Kwantowa teoria pola może być najskuteczniejszą teorią naukową wszechczasów, przewidującą wyniki eksperymentów z oszałamiającą dokładnością i postępującą w badaniach nad matematyką wyższych wymiarów. Jednak są też powody, by sądzić, że czegoś brakuje. Steven Strogatz rozmawia z Davidem Tongiem, fizykiem teoretykiem z University of Cambridge, aby zbadać otwarte pytania tej enigmatycznej teorii.
Nasłuchiwać Podcasty Apple, Spotify, Podcasty Google, Stitcher, Dostroić lub swoją ulubioną aplikację do podcastów, lub możesz przesyłaj strumieniowo z Quanta.
Transkrypcja
Stevena Strogatza (00:03): Jestem Steve Strogatz, a to jest Radość dlaczego, podcast z magazynu Quantum, który zabierze Cię w niektóre z największych pytań bez odpowiedzi w matematyce i nauce.
(00:12) Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, z czego właściwie jesteśmy stworzeni, prawdopodobnie znalazłeś się w króliczej norce odkryć. Podobnie jak inne żywe istoty, jesteśmy zbudowani z komórek. A komórki z kolei składają się z cząsteczek, a cząsteczki z atomów. Kop jeszcze głębiej, a wkrótce znajdziesz się na poziomie elektronów i kwarków. Są to cząstki, które tradycyjnie uważano za koniec linii, podstawowe elementy budulcowe materii.
(00:39) Ale dzisiaj wiemy, że to… nie do końca tak!. Zamiast tego fizycy mówią nam, że na najgłębszym poziomie wszystko składa się z tajemniczych bytów, podobnych do cieczy substancji, które nazywamy polami kwantowymi. Te niewidzialne pola czasami działają jak cząstki, a czasami jak fale. Mogą ze sobą wchodzić w interakcje. Niektóre z nich mogą nawet przepływać przez nas. The teoria pól kwantowych jest prawdopodobnie najbardziej udana teoria naukowa wszechczasów. W niektórych przypadkach daje prognozy, które zgadzają się z eksperymentami z zadziwiającymi 12 miejscami po przecinku. Co więcej, kwantowa teoria pola rzuca również ogromne światło na pewne kwestie z czystej matematyki, zwłaszcza w badaniu kształtów czterowymiarowych i jeszcze wyższych przestrzeni wymiarowych. Jednak są też powody, by sądzić, że kwantowej teorii pola czegoś brakuje. Wygląda na to matematycznie niekompletny, pozostawiając nam wiele pytań bez odpowiedzi.
(01:38) Dołącza do mnie teraz, aby omówić to wszystko, profesor Davida Tonga. David jest fizykiem teoretycznym na Uniwersytecie Cambridge. Jego specjalnością jest kwantowa teoria pola, a także jest znany jako wyjątkowo utalentowany nauczyciel i wykładowca. Wśród wielu wyróżnień został nagrodzony Nagrodą Adamsa w 2008 roku, jedną z najbardziej prestiżowych nagród przyznawanych przez Uniwersytet w Cambridge. Jest także badaczem Simonsa, nagrodą Fundacji Simonsa przyznawaną naukowcom i matematykom za badanie podstawowych kwestii. Fundacja Simonsa również finansuje ten podcast. David, dziękuję bardzo za przyłączenie się do nas dzisiaj.
Davida Tonga (02:15): Cześć Steve. Wielkie dzięki za przyjęcie mnie.
Strogatz: Cieszę się, że mam okazję z tobą porozmawiać. Z przyjemnością czytam Twoje wykłady w Internecie i oglądam niektóre z Twoich fantastycznych wykładów na YouTube. To świetna uczta. Zacznijmy od podstaw. Porozmawiamy dzisiaj o polach. Powiedz nam, kto je stworzył. Zazwyczaj zasługa Michaela Faraday'a. Jaki był jego pomysł? A co odkrył?
Tong (02:37): Wszystko wraca do… Michael Faraday. Faraday był jednym z wielkich fizyków eksperymentalnych wszechczasów, był w dużej mierze fizykiem eksperymentalnym, a nie teoretykiem. Opuścił szkołę w wieku 14 lat. W zasadzie nie znał matematyki. A jednak cudownie zbudował intuicję dotyczącą sposobu działania wszechświata. Oznaczało to, że naprawdę wniósł jeden z najważniejszych wkładów do fizyki teoretycznej. Przez około 25 lat bawił się ideami elektryczności i magnetyzmu. Zdobywał magnesy i owijał wokół nich miedziany drut. Zrobił kilka dość ważnych rzeczy, takich jak odkrycie indukcji elektromagnetycznej i wynalezienie silnika elektrycznego.
(03:19) I po około 20 latach wysunął bardzo śmiałą propozycję, aby obrazy, które wymyślił w swoim umyśle, aby wyjaśnić, jak wszystko działa, były właściwie poprawnym opisem wszechświata, w którym żyjemy.
(03:33) Pozwólcie, że podam przykład. Jeśli weźmiesz kilka magnesów sztabkowych i złożysz je razem, tak aby dwa bieguny północne zbliżyły się do siebie — to eksperyment, który wszyscy przeprowadziliśmy. A kiedy popychasz te magnesy razem, czujesz tę gąbczastą siłę, która je odpycha. Faraday wysunął bardzo śmiałą propozycję, że tak naprawdę jest coś pomiędzy magnesami. To niesamowite, bo patrzysz na magnesy, tam – to tylko rozrzedzone powietrze, wyraźnie nic tam nie ma. Ale Faraday powiedział, że coś tam jest, jest tam to, co teraz nazywamy polem magnetycznym, nazwał to linią siły. I że to pole magnetyczne było tak samo rzeczywiste jak same magnesy.
(04:11) Był to więc zupełnie nowy sposób myślenia o wszechświecie, w którym żyjemy. Zasugerował, że we wszechświecie są nie tylko cząstki, ale dodatkowo istnieje inny rodzaj obiektu, zupełnie inny rodzaj obiektu , pole, które istnieje wszędzie w przestrzeni jednocześnie. Powiedział, we współczesnym języku powiedzielibyśmy, że w każdym punkcie we wszechświecie są dwa wektory, dwie strzałki. I te wektory mówią nam o kierunku i wielkości pola elektrycznego i magnetycznego.
(04:43) Więc zostawił nam ten obraz wszechświata, w którym istnieje pewna dychotomia, że są dwa bardzo, bardzo różne obiekty. Są cząstki, które wytwarzają pola elektryczne i magnetyczne. A potem same pola elektryczne i magnetyczne falują i ewoluują, co z kolei mówi cząsteczkom, jak się poruszać. Istnieje więc rodzaj zawiłego tańca między tym, co robią cząstki, a tym, co robią pola. I naprawdę, jego wielki wkład polegał na stwierdzeniu, że te pola są rzeczywiste, są tak naprawdę tak samo rzeczywiste jak cząstki.
Strogatz (05:12): Jak więc koncepcja pól zmieniła się po odkryciu mechaniki kwantowej?
Tong (05:18): Więc kiedy pojawiła się mechanika kwantowa, mamy teraz rok 1925. I mamy ten rodzaj osobliwego spojrzenia na świat. Wiemy więc, że istnieją pola elektryczne i magnetyczne. Wiemy, że fale tych pól elektromagnetycznych są tym, co nazywamy światłem. Ale dodatkowo dzięki rewolucji kwantowej wiemy, że samo światło składa się z cząstek, fotonów.
(05:41) Pojawia się więc pytanie, jak należy myśleć o związku między polami z jednej strony a fotonami z drugiej. I myślę, że istnieją dwie logiczne możliwości tego, jak to może działać. Może być tak, że powinieneś myśleć o polach elektrycznych i magnetycznych jako składających się z bardzo wielu fotonów, podobnie jak płyn składa się z bardzo wielu atomów, a ty myśl, że atomy są podstawowym obiektem. Albo alternatywnie może być na odwrót, może być tak, że pola są podstawową rzeczą. A fotony pochodzą z małych fal pola. Były to więc dwie logiczne możliwości.
(06:18) A wielki rozwój, no cóż, zaczyna się w 1927 roku. Ale potrzeba dobrych 20 lub 30 lat, zanim zostanie to w pełni docenione. Wielkim uznaniem jest zatem to, że to pola są naprawdę fundamentalne, że pole elektryczne i magnetyczne jest podstawą wszystkiego. A małe zmarszczki pola elektrycznego i magnetycznego zamieniają się w małe wiązki energii, które następnie nazywamy fotonami dzięki efektom mechaniki kwantowej.
(06:44) I wspaniałym wielkim krokiem, jednym z wielkich jednoczących kroków w historii fizyki, jest zrozumienie, że ta sama historia dotyczy wszystkich innych cząstek. Że rzeczy, które nazywamy elektronami i rzeczy, które nazywamy kwarkami, same w sobie nie są obiektami podstawowymi. Zamiast tego w całym wszechświecie rozprzestrzenia się coś, co nazywa się polem elektronowym, dokładnie tak samo jak pola elektryczne i magnetyczne. A cząstki, które nazywamy elektronami, są małymi zmarszczkami tego pola elektronowego. To samo dotyczy każdej innej cząstki, o której chcesz wspomnieć. Istnieje pole kwarków — w rzeczywistości istnieje sześć różnych pól kwarków w całym wszechświecie. Są pola neutrin, są pola dla gluonów i W bozony. I za każdym razem, gdy odkrywamy nową cząstkę, z której najnowsza jest bozon Higgsa, wiemy, że związane z nią jest pole, które jest jej podstawą, a cząstki są tylko zmarszczkami pola.
Strogatz (07:33): Czy jest jakaś konkretna nazwa, którą powinniśmy skojarzyć z tym sposobem myślenia?
Tong (07:36): Jest jedna osoba i jest, został prawie wymazany z podręczników historii, ponieważ był bardzo zagorzałym członkiem partii nazistowskiej. I był członkiem partii nazistowskiej na długo przed powołaniem jej na członka partii nazistowskiej. Nazywa się Pascal Jordan. I był jednym z twórców mechaniki kwantowej. Był na oryginalnych papierach z Heisenbergiem i innymi. Ale tak naprawdę był osobą, która jako pierwsza doceniła to, że jeśli zaczniesz od pola i zastosujesz zasady mechaniki kwantowej, skończysz z cząstką.
Strogatz (08:06): Dobrze, bardzo dobrze. Wspomniałeś o tych wszystkich różnych — polu elektronowym, kwarku, W i Z bozony i reszta. Opowiedz nam trochę o Modelu Standardowym, o którym tyle słyszymy.
Tong (08: 18): Model standardowy is nasza obecna najlepsza teoria wszechświata w którym żyjemy. To przykład kwantowej teorii pola. To w zasadzie wszystkie cząstki, które już wymieniliśmy. Do każdego z nich przypisane jest pole. A Model Standardowy to formuła, która opisuje, w jaki sposób każde z tych pól oddziałuje z innymi. Pola w grze to trzy pola siłowe. W zależności od tego, jak policzysz 12 pól materii, w sposób, który wyjaśnię. Więc trzy pola sił to elektryczność i magnetyzm — ponieważ, w dużej mierze dzięki Faradayowi, zdajemy sobie sprawę, że pole elektryczne i pole magnetyczne są jakby dwiema stronami tej samej monety, nie można mieć jednej bez drugiej. Więc my liczymy je jako jeden. Są też dwa pola sił jądrowych, jedno zwane polem gluonowym, które jest związane z silnymi siłami jądrowymi. To utrzymuje jądra razem wewnątrz atomów i inne pola związane ze słabym oddziaływaniem jądrowym. Nazywają się W bozon lub Z pola bozonowe. Mamy więc trzy pola siłowe.
[WSTAW WIDEO: Model Standardowy: Najskuteczniejsza teoria naukowa w historii]
(09:20) A potem mamy kilka pól materii, które występują w trzech grupach po cztery. Najbardziej znane to pole elektronowe, dwa pola kwarkowe związane z kwarkiem górnym i dolnym. Proton zawiera – o rany, mam nadzieję, że dobrze to zrozumieliśmy – dwa w górę iw dół, a neutron zawiera dwa w dół i jeden w górę, myślę, że mam to we właściwy sposób.
Strogatz (09:41): Tak czy inaczej możesz mnie oszukać. Nigdy nie pamiętam.
Tong (09:43): Tak, ale słuchacze będą wiedzieć. A potem pole neutrinowe. Mamy więc zbiór czterech cząstek oddziałujących z trzema siłami. A potem z powodu, którego tak naprawdę nie rozumiemy, wszechświat postanowił powtórzyć te pola materii dwukrotnie. Jest więc drugi zbiór czterech cząstek zwanych mionem, dziwny urok i jeszcze jedno neutrino. Zabrakło nam dobrych nazw dla neutrin, więc nazywamy je po prostu neutrinami mionowymi. A potem otrzymujemy kolejny zbiór czterech: tau, górny kwark, dolny kwark i znowu neutrino tau. Tak więc natura ma ten sposób na powtarzanie się. I tak naprawdę nikt nie wie dlaczego. Myślę, że to pozostaje jedną z wielkich tajemnic. Ale te zbiory 12 cząstek oddziałujących z trzema siłami tworzą Model Standardowy.
(09:43) Och, i przegapiłem jeden. Ten, którego przegapiłem, jest ważny. To bozon Higgsa. Bozon Higgsa wiąże wszystko razem.
Strogatz (10:37): W porządku, to kuszące. Może powinniśmy powiedzieć trochę, co robi bozon Higgsa, jaką rolę odgrywa w Modelu Standardowym.
Tong (10:43): Robi coś wyjątkowego. Daje masę wszystkim innym cząsteczkom. Chciałabym mieć dobrą analogię do wyjaśnienia, jak daje masę. Mogę podać złą analogię, ale to naprawdę zła analogia. Zła analogia jest taka, że to pole Higgsa jest rozrzucone po całej przestrzeni, to prawda. I zła analogia jest taka, że działa trochę jak melasa lub melasa. Cząstki muszą przepychać się przez to pole Higgsa, aby poczynić jakiekolwiek postępy. A to ich spowalnia. W naturalny sposób poruszałyby się z prędkością światła i zostały spowolnione przez obecność tego pola Higgsa. I to jest odpowiedzialne za zjawisko, które nazywamy masą.
(11:22) Duża część tego, co właśnie powiedziałem, to w zasadzie kłamstwo. To znaczy, to trochę sugeruje, że w grę wchodzi pewna siła tarcia. A to nieprawda. Ale to jedna z tych rzeczy, w których równania są zaskakująco proste. Ale raczej trudno jest wymyślić przekonującą analogię, która uchwyciłaby te równania.
Strogatz (11:36): To niesamowite stwierdzenie, że bez pola Higgsa lub jakiegoś, jak sądzę, jakiegoś analogicznego mechanizmu, wszystko poruszałoby się z prędkością światła. Czy dobrze słyszałem?
Tong (11:47): Tak, z wyjątkiem, jak zawsze, tych rzeczy, to tak, z zastrzeżeniem. „Ale” jest takie, że gdyby pole Higgsa zostało wyłączone, elektron poruszałby się z prędkością światła. Więc wiesz, atomy nie byłyby szczególnie stabilne. Neutrino, które i tak jest prawie bezmasowe, poruszałoby się z prędkością światła. Okazuje się jednak, że proton lub neutron miałyby zasadniczo taką samą masę, jaką mają teraz. Wiesz, kwarki w nich byłyby bezmasowe. Ale masa kwarków wewnątrz protonu lub neutronu jest całkowicie trywialna w porównaniu z protonem lub neutronem — 0.1%, coś w tym stylu. Tak więc proton lub neutron faktycznie otrzymują swoją masę z części kwantowej teorii pola, którą najmniej rozumiemy, ale dzikie fluktuacje pól kwantowych to to, co dzieje się wewnątrz protonu lub neutronu i daje im masę. Tak więc cząstki elementarne stałyby się bezmasowe — kwarki, elektrony — ale materiały, z których jesteśmy zbudowani — neutrony i protony — nie. Swoją masę czerpią z tego innego mechanizmu.
Strogatz (12:42): Jesteś pełen ciekawych rzeczy. Zobaczmy, czy mogę powiedzieć, co myślę w odpowiedzi na to. I możesz mnie poprawić, jeśli całkowicie się mylę. Więc mam te silnie oddziałujące kwarki wewnątrz, powiedzmy, protonu. I ciągle myślę zgadując, że jest coś E = mc2 połączenie się tutaj dzieje, że potężne interakcje są związane z pewną dużą ilością energii. A to jakoś przekłada się na masę. Czy to jest to, czy też wirtualne cząstki powstają, a następnie znikają? A wszystko to tworzy energię, a więc masę?
Tong (13:16): To obie rzeczy, które właśnie powiedziałeś. Więc mówimy to kłamstwo, kiedy jesteśmy w liceum – fizyka polega na kłamstwie, gdy jesteś młody i zdasz sobie sprawę, że rzeczy stają się nieco bardziej skomplikowane, gdy się starzejesz. Kłamstwo, o którym mówimy, i powiedziałem to już wcześniej, polega na tym, że w każdym protonie i każdym neutronie znajdują się trzy kwarki. I to nieprawda. Prawidłowe stwierdzenie jest takie, że w protonie znajduje się wiele setek kwarków, antykwarków i gluonów. I stwierdzenie, że tak naprawdę są trzy kwarki, właściwym sposobem powiedzenia jest to, że w danym momencie jest ich o trzy więcej niż antykwarków. Więc jest trochę dodatkowych trzech. Ale to niezwykle skomplikowany obiekt, proton. To nic ładnego i czystego. Zawiera te setki, a może nawet tysiące różnych cząstek oddziałujących w bardzo skomplikowany sposób. Można by pomyśleć o tych parach kwark-antykwark jako, jak mówisz, wirtualnych cząstkach, rzeczach, które po prostu wyskakują z próżni i wskakują z powrotem do protonu. Innym sposobem myślenia o tym jest to, że same pola są wzbudzane w jakiś skomplikowany sposób wewnątrz miotającego się protonu lub neutronu i to daje im masę.
Strogatz (14:20): Wcześniej zasugerowałem, że jest to bardzo udana teoria i wspomniałem coś o 12 miejscach po przecinku. Czy możesz nam o tym opowiedzieć? Ponieważ jest to jeden z wielkich triumfów, powiedziałbym nie tylko kwantowej teorii pola czy nawet fizyki, ale całej nauki. Próba zrozumienia wszechświata przez ludzkość jest prawdopodobnie najlepszą rzeczą, jaką kiedykolwiek zrobiliśmy. A z ilościowego punktu widzenia my jako gatunek.
Tong (14:42): Myślę, że to się zgadza. To trochę niezwykłe. Powinienem powiedzieć, że jest kilka rzeczy, które możemy wyjątkowo dobrze policzyć, kiedy wiemy, co robimy, możemy naprawdę zrobić coś spektakularnego.
Strogatz (14:42): To wystarczy, żeby wprowadzić cię w filozoficzny nastrój, ta kwestia nieuzasadnionej skuteczności matematyki.
Tong (14:52): A więc ten konkretny obiekt lub konkretna wielkość, czyli plakat z kwantowej teorii pola, ponieważ możemy to bardzo dobrze obliczyć, chociaż wykonanie tych obliczeń zajmuje wiele, wiele dziesięcioleci, nie są one łatwe. Ale co również ważne, możemy bardzo dobrze zmierzyć to eksperymentalnie. Więc to jest numer o nazwie g-2 , nie jest to szczególnie ważne w ogólnym schemacie rzeczy, ale liczba jest następująca. Jeśli weźmiesz elektron, to ma spin. Elektron obraca się wokół pewnej osi, podobnie jak Ziemia obraca się wokół własnej osi. To jest bardziej kwantowe, ale nie jest to zła analogia do rozważenia.
(14:59) A jeśli weźmiesz elektron i umieścisz go w polu magnetycznym, kierunek tego spinu zmienia się w czasie i ta liczba g-2 mówi tylko o szybkości przetwarzania, -2 jest nieco dziwne. Ale naiwnie pomyślałbyś, że ta liczba to 1. I [Paweł] Dirac zdobył Nagrodę Nobla po części za wykazanie, że w rzeczywistości liczba ta wynosi 2 do pierwszego przybliżenia. Wtedy [Julian] Schwinger zdobył nagrodę Nobla, wraz z [Richardem] Feynmanem i [Sin-Itiro] Tomonagą, za pokazanie, że to nie jest 2, to jest 2-punktowe-coś-coś-coś. Potem z biegiem czasu zrobiliśmy to coś-coś-coś z kolejnymi dziewięcioma. Jak powiedziałeś, jest to coś, co znamy teraz bardzo dobrze teoretycznie i bardzo dobrze eksperymentalnie. I to jest po prostu zdumiewające, że te liczby, cyfra po cyfrze, zgadzają się ze sobą. To coś wyjątkowego.
(15:21) Jedną z rzeczy, które popychają cię w tym kierunku, jest to, że jest tak dobrze. Jest tak dobrze, że to nie jest model dla świata, to jest jakoś znacznie bliższe rzeczywistemu światu, temu równaniu.
Strogatz (16:31): Tak więc wychwalając kwantową teorię pola, która zasługuje na pochwałę, powinniśmy również uznać, że jest to niezwykle skomplikowana i pod pewnymi względami problematyczna teoria lub zestaw teorii. A więc w tej części naszej dyskusji zastanawiam się, czy mógłbyś nam pomóc zrozumieć, jaką rezerwację powinniśmy mieć? Albo gdzie jest granica. Mówi się, że teoria jest niekompletna. Co w tym jest niekompletne? Jakie są największe pozostałe tajemnice dotyczące kwantowej teorii pola?
Tong (17:01): Wiesz, to naprawdę zależy od tego, co subskrybujesz. Jeśli jesteś fizykiem i chcesz obliczyć tę liczbę g-2, to nie ma nic niekompletnego w kwantowej teorii pola. Kiedy eksperyment się poprawia, wiecie, kalkulujemy lub robimy lepiej. Naprawdę możesz robić tak dobrze, jak chcesz. Jest w tym kilka osi. Pozwólcie, że na początek skupię się na jednym.
(17:22) Problem pojawia się, gdy rozmawiamy z naszymi czystymi przyjaciółmi-matematykami, ponieważ nasi przyjaciele-matematycy to mądrzy ludzie i myślimy, że mamy tę matematyczną teorię. Ale nie rozumieją, o czym mówimy. I to nie ich wina, to nasza. Matematyka, z którą mamy do czynienia, nie ma rygorystycznych podstaw. To jest coś, w którym bawimy się szybko i swobodnie z różnymi matematycznymi pomysłami. I jesteśmy prawie pewni, że wiemy, co robimy, jak pokazuje umowa z eksperymentami. Ale z pewnością nie jest to poziom rygoru, z którym, cóż, z pewnością matematycy byliby zadowoleni. I coraz bardziej myślę, że my, fizycy, również czujemy się nieswojo.
(17:22) Powinienem powiedzieć, że to nie jest nowa rzecz. Zawsze jest tak, gdy pojawiają się nowe pomysły, nowe narzędzia matematyczne, że często fizycy biorą te pomysły i po prostu je wykorzystują, ponieważ mogą rozwiązywać różne rzeczy. A matematycy są zawsze – lubią słowo „rygor”, może słowo „pedanteria” jest lepsze. Ale teraz poruszają się wolniej niż my. Wstawiają kropkę nad „i” i przecinają „T”. I jakoś, z kwantową teorią pola, czuję, że minęło tak wiele czasu, postęp był tak mały, że może myślimy o tym niepoprawnie. Więc to jedna nerwowość polega na tym, że nie można tego uczynić matematycznie rygorystycznym. I to nie przez chęć spróbowania.
Strogatz (18:33): Cóż, spróbujmy zrozumieć istotę trudności. A może jest ich wiele. Ale mówiłeś wcześniej o Michaelu Faradaya. I w każdym punkcie przestrzeni mamy wektor, wielkość, którą moglibyśmy traktować jako strzałkę, która ma kierunek i wielkość, lub jeśli wolimy, możemy myśleć o tym jako o trzech liczbach, może jak x, y iz każdego wektora. Ale w kwantowej teorii pola obiekty zdefiniowane w każdym punkcie są, jak sądzę, bardziej skomplikowane niż wektory czy liczby.
Tong (18:33): Są. Matematyczny sposób na powiedzenie tego jest taki, że w każdym punkcie jest operator — jakaś, jeśli wolisz, nieskończenie wymiarowa macierz, która znajduje się w każdym punkcie przestrzeni i działa na pewną przestrzeń Hilberta, która sama w sobie jest bardzo skomplikowana i bardzo trudne do zdefiniowania. Więc matematyka jest skomplikowana. I w dużej mierze to z powodu tego problemu świat jest kontinuum, myślimy, że przestrzeń i czas, w szczególności przestrzeń, są ciągłe. W każdym punkcie trzeba więc naprawdę coś zdefiniować. A obok jednego punktu, nieskończenie blisko tego punktu, znajduje się kolejny punkt z innym operatorem. Więc istnieje nieskończoność, która pojawia się, gdy patrzysz na coraz mniejsze skale odległości, nie nieskończoność idącą na zewnątrz, ale nieskończoność idącą do wewnątrz.
(19:44) Co sugeruje sposób na obejście tego. Jednym ze sposobów na obejście tego jest po prostu udawanie w tych celach, że przestrzeń nie jest ciągła. W rzeczywistości może być tak, że przestrzeń nie jest ciągła. Więc możesz sobie wyobrazić, że myślisz o siatce, którą matematycy nazywają siatką. Więc zamiast mieć ciągłą przestrzeń, myślisz o punkcie, a następnie o pewnej skończonej odległości od niego, o innym punkcie. I w pewnej skończonej odległości od tego kolejny punkt. Innymi słowy, dyskretyzujesz przestrzeń, a następnie myślisz o tym, co nazywamy stopniami swobody, o rzeczach, które się poruszają, po prostu żyjąc w tych punktach sieci, a nie żyjąc w jakimś kontinuum. Jest to coś, z czym matematycy mają znacznie lepsze podejście.
(19:44) Ale jest problem, jeśli spróbujemy to zrobić. I myślę, że to właściwie jeden z najgłębszych problemów fizyki teoretycznej. Chodzi o to, że niektórych kwantowych teorii pola po prostu nie możemy w ten sposób zdyskretyzować. Istnieje matematyczne twierdzenie, które zabrania ci spisywania dyskretnych wersji pewnych kwantowych teorii pola.
Strogatz (20:41): Och, na tym moje brwi są uniesione.
Tong (20:43): Twierdzenie nazywa się twierdzeniem Nielsena-Ninomiyi. Wśród klasy kwantowych teorii pola, których nie można zdyskretyzować, znajduje się ta, która opisuje nasz wszechświat, Model Standardowy.
Strogatz (20:52): Nie żartuj! Wow.
Tong (20:54): Wiesz, jeśli weźmiesz to twierdzenie za dobrą monetę, to mówi nam, że nie żyjemy w Matrixie. Sposób, w jaki symulujesz cokolwiek na komputerze, polega najpierw na dyskretyzacji, a następnie na symulacji. A jednak istnieje podstawowa przeszkoda, która wydaje się utrudniać dyskretyzację praw fizyki, jakie znamy. Nie możemy więc symulować praw fizyki, ale oznacza to, że nikt inny też nie może. Więc jeśli naprawdę kupisz to twierdzenie, to nie żyjemy w Matrixie.
Strogatz (21:18): Naprawdę dobrze się bawię, David. To jest takie interesujące. Nigdy nie miałem okazji studiować kwantowej teorii pola. Wziąłem mechanikę kwantową od Jima Peeblesa z Princeton. I to było cudowne. Bardzo mi się to podobało, ale nigdy nie kontynuowałem. Więc kwantowa teoria pola, jestem w sytuacji wielu naszych słuchaczy, patrząc z przejęciem na wszystkie cuda, które opisujesz,
Tong (21:41): Mogę powiedzieć trochę więcej o dokładnym aspekcie Modelu Standardowego, który sprawia, że symulacja na komputerze jest trudna lub niemożliwa. Jest fajny slogan, który mogę dodać jak hollywoodzki slogan. Slogan brzmi: „W lustrze mogą się zdarzyć rzeczy, które nie mogą się zdarzyć w naszym świecie”. W latach pięćdziesiątych, Chien-Shiung Wu odkryli to, co nazywamy naruszeniem parzystości. To stwierdzenie, że kiedy patrzysz na coś, co dzieje się przed tobą, albo patrzysz na jego obraz w lustrze, możesz odróżnić, możesz powiedzieć, czy działo się to w realnym świecie, czy działo się w lustrze. Problematyczny okazuje się ten aspekt praw fizyki, że to, co dzieje się w lustrze różni się od tego, co dzieje się w rzeczywistości. Zgodnie z tą teorią jest to aspekt, który jest trudny lub niemożliwy do zasymulowania.
Strogatz (22:28): Trudno zrozumieć, dlaczego mam na myśli, ponieważ sama siatka nie miałaby żadnego problemu z poradzeniem sobie z parzystością. W każdym razie jestem pewien, że to subtelne twierdzenie.
Tong (22:36): Mogę spróbować opowiedzieć trochę o tym, dlaczego każda cząstka w naszym świecie — elektrony, kwarki. Rozpadają się na dwie różne cząstki. Nazywają się leworęcznymi i praworęcznymi. Zasadniczo ma to związek z tym, jak zmienia się ich rotacja podczas ruchu. Prawa fizyki są takie, że cząstki lewoskrętne odczuwają inną siłę niż cząstki prawoskrętne. To właśnie prowadzi do tego naruszenia parzystości.
(22:59) Okazuje się, że trudno jest zapisać teorie matematyczne, które są spójne i mają tę właściwość, że cząstki lewoskrętne i cząstki prawoskrętne doświadczają różnych sił. Istnieją pewne luki, przez które musisz przeskoczyć. Nazywa się to anomaliami lub anulowaniem anomalii w kwantowej teorii pola. I te subtelności, te luki, z których się wywodzą, przynajmniej w pewnych sposobach obliczania faktu, że przestrzeń jest ciągła, te luki można zobaczyć tylko wtedy, gdy są przestrzenie, albo te wymagania, gdy przestrzeń jest ciągła. Więc krata nic o tym nie wie. Sieć nic nie wie o tych fantazyjnych anomaliach.
(23:36) Ale nie można zapisać niespójnej teorii na siatce. Więc w jakiś sposób siatka musi osłaniać swój tyłek, musi upewnić się, że to, co ci daje, jest spójną teorią. A robi to po prostu nie dopuszczając teorii, w których lewoskrętne i prawoskrętne cząstki odczuwają różne siły.
Strogatz (23:50): W porządku, myślę, że rozumiem to. To jest tak, że topologia dopuszcza niektóre zjawiska, te anomalie, które są wymagane, aby zobaczyć to, co widzimy w przypadku słabej siły, na co nie pozwoliłaby dyskretna przestrzeń. To coś w kontinuum jest kluczowe.
Tong (24:06): Właściwie to powiedziałeś to lepiej niż ja. To wszystko ma związek z topologią. Dokładnie tak. Tak.
Strogatz (24:11): W porządku. Dobrze. Właściwie to dla nas bardzo miłe przejście do tego, dokąd miałem nadzieję, że udamy się dalej, czyli opowiedzenie o tym, co kwantowa teoria pola zrobiła dla matematyki, ponieważ jest to kolejna z wielkich historii sukcesu. Chociaż, wiecie, dla fizyków, którym zależy na wszechświecie, to może nie jest najważniejsza sprawa, ale dla ludzi zajmujących się matematyką, jesteśmy bardzo wdzięczni i zadziwieni wielkim wkładem, jaki wniósł myślenie o czysto matematycznych obiektach , jakby informowali ich o spostrzeżeniach z kwantowej teorii pola. Czy mógłbyś opowiedzieć nam trochę o tej historii, która zaczęła się, powiedzmy, w latach 1990.?
Tong (24:48): Tak, to naprawdę jedna z cudownych rzeczy, które wychodzą z kwantowej teorii pola. I nie ma tu małej ironii. Wiesz, ironia polega na tym, że używamy tych technik matematycznych, co do których matematycy są bardzo podejrzliwi, ponieważ nie sądzą, że są, nie są rygorystyczne. A jednocześnie jesteśmy w jakiś sposób w stanie przeskoczyć matematyków i prawie pokonać ich w ich własnej grze w pewnych okolicznościach, gdzie możemy się odwrócić i przekazać im wyniki, którymi są zainteresowani, w ich własnym obszarze specjalność i wyniki, które w pewnych okolicznościach całkowicie przekształciły niektóre obszary matematyki.
(25:22) Więc mogę spróbować wyjaśnić, jak to działa. Dziedziną matematyki, w której jest to najbardziej przydatne, są pomysły związane z geometrią. Nie tylko. Ale myślę, że jest to ten, o którym osiągnęliśmy największy postęp w myśleniu o nim jako fizycy. I oczywiście geometria zawsze była bliska sercu fizyków. Ogólna teoria względności Einsteina tak naprawdę mówi nam, że przestrzeń i czas same w sobie są jakimś obiektem geometrycznym. Więc to, co robimy, to bierzemy to, co matematycy nazywają rozmaitością, jest to pewna przestrzeń geometryczna. W swoim umyśle możesz najpierw pomyśleć o powierzchni piłki nożnej. A potem może powierzchnia pączka, gdzie pośrodku jest dziura. A potem uogólnij na powierzchnię precla, gdzie pośrodku jest kilka dziur. A potem wielkim krokiem jest zrobienie tego wszystkiego i wypchnięcie go do wyższych wymiarów i wymyślenie jakiegoś obiektu z wyższych wymiarów, owiniętego wokół siebie dziurami o wyższych wymiarach i tak dalej.
(26:13) A więc tego rodzaju pytania, jakie zadają nam matematycy, aby klasyfikować takie obiekty, pytać, co jest specjalnego w różnych obiektach, jakie mogą mieć dziury, jakie struktury mogą mieć na sobie i tak dalej. Jako fizycy mamy trochę dodatkowej intuicji.
(26:28) Ale dodatkowo mamy tajną broń kwantowej teorii pola. Mamy dwie tajne bronie. Mamy kwantową teorię pola; świadomie lekceważymy rygor. Te dwie kombinacje całkiem, całkiem ładnie się łączą. Zadamy więc pytania typu: weź jedną z tych przestrzeni i umieść na niej cząsteczkę i zapytajmy, jak ta cząsteczka reaguje na przestrzeń? Teraz z cząstkami lub cząstkami kwantowymi dzieje się coś całkiem interesującego, ponieważ ma falę prawdopodobieństwa, która rozprzestrzenia się w przestrzeni. I tak z powodu tej kwantowej natury ma możliwość pewnego rodzaju wiedzy o globalnej naturze przestrzeni. Może w pewnym sensie wyczuć całą przestrzeń naraz i dowiedzieć się, gdzie są dziury, gdzie są doliny i gdzie są szczyty. I tak nasze cząstki kwantowe mogą na przykład utknąć w pewnych dziurach. W ten sposób powiedz nam coś o topologii przestrzeni.
(27:18) Tak więc odniesiono wiele bardzo poważnych sukcesów w zastosowaniu kwantowej teorii pola do tej jednej z największych z początku lat 1990., czegoś, co nazywa się symetrią lustrzaną, która zrewolucjonizowała obszar zwany symetrią lustrzaną. geometria symplektyczna. Trochę później [Nathan] Seiberga i [Edward] Witten rozwiązał konkretną czterowymiarową teorię pola kwantowego, co dało nowy wgląd w topologię przestrzeni czterowymiarowych. To naprawdę cudownie owocny program, w którym to, co dzieje się od kilkudziesięciu lat, fizycy wymyślają nowe idee z kwantowej teorii pola, ale zupełnie nie są w stanie ich udowodnić z powodu braku rygorów. A potem pojawią się matematycy, ale to nie tylko robienie kropek w oczy i krzyżowanie T, zwykle biorą pomysły i udowadniają je na swój własny sposób i wprowadzają nowe pomysły.
(28:02) A te nowe idee są następnie przesyłane z powrotem do kwantowej teorii pola. I tak nastąpił naprawdę wspaniały, harmonijny rozwój matematyki i fizyki. Jak się okazuje, często zadajemy te same pytania, ale używając bardzo różnych narzędzi i rozmawiając ze sobą, osiągnęliśmy znacznie większy postęp, niż zrobilibyśmy inaczej.
Strogatz (28:18): Myślę, że intuicyjny obraz, który podałeś, jest bardzo pomocny, ponieważ myślenie o tym pojęciu pola kwantowego jako czegoś, co jest zdelokalizowane. Wiesz, zamiast cząstki, o której myślimy jako o punkcie, masz ten obiekt, który rozciąga się na całą przestrzeń i czas, jeśli w teorii jest czas, lub jeśli po prostu robimy geometrię, myślę, że Po prostu myśl o tym jako o rozprzestrzenianiu się na całą przestrzeń. Te pola kwantowe są bardzo zgrabnie przystosowane do wykrywania cech globalnych, jak powiedziałeś.
(28:47) A to nie jest standardowy sposób myślenia w matematyce. Przywykliśmy do myślenia o punkcie i sąsiedztwie punktu, nieskończenie małym sąsiedztwie punktu. To nasz przyjaciel. Jako matematycy jesteśmy jak najbardziej krótkowzroczne stworzenia, podczas gdy fizycy są tak przyzwyczajeni do myślenia o tych automatycznie globalnych obiektach czujnikowych, tych polach, które mogą, jak mówisz, wywąchiwać kontury, doliny, szczyty, całe powierzchnie obiektów globalnych.
Tong (29:14): Tak, dokładnie tak. A część informacji zwrotnych na temat fizyki była bardzo ważna. Tak więc docenienie tej topologii naprawdę leży u podstaw wielu naszych sposobów myślenia w kwantowej teorii pola, że powinniśmy myśleć globalnie zarówno w kwantowej teorii pola, jak iw geometrii. I wiesz, są programy, na przykład, do budowy komputerów kwantowych i jeden z najbardziej, no cóż, być może jest to jeden z bardziej optymistycznych sposobów budowania komputerów kwantowych.
(29:34) Ale jeśli można by to zrobić, jednym z najpotężniejszych sposobów budowy komputera kwantowego jest wykorzystanie topologicznych koncepcji kwantowej teorii pola, w której informacje nie są przechowywane w punkcie lokalnym, ale są przechowywane globalnie przestrzeń. Zaletą jest to, że jeśli naciśniesz ją gdzieś w pewnym momencie, nie zniszczysz informacji, ponieważ nie są one przechowywane w jednym punkcie. Jest przechowywany wszędzie na raz. Tak jak powiedziałem, istnieje naprawdę ta cudowna wzajemna zależność między matematyką i fizyką, która dzieje się, kiedy mówimy.
Strogatz (30:01): Cóż, zmieńmy ostatni raz biegi z powrotem z matematyki na fizykę, a może nawet trochę kosmologii. Jeśli chodzi o historię sukcesu teorii fizycznej, więcej konstelacji teorii, które nazywamy kwantową teorią pola, całkiem niedawno przeprowadziliśmy te eksperymenty w CERN. Czy to właśnie tam jest Wielki Zderzacz Hadronów, prawda?
Tong (30:01): Zgadza się. Jest w Genewie.
Strogatz (30:04): Dobrze. Wspomniałeś o odkryciu Higgsa od dawna przepowiadanego około 50, 60 lat temu, ale rozumiem, że fizycy… cóż, jakie jest właściwe słowo? Rozczarowany, zmartwiony, zdziwiony. Że niektóre z rzeczy, które mieli nadzieję zobaczyć w eksperymentach w Wielkim Zderzaczu Hadronów, nie zmaterializowały się. Powiedzmy, że supersymetria jest jednym. Opowiedz nam trochę o tej historii. Gdzie mamy nadzieję zobaczyć więcej z tych eksperymentów? Jak powinniśmy się czuć, gdybyśmy nie widzieli więcej?
Tong (30:53): Mieliśmy nadzieję zobaczyć więcej. Nie mam jednak pojęcia, jak powinniśmy się czuć, czego nie widzieliśmy. Mógłbym, mogę opowiedzieć historię.
Tong (31:00): Tak więc zbudowano LHC. I został zbudowany z oczekiwaniem, że odkryje bozon Higgsa, co też zrobił. Bozon Higgsa był ostatnią częścią Modelu Standardowego. I były powody, by sądzić, że po ukończeniu Modelu Standardowego bozon Higgsa będzie również portalem prowadzącym nas do tego, co będzie dalej, do kolejnej warstwy rzeczywistości niż do tego, co nastąpi później. I są argumenty, które możesz przedstawić, że kiedy odkryjesz Higgsa, powinieneś odkryć mniej więcej w tym samym sąsiedztwie, tę samą skalę energii co Higgs, kilka innych cząstek, które w jakiś sposób stabilizują bozon Higgsa. Bozon Higgsa jest wyjątkowy. To jedyna cząstka w Modelu Standardowym, która się nie obraca. Wszystkie inne cząstki, spiny elektronów, spiny fotonów, nazywamy to polaryzacją. Bozon Higgsa jest jedyną cząstką, która się nie obraca. W pewnym sensie jest to najprostsza cząstka w Modelu Standardowym.
(31:00) Ale są argumenty teoretyczne, które mówią, że cząstka, która nie wiruje, powinna mieć bardzo dużą masę. Bardzo ciężkie środki podniesione do najwyższej możliwej skali energii. Te argumenty są dobrymi argumentami. Moglibyśmy wykorzystać kwantową teorię pola w wielu innych sytuacjach, w materiałach opisywanych przez kwantową teorię pola. Zawsze jest prawdą, że jeśli cząstka się nie obraca, nazywa się ją cząstką skalarną. I ma lekką masę. Jest powód, dla którego jest to masa światła.
(32:25) Spodziewaliśmy się więc, że istnieje powód, dla którego bozon Higgsa ma taką masę, jaką ma. Pomyśleliśmy, że ten powód nadejdzie wraz z dodatkowymi cząstkami, które pojawią się po pojawieniu się Higgsa. A może to była supersymetria, a może coś, co nazywano technikolorem. I było wiele, wiele teorii. Odkryliśmy, że Higgs i LHC — myślę, że warto to dodać — przekroczyły wszelkie oczekiwania, jeśli chodzi o działanie maszyny, eksperymenty i czułość detektorów. A ci ludzie to absolutni bohaterowie, którzy przeprowadzają eksperyment.
(32:56) Odpowiedź jest taka, że nie ma tam nic innego na skali energii, którą obecnie badamy. I to jest zagadka. To dla mnie zagadka. I dla wielu innych jest to zagadka. Myliliśmy się wyraźnie; myliliśmy się, co do oczekiwań, że powinniśmy odkryć coś nowego. Ale nie wiemy, dlaczego się mylimy. Wiesz, nie wiemy, co było nie tak z tymi argumentami. Nadal czują się dobrze, nadal czują się dobrze dla mnie. Jest więc coś, czego brakuje nam w kwantowej teorii pola, co jest ekscytujące. I wiesz, dobrze jest się mylić w tej dziedzinie nauki, ponieważ tylko wtedy, gdy się mylisz, możesz w końcu zostać popchnięty we właściwym kierunku. Ale można śmiało powiedzieć, że obecnie nie jesteśmy pewni, dlaczego się mylimy.
Strogatz (33:32): To dobre nastawienie, prawda, że osiągnięto tak duży postęp z tych paradoksów, od tego, co w tamtym czasie wydawało się rozczarowaniem. Ale żeby przeżyć to i być w jednym pokoleniu — to znaczy, nie chcę mówić, że możesz zostać zmyty do czasu, kiedy to się rozwiąże, ale to przerażająca perspektywa.
Tong (33:50): Zmyte byłoby w porządku. Ale chciałbym żyć.
Strogatz (33:56): Tak, czułem się źle, nawet mówiąc to.
Przechodząc od małego do dużego, dlaczego nie zastanowimy się nad niektórymi kwestiami kosmologicznymi. Ponieważ niektóre z innych wielkich tajemnic, takie jak ciemna materia, ciemna energia, wczesny wszechświat. Więc studiujesz jako jeden z twoich własnych obszarów wielkiego zainteresowania, czas tuż po Wielkim Wybuchu, kiedy tak naprawdę nie mieliśmy jeszcze cząstek. Właśnie mieliśmy, co, pola kwantowe?
Tong (34:22): Był czas po Wielkim Wybuchu, zwany inflacją. Był to więc czas, w którym wszechświat rozszerzył się bardzo, bardzo szybko. A kiedy to się działo, we wszechświecie istniały pola kwantowe. Myślę, że jedną z najbardziej zdumiewających historii w całej nauce jest to, że te pola kwantowe miały fluktuacje. Wiesz, zawsze podskakują w górę iw dół, tylko z powodu drgań kwantowych. Tak jak zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że cząstka nie może, nie może znajdować się w określonym miejscu, ponieważ będzie miała nieskończony pęd, więc wiesz, zawsze jest tam jakaś niepewność. To samo dotyczy tych dziedzin. Te pola kwantowe nie mogą mieć dokładnie zera lub określonej wartości. Zawsze drgają w górę iw dół przez kwantową niepewność.
(35:02) A to, co wydarzyło się w ciągu tych kilku pierwszych sekund — sekundy to zdecydowanie za długo. Kilka pierwszych 10-30 Powiedzmy, że sekundy Wielkiego Wybuchu to czas, w którym wszechświat rozszerza się bardzo szybko. I te pola kwantowe zostały złapane na gorącym uczynku, że podlegają fluktuacjom, ale potem wszechświat rozciągnął je na ogromne skale. I te fluktuacje tam utknęły. Nie mogły już się wahać, w zasadzie, z powodów przyczynowych, ponieważ teraz były tak rozprzestrzenione, że, wiecie, jedna część fluktuacji nie wiedziała, co robi druga. Więc te fluktuacje rozciągnęły się na cały wszechświat, dawno temu.
(35:43) A cudowna historia jest taka, że możemy je zobaczyć, możemy je teraz zobaczyć. I zrobiliśmy im zdjęcie. Więc zdjęcie ma okropne imię. Nazywa się to kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła. Znasz to zdjęcie, to niebieskie i czerwone fale. Ale to zdjęcie kuli ognia, która wypełniła wszechświat 13.8 miliarda lat temu, i są tam zmarszczki. A zmarszczki, które widzimy, zostały zasiane przez te kwantowe fluktuacje w pierwszych kilku ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. Możemy wykonać obliczenia, możesz obliczyć, jak wyglądają fluktuacje kwantowe. I możesz eksperymentalnie zmierzyć fluktuacje CMB. I po prostu się zgadzają. To zdumiewająca historia, że możemy sfotografować te fluktuacje.
(36:30) Ale jest tu też pewien poziom rozczarowania. Wahania, które widzimy, są dość waniliowe, to tylko te, które można uzyskać z wolnych pól. I byłoby miło, gdybyśmy mogli uzyskać więcej informacji, gdybyśmy mogli zobaczyć — nazwa statystyczna jest taka, że wahania są gaussowskie. I byłoby miło zobaczyć jakąś niegaussowość, która powie nam o interakcjach między polami w bardzo, bardzo wczesnym wszechświecie. I znowu, satelita Planck poleciał i wykonał migawkę CMB z coraz wyraźniejszymi szczegółami, a niegaussowskie, jeśli w ogóle istnieją, są po prostu mniejsze niż satelita Planck. satelita może wykryć.
(36:52) Jest więc nadzieja na przyszłość, że będą inne eksperymenty CMB, jest też nadzieja, że te niegaussowskie mogą pojawić się w sposób, w jaki powstają galaktyki, statystyczny rozkład galaktyk we wszechświecie również przechowuje pamięć o nich. wahania, o których wiemy, że są prawdziwe, ale być może stamtąd moglibyśmy uzyskać więcej informacji. Więc to naprawdę niewiarygodne, że można śledzić te fluktuacje przez 14 miliardów lat, od najwcześniejszych etapów do obecnego rozkładu galaktyk we wszechświecie.
Strogatz (37:36): Cóż, dało mi to dużo wglądu, którego nie miałem wcześniej, na temat odcisku tych kwantowych fluktuacji na kosmicznym mikrofalowym tle. Zawsze się zastanawiałem. Wspomniałeś, że to wolna teoria, co oznacza — co, powiedz nam, co „wolne” oznacza dokładnie? Nie ma nic, prawda? Chodzi mi o to, że to tylko sama próżnia?
Tong (37:45): To nie tylko próżnia, ponieważ te pola są podekscytowane, gdy wszechświat się rozszerza. Ale to tylko pole, które nie wchodzi w interakcje z żadnymi innymi polami ani nawet ze sobą, po prostu odbija się w górę iw dół jak oscylator harmoniczny. Każdy punkt podskakuje w górę iw dół jak sprężyna. Jest to więc najnudniejsza dziedzina, jaką można sobie wyobrazić.
Strogatz (38:11): A to oznacza, że nie musieliśmy zakładać żadnego konkretnego pola kwantowego na początku wszechświata. Po prostu tak mówisz, wanilia.
Tong (38:19): To wanilia. Byłoby więc miło, gdyby lepiej zrozumieć, że te interakcje zachodzą, czy te interakcje się zachodzą, lub że pole ma tę konkretną właściwość. I to nie wydaje się — może w przyszłości, ale w tej chwili jeszcze nas tam nie ma.
Strogatz (38:32): Więc może powinniśmy zamknąć twoje osobiste nadzieje. Czy jest taka, gdybyś musiał wybrać jedną rzecz, którą chciałbyś osobiście rozwiązać w ciągu najbliższych kilku lat lub dla przyszłości badań nad kwantową teorią pola, która byłaby twoją ulubioną? Gdybyś mógł marzyć.
Tong (38:48): Jest tak wiele —
Strogatz: Możesz wybrać więcej.
Tong: Są rzeczy po stronie matematycznej. Więc chciałbym, chciałbym zrozumieć, od strony matematycznej, więcej o tym twierdzeniu Nielsena-Ninomiyi, o fakcie, że nie można zdyskretyzować pewnych kwantowych teorii pola. A czy w twierdzeniu są luki? Czy istnieją założenia, które możemy odrzucić i jakoś to osiągnąć?
(39:07) Wiesz, twierdzenia w fizyce są zwykle nazywane twierdzeniami „no-go”. Nie możesz tego zrobić. Ale często są drogowskazami, gdzie należy szukać, ponieważ twierdzenie matematyczne jest oczywiście prawdziwe, ale dlatego ma bardzo ścisłe założenia. A więc może możesz odrzucić to założenie lub tamto założenie i zrobić postęp w tym. Więc to jest od strony matematycznej, chciałbym zobaczyć postęp w tym zakresie.
(39:28) Po stronie eksperymentalnej, każda z rzeczy, o których mówiliśmy — jakaś nowa cząstka, nowe wskazówki dotyczące tego, co leży poza nią. A podpowiedzi widzimy dość regularnie. Najnowsza jest taka, że masa W bozon po twojej stronie Atlantyku różni się od masy W bozon po mojej stronie Atlantyku i to wydaje się dziwne. Wskazówki dotyczące ciemnej materii lub ciemnej materii. Cokolwiek to jest, składa się z pól kwantowych. Nie ma co do tego wątpliwości.
(39:53) A ciemna energia, do której nawiązałeś, że istnieją przewidywania, to zbyt mocne słowo, ale są sugestie z kwantowej teorii pola. w ogóle te fluktuacje pól kwantowych powinny napędzać ekspansję wszechświata. Ale w taki sposób, o wiele większy niż faktycznie widzimy.
(40:07) A więc ta sama zagadka, która jest z Higgsami. Dlaczego Higgs jest tak lekki? Jest tam również z ciemną energią. Dlaczego kosmologiczne przyspieszenie wszechświata jest tak małe w porównaniu z tym, o czym myślimy, że jest. To trochę dziwna sytuacja. To znaczy, mamy taką teorię. To całkowicie niesamowite. Ale jest też jasne, że są rzeczy, których tak naprawdę nie rozumiemy.
Strogatz (40:26): Chcę ci tylko podziękować, Davidzie Tong, za tę naprawdę obszerną i fascynującą rozmowę. Wielkie dzięki za przyłączenie się do mnie dzisiaj.
Tong (40:33): Z przyjemnością. Dziękuję bardzo.
Spiker (40:39): Jeśli chcesz Radość dlaczego, Sprawdź Podcast naukowy magazynu Quanta, którego gospodarzem jest Susan Valot, jedna z producentów tego programu. Opowiedz też swoim znajomym o tym podkaście i polub nas lub śledź, gdzie słuchasz. Pomaga ludziom znaleźć Radość dlaczego podcast.
Steve'a Strogatza (41: 03): Radość dlaczego jest podcastem z Magazyn Quanta, niezależna redakcyjnie publikacja wspierana przez Fundację Simonsa. Decyzje finansowe Fundacji Simonsa nie mają wpływu na wybór tematów, gości lub inne decyzje redakcyjne w tym podkaście lub w Magazyn Quanta. Radość dlaczego jest produkowany przez Susan Valot i Polly Stryker. Nasi redaktorzy to John Rennie i Thomas Lin, wspierani przez Matta Carlstroma, Annie Melchor i Leilę Sloman. Nasza muzyka przewodnia została skomponowana przez Richiego Johnsona. Nasze logo jest autorstwa Jackie King, a grafika do odcinków jest autorstwa Michaela Drivera i Samuela Velasco. Jestem twoim gospodarzem, Steve Strogatz. Jeśli masz do nas jakieś pytania lub uwagi, napisz do nas na adres quanta@simonsfoundation.org. Dziękuję za słuchanie.
