התפתחות הרמונית נפלאה באמת בין מתמטיקה לפיזיקה. כפי שמתברר, שלעתים קרובות אנו שואלים את אותן שאלות, אבל משתמשים בכלים שונים מאוד, ובאמצעות דיבור זה עם זה התקדמנו הרבה יותר ממה שהיינו עושים אחרת.

סטרוגאץ (28:18): אני חושב שהתמונה האינטואיטיבית שנתת עוזרת מאוד לחשוב איכשהו על המושג הזה של שדה קוונטי כמשהו שהוא דה-לוקאלי. אתה יודע, במקום חלקיק שאנחנו חושבים עליו כנקודתי, יש לך את האובייקט הזה שמתפשט על פני כל המרחב והזמן, אם יש זמן בתיאוריה, או אם אנחנו רק עושים גיאומטריה, אני מניח שאנחנו' אני רק חושב שזה מתפשט על פני כל החלל. שדות קוונטיים אלה מתאימים מאוד לזיהוי תכונות גלובליות, כפי שאמרת.

(28:47) וזו לא דרך חשיבה סטנדרטית במתמטיקה. אנחנו רגילים לחשוב על נקודה ושכנות של נקודה, שכונה אינפיניטסימלית של נקודה. זה החבר שלנו. אנחנו כמו היצורים הכי קוצר ראייה בתור מתמטיקאים, בעוד שהפיזיקאים כל כך רגילים לחשוב על אובייקטי החישה הגלובליים האוטומטיים האלה, השדות האלה שיכולים, כמו שאתה אומר, לרחרח את קווי המתאר, העמקים, הפסגות, שלמות המשטחים. של חפצים גלובליים.

טונג (29:14): כן, זה בדיוק נכון. וחלק מהמשוב לפיזיקה היה חשוב מאוד. כל כך מעריכים את זה שהטופולוגיה באמת עומדת בבסיס הרבה מדרכי החשיבה שלנו בתורת השדות הקוונטיים, שעלינו לחשוב באופן גלובלי בתורת השדות הקוונטיים כמו גם בגיאומטריה. ואתה יודע, יש תוכנות, למשל, לבניית מחשבים קוונטיים ואחת הדרכים הטובות ביותר, ובכן, אולי זו אחת הדרכים היותר אופטימיות לבנות מחשבים קוונטיים.

(29:34) אבל אם אפשר היה לגרום לזה לעבוד, אחת הדרכים החזקות ביותר לבניית מחשב קוונטי היא להשתמש ברעיונות טופולוגיים של תורת השדות הקוונטיים, שבה מידע לא מאוחסן בנקודה מקומית אלא הוא מאוחסן ברחבי העולם מרחב. היתרון הוא שאם אתה דוחף אותו למקום כלשהו בנקודה מסוימת, אתה לא הורס את המידע כי הוא לא מאוחסן בנקודה מסוימת. זה מאוחסן בכל מקום בבת אחת. אז כפי שאמרתי, יש את זה באמת משחק הגומלין הנפלא הזה בין מתמטיקה לפיזיקה שזה קורה בזמן שאנחנו מדברים.

סטרוגאץ (30:01): ובכן, בואו נעביר הילוך פעם אחרונה בחזרה ממתמטיקה לכיוון הפיזיקה, ואולי אפילו קצת לקוסמולוגיה. אז לגבי סיפור ההצלחה של התיאוריה הפיזיקלית, יותר מקבוצת התיאוריות שאנו מכנים תורת השדות הקוונטיים, עשינו את הניסויים האלה די לאחרונה ב-CERN. האם זה, שם נמצא מאיץ ההדרונים הגדול, זה נכון?

טונג (30:01): זה נכון. זה בג'נבה.

סטרוגאץ (30:04): בסדר. הזכרת על גילוי ההיגס שחזה משהו כמו 50, 60 שנה, אבל אני מבין שפיזיקאים היו - ובכן, מה המילה הנכונה? מאוכזב, כועס, תמה. שחלק מהדברים שהם קיוו לראות בניסויים במאיץ ההדרונים הגדול לא התממשו. סופר-סימטריה, נניח, להיות אחד. ספר לנו קצת על הסיפור הזה. איפה אנחנו מקווים לראות יותר מהניסויים האלה? איך אנחנו צריכים להרגיש אם לא נראה יותר?

טונג (30:53): קיווינו לראות עוד. אבל אין לי מושג איך אנחנו צריכים להרגיש, שלא ראינו. אני יכול, אני יכול לספר לך את הסיפור.

טונג (31:00): אז נבנה ה-LHC. והוא נבנה מתוך ציפייה שהוא יגלה את בוזון היגס, מה שכן. בוזון היגס היה החלק האחרון בדגם הסטנדרטי. והיו סיבות לחשוב שברגע שנשלים את המודל הסטנדרטי, בוזון היגס יהיה גם הפורטל שהוביל אותנו למה שבא אחר כך, השכבה הבאה של המציאות של מה שמגיע אחר כך. ויש טיעונים שאתה יכול להעלות, שכאשר אתה מגלה את ההיגס, אתה צריך לגלות בערך באותה שכונה, את אותה סולם אנרגיה כמו ההיגס, כמה חלקיקים אחרים שמייצבים איכשהו את בוזון ההיגס. בוזון היגס הוא מיוחד. זה החלקיק היחיד בדגם הסטנדרטי שלא מסתובב. כל שאר החלקיקים, האלקטרון מסתובב, הפוטון מסתובב, זה מה שאנו מכנים קיטוב. בוזון היגס הוא החלקיק היחיד שלא מסתובב. במובן מסוים, זה החלקיק הפשוט ביותר במודל הסטנדרטי.

(31:00) אבל יש טיעונים טיעונים תיאורטיים שאומרים שלחלקיק שלא מסתובב צריכה להיות מסה כבדה מאוד. אמצעים כבדים מאוד שנדחפים עד לסולם האנרגיה הגבוה ביותר האפשרי. הטיעונים האלה הם טיעונים טובים. נוכל להשתמש בתורת השדות הקוונטיים במצבים רבים אחרים, בחומרים המתוארים על ידי תורת השדות הקוונטיים. זה תמיד נכון שאם חלקיק לא מסתובב, זה נקרא חלקיק סקלרי. ויש לו מסה קלה. יש סיבה למה זה אור המוני.

(32:25) ולכן ציפינו שתהיה סיבה לכך לבוזון היגס יש את המסה שיש לו. וחשבנו שהסיבה הזו תבוא עם כמה חלקיקים נוספים שיופיעו ברגע שההיגס יופיעו. ואולי זו הייתה סופרסימטריה ואולי זה היה משהו שנקרא טכניקולור. והיו הרבה הרבה תיאוריות בחוץ. וגילינו שההיגס וה-LHC - לדעתי חשוב להוסיף - עלו על כל הציפיות בכל הנוגע לתפעול המכונה והניסויים והרגישות של הגלאים. והאנשים האלה הם גיבורים מוחלטים שעושים את הניסוי.

(32:56) והתשובה היא שפשוט אין שום דבר אחר בסולם האנרגיה שאנו חוקרים כעת. וזו חידה. זה חידה בשבילי. וזה חידה לרבים אחרים. ברור שטעינו; ברור שטעינו לגבי הציפייה שעלינו לגלות משהו חדש. אבל אנחנו לא יודעים למה אנחנו טועים. אתה יודע, אנחנו לא יודעים מה היה רע בטיעונים האלה. הם עדיין מרגישים צודקים, הם עדיין מרגישים נכון עבורי. אז יש משהו שחסר לנו בתורת השדות הקוונטיים, וזה מרגש. ואתה יודע, זה טוב לטעות בתחום המדע הזה, כי רק כשאתה טועה, אתה סוף סוף יכול להידחף לכיוון הנכון. אבל זה הוגן לומר שאנחנו לא בטוחים כרגע למה אנחנו טועים.

סטרוגאץ (33:32): זו גישה טובה, נכון, שכל כך הרבה התקדמות הושגה מהפרדוקסים האלה, ממה שמרגיש כמו אכזבות באותו זמן. אבל לחיות את זה ולהיות בדור - אני מתכוון, ובכן, אני לא רוצה להגיד שאתה יכול להיות שטף עד שזה יתברר, אבל זה סיכוי מפחיד.

טונג (33:50): נשטף יהיה בסדר. אבל הייתי רוצה להיות בחיים.

סטרוגאץ (33:56): כן, הרגשתי רע אפילו כשאמרתי את זה.

אם נעבור מהקטן לגדול, למה שלא נחשוב על כמה מהנושאים הקוסמולוגיים. בגלל כמה מהתעלומות הגדולות האחרות, דברים כמו חומר אפל, אנרגיה אפלה, היקום המוקדם. אז אתה לומד כאחד מתחומי העניין הגדולים שלך, התקופה מיד אחרי המפץ הגדול, כשעדיין לא היו לנו באמת חלקיקים. בדיוק היו לנו, מה, שדות קוונטיים?

טונג (34:22): הייתה תקופה אחרי המפץ הגדול שנקראה אינפלציה. אז זה היה זמן שבו היקום התרחב מאוד מאוד מהר. והיו שדות קוונטיים ביקום כשזה קרה. ומה שלדעתי הוא באמת אחד הסיפורים הכי מדהימים בכל המדע הוא שבשדות הקוונטיים האלה היו תנודות. הם תמיד קופצים למעלה ולמטה, רק בגלל ריצוד קוונטים, אתה יודע. בדיוק כמו שעיקרון אי הוודאות של הייזנברג אומר שחלקיק לא יכול, לא יכול להיות במקום ספציפי כי יהיה לו מומנטום אינסופי, אז אתה יודע, תמיד יש שם אי ודאות כלשהי. שאותו הדבר נכון לתחומים אלו. שדות קוונטיים אלה לא יכולים להיות בדיוק אפס או בדיוק ערך כלשהו. הם תמיד מתעצבנים מעלה ומטה בגלל אי ​​ודאות קוונטית.

(35:02) ומה שקרה בשניות הראשונות האלה - שניות זה הרבה יותר מדי זמן. כמה 10 ראשונות^-30 שניות, נניח, מהמפץ הגדול היקום מתפשט במהירות רבה. והשדות הקוונטיים האלה קצת נתפסו בשעת מעשה, שהם היו תנודות, אבל אז היקום גרר אותם לגזרים להיקפים עצומים. והתנודות האלה נתקעו שם. הם לא יכלו להתנוד יותר, בעצם, בגלל סיבות סיבתיות, כי עכשיו הם התפשטו עד כדי כך, אתה יודע, חלק אחד של התנודה לא ידע מה השני עושה. אז התנודות האלה נמתחות על פני כל היקום, הרבה בעבר.

(35:43) והסיפור הנפלא הוא שאנחנו יכולים לראות אותם, אנחנו יכולים לראות אותם עכשיו. וצילמנו אותם. אז לתצלום יש שם נורא. זה נקרא קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל. אתה מכיר את התצלום הזה, זה האדוות הכחולות והאדומות. אבל זה תצלום של כדור האש שמילא את היקום לפני 13.8 מיליארד שנים, ויש שם אדוות. והגלים שאנו יכולים לראות נזרעו על ידי התנודות הקוונטיות הללו בשברירי השניה הראשונים שלאחר המפץ הגדול. ואנחנו יכולים לעשות את החישוב, אתה יכול לחשב איך נראות התנודות הקוונטיות. ואתה יכול למדוד באופן ניסיוני את התנודות ב-CMB. והם פשוט מסכימים. אז זה סיפור מדהים שאנחנו יכולים לצלם את התנודות האלה.

(36:30) אבל יש כאן גם רמה של אכזבה. התנודות שאנו רואים הן די וניל, הן רק אלו שהיית מקבל משדות חופשיים. וזה יהיה נחמד אם נוכל לקבל מידע נוסף, אם נוכל לראות - השם הסטטיסטי הוא שהתנודות הן גאוסיות. וזה יהיה נחמד לראות קצת לא-גאוסיות, שתספר לנו על האינטראקציות בין השדות ביקום המאוד מאוד מוקדם. וכך שוב, הלוויין של פלאנק טס והוא צילם תמונת מצב של ה-CMB בפירוט ברור מתמיד, והלא-גאוסיות שיש שם, אם יש כאלה בכלל, פשוט קטנות יותר מה-Planck. לוויין יכול לזהות.

(36:52) אז יש תקווה לעתיד שיש ניסויים אחרים של CMB, יש גם תקווה שהלא-גאוסיות האלה עשויות להופיע בצורה שבה נוצרות גלקסיות, ההתפלגות הסטטיסטית של גלקסיות ביקום מכילה גם זיכרון של אלה תנודות עד כמה שאנחנו יודעים שזה נכון, אבל שאולי נקבל משם מידע נוסף. אז זה באמת מדהים שאתה יכול לעקוב אחר התנודות האלה במשך 14 מיליארד שנים, מהשלבים המוקדמים ביותר ועד לאופן שבו הגלקסיות מפוזרות ביקום עכשיו,

סטרוגאץ (37:36): ובכן, זה נתן לי הרבה תובנות שלא היו לי קודם לגבי ההטבעה של התנודות הקוונטיות האלה על רקע המיקרוגל הקוסמי. תמיד תהיתי. הזכרת שזאת התיאוריה החופשית, כלומר - מה, ספר לנו מה הפירוש של "חופשי" בדיוק? אין כלום נכון? כלומר, זה פשוט, זה הוואקום עצמו?

טונג (37:45): זה לא רק הוואקום, כי השדות האלה מתרגשים כשהיקום מתרחב. אבל זה רק שדה שלא מקיים אינטראקציה עם אף שדה אחר או אפילו עם עצמו, הוא פשוט קופץ למעלה ולמטה כמו מתנד הרמוני, בעצם. כל נקודה קופצת למעלה ולמטה כמו קפיץ. אז זה סוג של התחום הכי משעמם שאתה יכול לדמיין.

סטרוגאץ (38:11): ולכן זה אומר שלא היינו צריכים להניח שום שדה קוונטי מסוים בתחילת היקום. זה פשוט, זה מה שאתה אומר, וניל.

טונג (38:19): זה וניל. אז זה היה נחמד לקבל גישה טובה יותר לכך שהאינטראקציות האלה מתרחשות, או שהאינטראקציות האלה מתרחשות, או שהשדה היה בעל המאפיין המסוים הזה. וזה לא נראה - אולי בעתיד, אבל כרגע, אנחנו עדיין לא שם.

סטרוגאץ (38:32): אז אולי אנחנו צריכים לסגור עם התקוות האישיות שלך. האם יש כזה, אם היית צריך לבחור דבר אחד שהיית רוצה שייפתר באופן אישי, בשנים הקרובות, או עבור עתיד המחקר בתורת שדות קוונטים, מה יהיה האהוב עליך? אם יכולת לחלום.

טונג (38:48): יש כל כך הרבה -

סטרוגאץ: אתה יכול לבחור יותר.

טונג: יש דברים בצד המתמטי. אז הייתי, אשמח להבין, בפן המתמטי, יותר על משפט נילסן-נינומיה הזה, העובדה שאינך יכול להבחין בתיאוריות שדות קוונטיות מסוימות. והאם יש פרצות במשפט? האם יש הנחות שאנחנו יכולים לזרוק ואיכשהו להצליח לעשות את זה?

(39:07) אתה יודע, משפטים בפיזיקה, הם נקראים בדרך כלל משפטי "לא ללכת". אתה לא יכול לעשות את זה. אבל לעתים קרובות הם מצביעים על היכן אתה צריך לחפש, כי משפט מתמטי הוא, ברור שזה נכון, אבל לכן, הוא מגיע עם הנחות מאוד נוקשות. אז אולי אתה יכול לזרוק את ההנחה הזו או ההנחה הזו, ולהתקדם בזה. אז זה בפן המתמטי, אשמח לראות התקדמות בנושא.

(39:28) בצד הניסוי, כל אחד מהדברים שדיברנו עליהם - איזה חלקיק חדש, רמזים חדשים למה שנמצא מעבר. ואנחנו רואים רמזים באופן קבוע למדי. העדכנית ביותר היא שהמסה של ה W בוזון בצד שלך של האוקיינוס ​​האטלנטי שונה מהמסה של W בוזון בצד שלי של האוקיינוס ​​האטלנטי וזה נראה מוזר. רמזים על חומר אפל, או חומר אפל. מה שזה לא יהיה, עשוי משדות קוונטיים. אין ספק בכך.

(39:53) והאנרגיה האפלה שרמזת לה שיש תחזיות היא מילה חזקה מדי אבל יש הצעות מתורת השדות הקוונטיים. בכלל, התנודות האלה של שדות קוונטיים צריכות להניע את התפשטות היקום. אבל באופן כזה, הרבה יותר גדול ממה שאנחנו באמת רואים.

(40:07) אז, אז אותה פאזל שיש עם ההיגס. למה ההיגס כל כך קל? זה גם שם עם אנרגיה אפלה. למה התאוצה הקוסמולוגית של היקום כל כך קטנה בהשוואה למה שאנחנו, אנחנו חושבים שהיא. אז זה מצב קצת מוזר להיות בו. כלומר, יש לנו את התיאוריה הזו. זה לגמרי מדהים. אבל זה גם ברור שיש דברים שאנחנו באמת לא מבינים.

סטרוגאץ (40:26): אני רק רוצה להודות לך, דיוויד טונג, על השיחה הרחבה והמרתקת באמת. תודה רבה שהצטרפת אליי היום.

טונג (40:33): תענוג שלי. תודה רבה.

כָּרוֹז (40:39): אם תרצה השמחה של למה, לבדוק את פודקאסט המדע של מגזין Quanta, בהנחייתי, סוזן ואלוט, אחת מהמפיקות של התוכנית הזו. ספרו גם לחברים שלכם על הפודקאסט הזה ותתנו לנו לייק או עקבו אחרי המקום שבו אתם מאזינים. זה עוזר לאנשים למצוא השמחה של למה פודקאסט.

סטיב סטרוגאץ (41: 03): השמחה של למה הוא פודקאסט מ מגזין Quanta, פרסום עצמאי מבחינה עריכה הנתמך על ידי קרן סימונס. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על בחירת הנושאים, האורחים או החלטות עריכה אחרות בפודקאסט זה או ב- מגזין Quanta. השמחה של למה מופק על ידי סוזן ואלוט ופולי סטרייקר. העורכים שלנו הם ג'ון רני ותומס לין, עם תמיכה של מאט קרלסרום, אנני מלצ'ור ולילה סלומן. מוזיקת ​​הנושא שלנו הולחנה על ידי ריצ'י ג'ונסון. הלוגו שלנו הוא של ג'קי קינג, ויצירות האמנות לפרקים הן של מייקל דרייבר וסמואל ולסקו. אני המארח שלך, סטיב סטרוגאץ. אם יש לך שאלות או הערות עבורנו, אנא שלח לנו דוא"ל לכתובת quanta@simonsfoundation.org. תודה על הקשבה.