Lý thuyết trường lượng tử có thể là lý thuyết khoa học thành công nhất mọi thời đại, dự đoán kết quả thí nghiệm với độ chính xác đáng kinh ngạc và thúc đẩy nghiên cứu toán học chiều cao hơn. Tuy nhiên, cũng có lý do để tin rằng nó đang thiếu một cái gì đó. Steven Strogatz nói chuyện với David Tong, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Cambridge, để khám phá những câu hỏi mở của lý thuyết bí ẩn này.
Lắng nghe về Podcast của Apple, Spotify, Google Podcasts, người may quần áo, TuneIn hoặc ứng dụng podcasting yêu thích của bạn, hoặc bạn có thể truyền nó từ Quanta.
Bảng điểm
Steven Strogatz (00:03): Tôi là Steve Strogatz, và đây là Niềm vui của tại sao, một podcast từ tạp chí lượng tử sẽ đưa bạn vào một số câu hỏi chưa được trả lời lớn nhất trong toán học và khoa học ngày nay.
(00:12) Nếu bạn từng tự hỏi chúng ta thực sự được làm bằng gì, có thể bạn sẽ thấy mình đang đi xuống một cái hố khám phá của thỏ. Tất nhiên, cũng giống như các sinh vật sống khác, chúng ta được tạo ra từ các tế bào. Và đến lượt nó, các tế bào được tạo ra từ các phân tử và các phân tử được tạo ra từ các nguyên tử. Hãy đào sâu hơn nữa và chẳng bao lâu nữa bạn sẽ thấy mình ở cấp độ electron và quark. Đây là những hạt mà theo truyền thống được coi là cuối cùng của dòng, là khối cấu tạo cơ bản của vật chất.
(00:39) Nhưng ngày nay, chúng ta biết rằng không thực sự như vậy. Thay vào đó, các nhà vật lý nói với chúng ta rằng ở tầng sâu nhất, mọi thứ đều được tạo thành từ những thực thể bí ẩn, những chất giống như chất lỏng mà chúng ta gọi là trường lượng tử. Những trường vô hình này đôi khi hoạt động như hạt, đôi khi giống như sóng. Họ có thể tương tác với nhau. Thậm chí, một số chúng có thể chảy qua chúng ta. Các lý thuyết về trường lượng tử được cho là lý thuyết khoa học thành công nhất mọi thời đại. Trong một số trường hợp, nó đưa ra các dự đoán phù hợp với các thí nghiệm đến 12 chữ số thập phân đáng kinh ngạc. Trên hết, lý thuyết trường lượng tử cũng đã làm sáng tỏ một số câu hỏi nhất định trong toán học thuần túy, đặc biệt là trong việc nghiên cứu các hình dạng bốn chiều và thậm chí cả các không gian chiều cao hơn. Tuy nhiên, cũng có lý do để tin rằng lý thuyết trường lượng tử đang thiếu một cái gì đó. Nó có vẻ là về mặt toán học không đầy đủ, để lại cho chúng tôi nhiều câu hỏi chưa được giải đáp.
(01:38) Tham gia cùng tôi bây giờ để thảo luận về tất cả những điều này là Giáo sư David Tống. David là một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Cambridge. Chuyên môn của anh ấy là lý thuyết trường lượng tử, và anh ấy cũng nổi tiếng là một giáo viên đặc biệt tài năng và là nhà giải thích. Trong số rất nhiều danh hiệu của mình, ông đã được trao Giải thưởng Adams năm 2008, một trong những giải thưởng danh giá nhất mà Đại học Cambridge trao tặng. Anh ấy cũng là Nhà điều tra Simons, một giải thưởng của Quỹ Simons dành cho các nhà khoa học và nhà toán học để nghiên cứu các câu hỏi cơ bản. Quỹ Simons cũng tài trợ cho podcast này. David, cảm ơn bạn rất nhiều vì đã tham gia cùng chúng tôi ngày hôm nay.
David Tống (02:15): Xin chào, Steve. Cảm ơn rất nhiều vì đã có tôi.
Strogatz: Tôi rất vui khi có cơ hội nói chuyện với bạn. Tôi rất thích đọc các bài giảng của bạn trên Internet và xem một số bài nói chuyện tuyệt vời của bạn trên YouTube. Vì vậy, đây là một điều trị tuyệt vời. Hãy bắt đầu với những điều cơ bản. Hôm nay chúng ta sẽ nói về các lĩnh vực. Hãy cho chúng tôi biết ai đã tạo ra chúng. Thường thì Michael Faraday nhận được tín dụng. Ý tưởng của anh ấy là gì? Và anh ấy đã khám phá ra điều gì?
Tống (02:37): Tất cả trở lại Michael Faraday. Faraday là một trong những nhà vật lý thực nghiệm vĩ đại của mọi thời đại, ông ấy rất giống một nhà vật lý thực nghiệm, không phải là một nhà lý thuyết. Ông rời trường học ở tuổi 14. Về cơ bản, ông không biết gì về toán học. Và thật tuyệt vời, ông đã xây dựng trực giác này cho cách hoạt động của vũ trụ. Điều đó có nghĩa là ông thực sự đã có một trong những đóng góp quan trọng nhất cho vật lý lý thuyết. Trong khoảng thời gian khoảng 25 năm, ông đã chơi với những ý tưởng về điện và từ tính. Anh ta đang lấy nam châm và quấn dây đồng xung quanh chúng. Ông đã làm một số việc khá quan trọng như khám phá ra cảm ứng điện từ và phát minh ra động cơ điện.
(03:19) Và sau khoảng 20 năm kể từ đó, anh ấy đã đưa ra đề xuất rất táo bạo rằng những bức ảnh mà anh ấy đã nung nấu trong đầu để giải thích cách mọi thứ đang hoạt động thực sự là mô tả chính xác về vũ trụ mà chúng ta đang sống.
(03:33) Để tôi cho bạn một ví dụ. Nếu bạn lấy một vài thanh nam châm và bạn đẩy chúng lại gần nhau để hai cực bắc tiến lại gần nhau - đó là một thí nghiệm mà tất cả chúng ta đã thực hiện. Và khi bạn đẩy các nam châm này lại với nhau, bạn cảm thấy lực xốp này đang đẩy chúng ra xa nhau. Faraday đã đưa ra một đề xuất rất táo bạo rằng thực sự có một thứ gì đó ở giữa các nam châm. Thật đáng kinh ngạc vì bạn nhìn vào nam châm, ở đó - nó chỉ là không khí mỏng, rõ ràng là không có gì ở đó. Nhưng Faraday nói rằng có cái gì đó ở đó, cái mà ngày nay chúng ta gọi là từ trường ở đó, ông ấy gọi nó là đường sức. Và rằng từ trường này cũng thật như chính các nam châm vậy.
(04:11) Vì vậy, đó là một cách suy nghĩ rất mới về vũ trụ mà chúng ta đang sống. Ông ấy gợi ý rằng không chỉ có các hạt trong vũ trụ, mà còn có một loại vật thể khác, một loại vật thể rất khác , một trường, tồn tại ở mọi nơi trong không gian cùng một lúc. Ông nói, bây giờ chúng ta sẽ nói theo ngôn ngữ hiện đại, rằng tại mỗi điểm trong vũ trụ, có hai vectơ, hai mũi tên. Và những vectơ này cho chúng ta biết hướng và độ lớn của điện trường và từ trường.
(04:43) Vì vậy, ông ấy đã để lại cho chúng ta bức tranh về vũ trụ trong đó có một sự phân đôi rằng có hai vật thể rất, rất khác nhau. Có các hạt, đang thiết lập điện trường và từ trường. Và sau đó, bản thân các điện trường và từ trường này đang vẫy gọi và phát triển và lần lượt cho các hạt chuyển động như thế nào. Vì vậy, có một loại vũ điệu phức tạp giữa những gì các hạt đang làm và những gì các lĩnh vực đang làm. Và thực sự, đóng góp lớn của anh ấy là nói rằng những lĩnh vực này là có thật, chúng thực sự thực sự từng chút một như các hạt.
Strogatz (05:12): Vậy khái niệm trường thay đổi như thế nào sau khi cơ học lượng tử được phát hiện?
Tống (05:18): Vào thời điểm cơ học lượng tử xuất hiện, bây giờ là năm 1925. Và chúng ta có một cái nhìn đặc biệt về thế giới. Vì vậy, chúng ta biết rằng có điện trường và từ trường. Và chúng ta biết rằng những gợn sóng của những trường điện từ này là những gì chúng ta gọi là ánh sáng. Nhưng ngoài ra, nhờ vào cuộc cách mạng lượng tử, chúng ta biết rằng bản thân ánh sáng được tạo ra từ các hạt, các photon.
(05:41) Và do đó, có một loại câu hỏi xuất hiện, đó là, bạn nên nghĩ như thế nào về mối quan hệ này giữa một mặt là các trường và mặt khác là các photon. Và tôi nghĩ rằng có hai khả năng hợp lý cho cách thức hoạt động của điều này, Có thể là bạn nên nghĩ về điện trường và từ trường bao gồm rất nhiều và rất nhiều photon, thay vì giống như một chất lỏng bao gồm rất nhiều và rất nhiều nguyên tử, và bạn nghĩ rằng các nguyên tử là đối tượng cơ bản. Hoặc cách khác, nó có thể là ngược lại, nó có thể là các lĩnh vực là điều cơ bản. Và các photon đến từ những gợn sóng nhỏ của các cánh đồng. Vì vậy, chúng là hai khả năng hợp lý.
(06:18) Và sự phát triển lớn bắt đầu vào năm 1927. Nhưng phải mất 20 hoặc 30 năm nữa mới được đánh giá đúng mức. Do đó, sự đánh giá cao đó là các trường thực sự là cơ bản, điện trường và từ trường là cơ sở của mọi thứ. Và những gợn sóng nhỏ của điện trường và từ trường biến thành những bó năng lượng nhỏ mà sau đó chúng ta gọi là photon do tác dụng của cơ học lượng tử.
(06:44) Và một bước tiến lớn tuyệt vời, một trong những bước thống nhất vĩ đại trong lịch sử vật lý, là hiểu rằng câu chuyện tương tự cũng xảy ra đối với tất cả các hạt khác. Rằng những thứ chúng ta gọi là electron và những thứ chúng ta gọi là quark không phải là những vật thể cơ bản. Thay vào đó, có một cái gì đó được gọi là trường điện tử lan rộng khắp vũ trụ, giống hệt như điện trường và từ trường. Và những hạt mà chúng ta gọi là electron là những gợn sóng nhỏ của trường electron này. Và điều này cũng đúng với bất kỳ hạt nào khác mà bạn quan tâm. Có một trường quark - trên thực tế, có sáu trường quark khác nhau trong toàn vũ trụ. Có các trường neutrino, có các trường cho gluon và W boson. Và bất cứ khi nào chúng ta phát hiện ra một hạt mới, hạt gần đây nhất là hạt boson Higgs, chúng ta biết rằng liên kết với nó là một trường làm nền tảng cho nó, và các hạt chỉ là những gợn sóng của trường.
Strogatz (07:33): Có cái tên cụ thể nào mà chúng ta nên liên tưởng đến cách nghĩ này không?
Tống (07:36): Có một người và anh ta là một, anh ta gần như bị xóa khỏi sử sách, bởi vì anh ta là một thành viên rất quan tâm của Đảng Quốc xã. Và anh ta là một thành viên của Đảng Quốc xã trước khi nó được gọi là thành viên của Đảng Quốc xã. Tên anh ấy là Pascal Jordan. Và ông là một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử. Anh ấy đã ở trên các giấy tờ gốc với Heisenberg và những người khác. Nhưng ông ấy thực sự là người đầu tiên đánh giá cao rằng nếu bạn bắt đầu với một lĩnh vực, và bạn áp dụng các quy tắc của cơ học lượng tử, bạn sẽ kết thúc với một hạt.
Strogatz (08:06): Được rồi, tốt, rất tốt. Bây giờ, bạn đã đề cập đến tất cả những điều khác nhau - trường electron, quark, W và Z boson và phần còn lại. Hãy cho chúng tôi biết một chút về Mô hình chuẩn mà chúng tôi đã nghe rất nhiều về.
Tống (08: 18): Mô hình tiêu chuẩn is lý thuyết tốt nhất hiện tại của chúng ta về vũ trụ chúng ta đang sống. Đó là một ví dụ về lý thuyết trường lượng tử. Về cơ bản nó là tất cả các hạt mà chúng tôi đã liệt kê. Mỗi người trong số họ có một trường liên quan đến nó. Và Mô hình Chuẩn là một công thức mô tả cách mỗi trường trong số đó tương tác với các trường khác. Các trường đang chơi là ba trường lực. Và tùy thuộc vào cách bạn đếm 12 trường quan trọng, theo cách mà tôi sẽ giải thích. Vì vậy, ba trường lực là điện và từ - thực sự là do Faraday, chúng tôi nhận ra rằng điện trường và từ trường là hai mặt của cùng một đồng xu, bạn không thể có mặt này mà không có mặt kia. Vì vậy, chúng tôi, chúng tôi đếm những người đó chỉ là một. Và sau đó có hai trường lực hạt nhân, một trường gọi là trường gluon liên kết với lực hạt nhân mạnh. Điều này giữ các hạt nhân lại với nhau bên trong nguyên tử, và các trường khác liên kết với lực hạt nhân yếu. Họ được gọi là W boson hoặc Z các trường boson. Vì vậy, chúng ta có ba trường lực.
[CHÈN VIDEO: Mô hình chuẩn: Lý thuyết khoa học thành công nhất từ trước đến nay]
(09:20) Và sau đó chúng ta có một loạt các trường vật chất, chúng được chia thành ba nhóm bốn. Những cái quen thuộc nhất là một trường electron, hai trường quark liên kết với quark lên và quark xuống. Proton chứa - ôi anh bạn, tôi hy vọng chúng ta hiểu đúng - hai hướng lên và xuống và nơtron chứa hai hướng xuống và hướng lên, tôi nghĩ, tôi đã làm đúng cách.
Strogatz (09:41): Bạn có thể đánh lừa tôi theo cách nào đó. Tôi không bao giờ có thể nhớ được.
Tống (09:43): Vâng, nhưng người nghe sẽ biết. Và sau đó là một trường neutrino. Vì vậy, có một tập hợp bốn hạt tương tác với ba lực. Và rồi vì một lý do mà chúng ta thực sự không hiểu, vũ trụ đã quyết định lặp lại các trường vật chất đó hai lần. Vì vậy, có một tập hợp thứ hai gồm bốn hạt được gọi là muon, hạt charm kỳ lạ và một hạt neutrino khác. Chúng ta sắp hết những cái tên hay cho neutrino, vì vậy chúng ta chỉ gọi nó là neutrino muon. Và sau đó, bạn nhận được một bộ sưu tập bốn: tau, quark trên cùng, quark dưới cùng và một lần nữa, một neutrino tau. Vì vậy, tự nhiên có cách này lặp lại chính nó. Và không ai thực sự biết tại sao. Tôi nghĩ đó vẫn là một trong những bí ẩn lớn. Nhưng tập hợp 12 hạt tương tác với ba lực đó bao gồm Mô hình Chuẩn.
(09:43) Ồ, và tôi đã bỏ lỡ một cái. Một trong những tôi đã bỏ lỡ là quan trọng. Đó là boson Higgs. Loại boson Higgs liên kết mọi thứ lại với nhau.
Strogatz (10:37): Được rồi, thật là trêu ngươi. Có lẽ chúng ta nên nói một chút boson Higgs làm gì, đóng vai trò gì trong Mô hình Chuẩn.
Tống (10:43): Nó làm một điều gì đó khá đặc biệt. Nó tạo ra một khối lượng cho tất cả các hạt khác. Tôi rất muốn có một phép loại suy tốt để giải thích cách nó tạo ra khối lượng. Tôi có thể đưa ra một phép loại suy xấu, nhưng nó thực sự là một phép loại suy xấu. Tương tự tệ hại là trường Higgs này trải rộng khắp không gian, đó là một phát biểu đúng. Và một sự tương tự tồi tệ là nó hoạt động giống như một vết bẩn hoặc mật đường. Các hạt phải cố gắng vượt qua trường này, trường Higgs này để đạt được bất kỳ tiến bộ nào. Và kiểu đó làm chúng chậm lại. Chúng sẽ di chuyển tự nhiên với tốc độ ánh sáng, và chúng bị chậm lại bởi sự hiện diện của trường Higgs này. Và đó là nguyên nhân gây ra hiện tượng mà chúng ta gọi là khối lượng.
(11:22) Phần lớn những gì tôi vừa nói về cơ bản là dối trá. Ý tôi là, nó gợi ý rằng có một số lực ma sát khi chơi. Và điều đó không đúng. Nhưng đó là một trong những điều mà các phương trình thực sự dễ dàng một cách đáng ngạc nhiên. Nhưng thật khó để đưa ra một phép loại suy thuyết phục để nắm bắt các phương trình đó.
Strogatz (11:36): Đó là một tuyên bố tuyệt vời mà bạn đã đưa ra, rằng nếu không có trường Higgs hoặc một số, tôi đoán, một số cơ chế tương tự, mọi thứ sẽ chuyển động với tốc độ ánh sáng. Tôi có nghe bạn nói đúng không?
Tống (11:47): Vâng, ngoại trừ, như mọi khi, những điều này là có, với một lời cảnh báo. “Nhưng” là nếu trường Higgs tắt, electron sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng. Vì vậy, bạn biết đấy, các nguyên tử sẽ không đặc biệt ổn định. Neutrino, dù sao gần như không có khối lượng, sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng. Nhưng hóa ra, proton hoặc neutron, về cơ bản sẽ có cùng khối lượng mà chúng có bây giờ. Bạn biết đấy, các hạt quark bên trong chúng sẽ không có khối lượng. Nhưng khối lượng của các quark bên trong proton hoặc neutron, hoàn toàn nhỏ so với proton hoặc neutron - 0.1%, đại loại như vậy. Vì vậy, proton hoặc neutron thực sự lấy khối lượng của chúng từ một phần của lý thuyết trường lượng tử mà chúng ta ít hiểu nhất, nhưng những dao động hoang dã của trường lượng tử, là những gì đang diễn ra bên trong proton hoặc neutron và tạo cho chúng khối lượng của chúng. Vì vậy, các hạt cơ bản sẽ trở nên không có khối lượng - quark, electron - nhưng những thứ chúng ta được tạo ra từ --neutron và proton - thì không. Họ nhận được khối lượng của họ từ cơ chế này khác.
Strogatz (12:42): Bạn chỉ toàn những điều thú vị. Hãy xem liệu tôi có thể nói những gì tôi đang nghĩ để đáp lại điều đó không. Và bạn có thể sửa cho tôi nếu tôi đã sai hoàn toàn. Vì vậy, tôi có những hạt quark tương tác mạnh bên trong, chẳng hạn như một proton. Và tôi luôn nghĩ rằng có một số E = mc2 kết nối đang diễn ra ở đây, rằng các tương tác mạnh mẽ được liên kết với một số lượng lớn năng lượng. Và điều đó bằng cách nào đó chuyển thành khối lượng. Đó là, hay là có các hạt ảo được tạo ra và sau đó biến mất? Và tất cả những thứ đó đang tạo ra năng lượng và do đó là khối lượng?
Tống (13:16): Đó là cả hai điều bạn vừa nói. Vì vậy, chúng tôi nói dối này khi chúng tôi học trung học - vật lý là tất cả về việc nói dối khi bạn còn trẻ và nhận ra rằng mọi thứ phức tạp hơn một chút khi bạn lớn lên. Lời nói dối mà chúng ta đã nói, và tôi đã nói trước đó, là có ba hạt quark bên trong mỗi proton và mỗi neutron. Và nó không đúng. Phát biểu đúng là có hàng trăm hạt quark và phản quark và gluon bên trong một proton. Và tuyên bố rằng thực sự có ba quark, cách nói thích hợp là tại bất kỳ thời điểm nào, có ba quark nhiều hơn số phản quark. Vì vậy, có một loại bổ sung ba. Nhưng đó là một vật thể cực kỳ phức tạp, proton. Nó, nó không có gì đẹp và sạch sẽ. Nó chứa hàng trăm, thậm chí có thể hàng nghìn hạt khác nhau tương tác theo một cách rất phức tạp. Bạn có thể nghĩ về các cặp quark-phản quark này, như bạn nói, là các hạt ảo, những thứ chỉ bật ra khỏi chân không và bật trở lại bên trong proton. Hay một cách nghĩ khác về nó chỉ là bản thân các trường bị kích thích theo một kiểu phức tạp nào đó bên trong proton hoặc neutron đập xung quanh và đó là thứ mang lại cho chúng khối lượng của chúng.
Strogatz (14:20): Trước đó, tôi đã ám chỉ rằng đây là một lý thuyết rất thành công và đã đề cập đến điều gì đó về 12 chữ số thập phân. bạn có thể nói với chúng tôi về nó không? Bởi vì đó là một trong những chiến thắng vĩ đại, tôi không chỉ nói lý thuyết trường lượng tử, hay thậm chí vật lý, mà là tất cả khoa học. Ý tôi là, nỗ lực của nhân loại để hiểu vũ trụ, đây có lẽ là điều tốt nhất mà chúng ta từng làm. Và từ quan điểm định lượng, chúng ta là một loài.
Tống (14:42): Tôi nghĩ điều đó hoàn toàn đúng. Đó là một loại phi thường. Tôi nên nói rằng có một số thứ chúng ta có thể tính toán rất tốt, khi chúng ta biết mình đang làm gì, chúng ta thực sự có thể làm được điều gì đó ngoạn mục.
Strogatz (14:42): Nó đủ để khiến bạn có một tâm trạng triết học, câu hỏi này về tính hiệu quả phi lý của toán học.
Tống (14:52): Vì vậy, một vật thể cụ thể hoặc một đại lượng cụ thể, đó chính là tấm áp phích cho lý thuyết trường lượng tử, bởi vì chúng ta có thể tính toán nó rất tốt mặc dù mất rất nhiều thập kỷ để thực hiện những phép tính này, chúng không hề dễ dàng. Nhưng cũng quan trọng, chúng tôi có thể đo lường nó bằng thực nghiệm rất tốt. Vì vậy, nó là một số được gọi là g-2, nó không đặc biệt quan trọng trong kế hoạch lớn của mọi thứ, nhưng con số là sau đây. Nếu bạn lấy một electron, thì nó có spin. Electron quay quanh một trục nào đó không khác với cách Trái đất quay quanh trục của nó. Nó còn nhiều lượng tử hơn thế, nhưng nó không phải là một phép loại suy tồi tệ.
(14:59) Và nếu bạn lấy electron, và đặt nó trong từ trường, hướng của spin đó sẽ xử lý theo thời gian, và con số này g-2 chỉ cho bạn biết nó xử lý nhanh như thế nào, -2 hơi kỳ lạ. Nhưng bạn sẽ ngây thơ nghĩ rằng con số này sẽ là 1. Và [Paul] Dirac đoạt giải Nobel một phần vì đã chỉ ra rằng con số này thực sự là xấp xỉ 2 đến xấp xỉ đầu tiên. Sau đó [Julian] Schwinger giành giải thưởng Nobel, cùng với [Richard] Feynman và [Sin-Itiro] Tomonaga, vì đã cho thấy rằng, bạn biết đấy, nó không phải là 2, mà là 2-point-something-something-something. Sau đó, theo thời gian, chúng tôi đã tạo ra một cái gì đó-cái-gì đó với chín cái gì đó khác sau đó. Như bạn đã nói, đó là điều mà bây giờ chúng ta biết rất rõ về mặt lý thuyết và thực nghiệm rất rõ. Và thật ngạc nhiên khi thấy những con số này, chữ số này đến chữ số khác, đồng ý với nhau. Đó là một cái gì đó khá đặc biệt.
(15:21) Đây là một trong những điều thúc đẩy bạn theo hướng đó là nó rất tốt. Thật tốt khi đây không phải là một mô hình cho thế giới, bằng cách nào đó, nó gần với thế giới thực hơn rất nhiều, phương trình này.
Strogatz (16:31): Vì vậy, đã ca ngợi lý thuyết trường lượng tử, và nó đáng được ca ngợi, chúng ta cũng nên công nhận rằng đó là một lý thuyết hoặc tập hợp lý thuyết có vấn đề, cực kỳ phức tạp và theo một cách nào đó. Và vì vậy trong phần thảo luận này, tôi tự hỏi liệu bạn có thể giúp chúng tôi hiểu chúng tôi nên đặt chỗ trước không? Hay biên cương ở đâu. Giống như, lý thuyết được cho là không đầy đủ. Điều gì là không đầy đủ về nó? Những bí ẩn lớn còn lại về lý thuyết trường lượng tử là gì?
Tống (17:01): Bạn biết đấy, nó thực sự phụ thuộc vào những gì bạn đăng ký. Nếu bạn là một nhà vật lý và bạn muốn tính toán con số này g-2, thì không có gì là không đầy đủ về lý thuyết trường lượng tử. Khi thử nghiệm trở nên tốt hơn, bạn biết đấy, chúng tôi sẽ tính toán hoặc chúng tôi làm tốt hơn. Bạn thực sự có thể làm tốt như bạn muốn. Có một số trục cho việc này. Vì vậy, hãy để tôi có thể tập trung vào một cái để bắt đầu.
(17:22) Vấn đề xảy ra khi chúng ta nói chuyện với những người bạn là nhà toán học thuần túy, bởi vì những người bạn là nhà toán học thuần túy của chúng ta là những người thông minh, và chúng ta nghĩ rằng chúng ta có lý thuyết toán học này. Nhưng họ không hiểu chúng ta đang nói về cái gì. Và đó không phải lỗi của họ, mà là của chúng tôi. Rằng toán học mà chúng ta đang giải quyết không phải là một thứ gì đó trên một nền tảng nghiêm ngặt. Đó là thứ mà chúng ta đang chơi nhanh và lỏng lẻo với nhiều ý tưởng toán học khác nhau. Và chúng tôi khá chắc chắn rằng chúng tôi biết những gì chúng tôi đang làm như thỏa thuận này với các thử nghiệm cho thấy. Nhưng nó chắc chắn không ở mức độ nghiêm ngặt mà chắc chắn các nhà toán học sẽ cảm thấy thoải mái. Và tôi càng ngày càng nghĩ rằng các nhà vật lý học chúng ta cũng ngày càng khó chịu.
(17:22) Tôi nên nói rằng đây không phải là một điều mới. Luôn luôn là trường hợp bất cứ khi nào có ý tưởng mới, công cụ toán học mới, thường các nhà vật lý học lấy những ý tưởng này và chạy theo chúng vì chúng có thể giải quyết được mọi thứ. Và các nhà toán học luôn luôn như vậy - họ thích từ “nghiêm ngặt”, có lẽ từ “pedantry” thì đúng hơn. Nhưng bây giờ, họ đang đi chậm hơn chúng ta. Họ chấm chữ i và gạch ngang chữ T. Và bằng cách nào đó, với lý thuyết trường lượng tử, tôi cảm thấy rằng, bạn biết đấy, đã quá lâu, có rất ít tiến bộ mà có lẽ chúng ta đang nghĩ về nó không chính xác. Vì vậy, đó là một sự lo lắng là nó không thể được thực hiện một cách chặt chẽ về mặt toán học. Và nó không phải thông qua muốn thử.
Strogatz (18:33): Chà, chúng ta hãy cố gắng hiểu được điểm mấu chốt của khó khăn. Hoặc có thể có nhiều người trong số họ. Nhưng bạn đã nói trước đó về Michael Faraday. Và tại mỗi điểm trong không gian, chúng ta có một vectơ, một đại lượng mà chúng ta có thể coi như một mũi tên, nó có hướng và độ lớn, hoặc nếu chúng ta thích, chúng ta có thể coi nó là ba số có thể giống như x, y và thành phần z của mỗi vectơ. Nhưng trong lý thuyết trường lượng tử, các đối tượng được xác định tại mỗi điểm, tôi cho là phức tạp hơn các vectơ hoặc số.
Tống (18:33): Đúng vậy. Vì vậy, cách nói toán học này là tại mỗi điểm, có một toán tử - một số, nếu bạn thích, ma trận vô hạn chiều đặt tại mỗi điểm trong không gian và hoạt động trên một số không gian Hilbert, bản thân nó rất phức tạp và rất khó xác định. Vì vậy, toán học là phức tạp. Và phần lớn, chính vì vấn đề này mà thế giới là một thể liên tục, chúng tôi nghĩ rằng không gian và thời gian, cụ thể là không gian, là liên tục. Và vì vậy bạn phải xác định thực sự một cái gì đó tại mỗi điểm. Và bên cạnh một điểm, thực sự gần với điểm đó là một điểm khác với một toán tử khác. Vì vậy, có một vô cực xuất hiện khi bạn nhìn trên các thang khoảng cách nhỏ hơn và nhỏ hơn, không phải là vô cực hướng ra ngoài, mà là vô cực hướng vào trong.
(19:44) Điều này gợi ý một cách để vượt qua nó. Một cách để vượt qua nó chỉ là giả vờ cho những mục đích này, không gian đó không liên tục. Trên thực tế, nó có thể là không gian không liên tục. Vì vậy, bạn có thể tưởng tượng suy nghĩ về việc có một mạng tinh thể, cái mà các nhà toán học gọi là một mạng tinh thể. Vì vậy, thay vì có một không gian liên tục, bạn nghĩ về một điểm, và sau đó là một khoảng cách hữu hạn nào đó từ nó, một điểm khác. Và một số khoảng cách hữu hạn từ đó, một điểm khác. Vì vậy, bạn tùy biến không gian, nói cách khác, và sau đó bạn nghĩ về cái mà chúng ta gọi là bậc tự do, những thứ chuyển động như chỉ sống trên những điểm mạng này chứ không phải sống trong một chuỗi liên tục nào đó. Đó là điều mà các nhà toán học có khả năng xử lý tốt hơn nhiều.
(19:44) Nhưng có một vấn đề nếu chúng ta cố gắng làm điều đó. Và tôi nghĩ đó là một trong những vấn đề sâu sắc nhất trong vật lý lý thuyết. Đó là một số lý thuyết trường lượng tử, đơn giản là chúng ta không thể tùy tiện theo cách đó. Có một định lý toán học cấm bạn viết ra một phiên bản rời rạc của một số lý thuyết trường lượng tử nhất định.
Strogatz (20:41): Ôi, cái lông mày của tôi nhướn lên.
Tống (20:43): Định lý được gọi là định lý Nielsen-Ninomiya. Trong số các loại lý thuyết trường lượng tử mà bạn không thể tùy nghi là lý thuyết mô tả vũ trụ của chúng ta, Mô hình Chuẩn.
Strogatz (20:52): Không đùa! Ồ.
Tống (20:54): Bạn biết đấy, nếu bạn coi định lý này theo mệnh giá, nó cho chúng ta biết rằng chúng ta không sống trong Ma trận. Cách bạn mô phỏng bất cứ thứ gì trên máy tính là đầu tiên tùy chỉnh nó và sau đó mô phỏng. Tuy nhiên, có một trở ngại cơ bản dường như không tuân theo các định luật vật lý như chúng ta biết. Vì vậy, chúng ta không thể mô phỏng các định luật vật lý, nhưng điều đó có nghĩa là không ai khác có thể làm được. Vì vậy, nếu bạn thực sự mua định lý này, thì chúng ta không sống trong Ma trận.
Strogatz (21:18): Tôi thực sự thích thú, David. Thật là thú vị. Tôi chưa bao giờ có cơ hội nghiên cứu lý thuyết trường lượng tử. Tôi đã học được cơ học lượng tử từ Jim Peebles ở Princeton. Và điều đó thật tuyệt vời. Và tôi đã rất thích điều đó, nhưng không bao giờ tiếp tục. Vì vậy, lý thuyết trường lượng tử, tôi chỉ ở vị trí của nhiều thính giả của chúng tôi ở đây, chỉ đang nhìn vào tất cả những điều kỳ diệu mà bạn đang mô tả,
Tống (21:41): Tôi có thể cho bạn biết thêm một chút về khía cạnh chính xác của Mô hình chuẩn khiến việc mô phỏng trên máy tính khó hoặc không thể thực hiện được. Có một khẩu hiệu hay, tôi có thể thêm vào như một khẩu hiệu của Hollywood. Khẩu hiệu là, "Những điều có thể xảy ra trong gương mà không thể xảy ra trong thế giới của chúng ta." Trong những năm 1950, Chiến-Shiung Wu đã phát hiện ra cái mà chúng tôi gọi là vi phạm chẵn lẻ. Đây là câu nói rằng khi bạn nhìn vào một thứ gì đó đang xảy ra trước mặt bạn, hoặc bạn nhìn vào hình ảnh của nó trong gương, bạn có thể nhận ra sự khác biệt, bạn có thể biết nó đang xảy ra trong thế giới thực hay đang xảy ra trong gương. Đó là khía cạnh của các quy luật vật lý, rằng những gì xảy ra phản chiếu trong gương khác với những gì xảy ra trong thực tế, hóa ra là có vấn đề. Đó là khía cạnh khó hoặc không thể mô phỏng, theo lý thuyết này.
Strogatz (22:28): Thật khó để hiểu tại sao ý tôi là, bởi vì bản thân mạng tinh thể sẽ không gặp bất kỳ vấn đề gì khi đối phó với tính chẵn lẻ. Nhưng dù sao đi nữa, tôi chắc chắn rằng đó là một định lý tinh tế.
Tống (22:36): Tôi có thể thử cho bạn biết một chút về lý do tại sao mọi hạt trong thế giới của chúng ta - electron, quark. Chúng tách thành hai hạt khác nhau. Họ được gọi là người thuận tay trái và tay phải. Và về cơ bản nó liên quan đến việc vòng quay của chúng thay đổi như thế nào khi chúng di chuyển. Các định luật vật lý là sao cho các hạt thuận tay trái cảm thấy một lực khác với các hạt thuận tay phải. Đây là những gì dẫn đến sự vi phạm chẵn lẻ này.
(22:59) Bây giờ, thật khó để viết ra các lý thuyết toán học nhất quán và có tính chất này mà các hạt thuận tay trái và các hạt thuận tay phải chịu các lực khác nhau. Có những sơ hở mà bạn phải vượt qua. Nó được gọi là dị thường, hoặc hủy bỏ dị thường trong lý thuyết trường lượng tử. Và những sự tinh tế này, những kẽ hở này chúng đến từ, ít nhất là trong một số cách tính toán thực tế là không gian là liên tục, bạn chỉ thấy những kẽ hở này khi không gian, hoặc những yêu cầu này khi không gian là liên tục. Vì vậy, mạng tinh thể không biết gì về điều này. Mạng tinh thể không biết gì về những dị thường lạ mắt này.
(23:36) Nhưng bạn không thể viết ra một lý thuyết không nhất quán về mạng tinh thể. Vì vậy, bằng cách nào đó, mạng tinh thể phải bao phủ cái mông của nó, nó phải đảm bảo rằng bất cứ điều gì nó cung cấp cho bạn là một lý thuyết nhất quán. Và cách nó làm được điều đó chỉ là không cho phép các lý thuyết trong đó các hạt thuận tay trái và tay phải cảm nhận các lực khác nhau.
Strogatz (23:50): Được rồi, tôi nghĩ tôi hiểu được hương vị của nó. Đó là một thứ gì đó giống như cấu trúc liên kết cho phép một số hiện tượng, những dị thường này được yêu cầu để xem những gì chúng ta thấy trong trường hợp lực yếu, mà một không gian rời rạc sẽ không cho phép. Đó là điều gì đó về sự liên tục là chìa khóa.
Tống (24:06): Thực ra bạn đã nói điều đó tốt hơn tôi. Tất cả đều liên quan đến cấu trúc liên kết. Điều đó hoàn toàn đúng. Ừ.
Strogatz (24:11): Được rồi. Tốt. Đó thực sự là một phân tích rất tốt đối với chúng tôi, vào nơi mà tôi hy vọng chúng ta có thể đi tiếp, đó là nói về những gì lý thuyết trường lượng tử đã làm được cho toán học, bởi vì đó là một trong những câu chuyện thành công lớn. Mặc dù, bạn biết đấy, đối với các nhà vật lý quan tâm đến vũ trụ, đó có thể không phải là mối quan tâm chính, nhưng đối với những người trong ngành toán học, chúng tôi rất biết ơn và cũng cảm thấy hoang mang trước những đóng góp to lớn đã được tạo ra bằng cách nghĩ về các đối tượng toán học thuần túy. , như thể họ đang thông báo cho họ những hiểu biết sâu sắc từ lý thuyết trường lượng tử. Bạn có thể kể cho chúng tôi nghe một chút về câu chuyện bắt đầu từ những năm 1990 không?
Tống (24:48): Vâng, đây thực sự là một trong những điều tuyệt vời đến từ lý thuyết trường lượng tử. Và không có sự mỉa mai nhỏ nào ở đây. Bạn biết đấy, điều trớ trêu là chúng ta đang sử dụng những kỹ thuật toán học này mà các nhà toán học cực kỳ nghi ngờ vì họ không nghĩ rằng chúng không nghiêm ngặt. Và đồng thời, chúng ta bằng cách nào đó có thể đi trước các nhà toán học và gần như đánh bại họ trong trò chơi của riêng họ trong một số trường hợp nhất định, nơi chúng ta có thể quay lại và giao cho họ kết quả mà họ quan tâm, trong lĩnh vực riêng của họ đặc biệt, và kết quả mà trong một số trường hợp đã làm thay đổi hoàn toàn một số lĩnh vực toán học.
(25:22) Vì vậy, tôi có thể cố gắng cung cấp cho bạn một số cảm nhận về cách thức hoạt động của điều này. Loại toán học mà điều này hữu ích nhất là các ý tưởng liên quan đến hình học. Nó không phải là duy nhất. Nhưng, tôi nghĩ đó là thứ mà chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ nhất trong suy nghĩ với tư cách là nhà vật lý. Và tất nhiên, hình học luôn gần gũi với trái tim của các nhà vật lý. Thuyết tương đối rộng của Einstein thực sự nói với chúng ta rằng không gian và thời gian tự chúng là một đối tượng hình học nào đó. Vì vậy, những gì chúng tôi làm là chúng tôi lấy cái mà các nhà toán học gọi là một đa tạp, đó là một số không gian hình học. Trong tâm trí của bạn, trước tiên, bạn có thể nghĩ về bề mặt của một quả bóng đá. Và sau đó có thể nếu bề mặt của một chiếc bánh rán, nơi có một lỗ ở giữa. Và sau đó khái quát lên bề mặt của bánh quy, nơi có một vài lỗ ở giữa. Và sau đó, bước quan trọng là thực hiện tất cả những điều đó và đẩy nó lên một số chiều cao hơn và nghĩ về một số vật thể có chiều cao hơn với các lỗ có chiều cao hơn được bao bọc xung quanh, v.v.
(26:13) Và các loại câu hỏi mà các nhà toán học yêu cầu chúng ta phân loại các vật thể như thế này, để hỏi điều gì đặc biệt về các vật thể khác nhau, loại lỗ nào chúng có thể có, cấu trúc chúng có thể có trên chúng, v.v. Và với tư cách là các nhà vật lý, chúng ta có thêm một số trực giác.
(26:28) Nhưng ngoài ra, chúng ta có vũ khí bí mật này là lý thuyết trường lượng tử. Chúng tôi có hai vũ khí bí mật. Chúng ta có lý thuyết trường lượng tử; chúng ta cố ý coi thường sự nghiêm khắc. Hai cái đó kết hợp với nhau khá, khá đẹp. Và vì vậy chúng ta sẽ hỏi những câu hỏi như, lấy một trong những không gian này, và đặt một hạt lên đó, và hỏi làm thế nào để hạt đó phản ứng với không gian? Bây giờ với các hạt hoặc các hạt lượng tử, một điều khá thú vị sẽ xảy ra bởi vì nó có một làn sóng xác suất lan truyền trong không gian. Và vì bản chất lượng tử này, nó có tùy chọn để biết về bản chất toàn cầu của không gian. Nó có thể cảm nhận được tất cả không gian cùng một lúc và tìm ra đâu là lỗ, đâu là thung lũng và đâu là đỉnh. Và vì vậy các hạt lượng tử của chúng ta có thể làm những việc như mắc kẹt trong một số lỗ nhất định. Và theo cách đó, hãy cho chúng tôi biết điều gì đó về cấu trúc liên kết của các không gian.
(27:18) Vì vậy, đã có một số thành công rất lớn trong việc áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho một trong những lý thuyết lớn nhất là vào đầu những năm 1990, một thứ gọi là đối xứng gương, đã cách mạng hóa một lĩnh vực được gọi là hình học tổng hợp. Một lát sau [Nathan] Seiberg và [Edward] Witten đã giải quyết một lý thuyết trường lượng tử bốn chiều cụ thể và điều đó mang lại những hiểu biết mới về cấu trúc liên kết của không gian bốn chiều. Đó thực sự là một chương trình hiệu quả tuyệt vời, nơi mà những gì đã xảy ra trong vài thập kỷ nay là các nhà vật lý sẽ đưa ra những ý tưởng mới từ lý thuyết trường lượng tử, nhưng hoàn toàn không thể chứng minh chúng một cách điển hình, vì sự thiếu chặt chẽ này. Và sau đó, các nhà toán học sẽ đến cùng, nhưng không chỉ nhìn chằm chằm và lướt qua chữ T, họ thường lấy các ý tưởng và chứng minh chúng theo cách riêng của họ, và đưa ra các ý tưởng mới.
(28:02) Và những ý tưởng mới đó sau đó được đưa trở lại vào lý thuyết trường lượng tử. Và do đó, đã có sự phát triển hài hòa thực sự tuyệt vời giữa toán học và vật lý. Hóa ra là chúng ta thường hỏi những câu hỏi giống nhau, nhưng sử dụng các công cụ rất khác nhau và bằng cách nói chuyện với nhau, chúng ta đã tiến bộ hơn nhiều so với những gì chúng ta đã làm.
Strogatz (28:18): Tôi nghĩ bức tranh trực quan mà bạn đưa ra rất hữu ích trong việc bằng cách nào đó nghĩ về khái niệm trường lượng tử như một thứ được phân định vị trí. Bạn biết đấy, thay vì một hạt mà chúng ta nghĩ là giống điểm, bạn có vật thể này trải rộng trên toàn bộ không gian và thời gian, nếu có thời gian trong lý thuyết, hoặc nếu chúng ta chỉ đang làm hình học, tôi đoán chúng ta ' lại chỉ nghĩ về nó như lan rộng ra toàn bộ không gian. Các trường lượng tử này rất phù hợp để phát hiện các tính năng toàn cầu, như bạn đã nói.
(28:47) Và đó không phải là cách suy nghĩ tiêu chuẩn trong toán học. Chúng ta thường nghĩ về một điểm và vùng lân cận của một điểm, vùng lân cận nhỏ của một điểm. Đó là bạn của chúng tôi. Chúng ta giống như những sinh vật huyền bí nhất là các nhà toán học, trong khi các nhà vật lý đã quá quen với việc nghĩ về những đối tượng cảm biến toàn cầu tự động này, những trường này, như bạn nói, có thể phát hiện ra các đường viền, thung lũng, đỉnh núi, bề mặt của các đối tượng toàn cục.
Tống (29:14): Đúng vậy, chính xác là như vậy. Và một phần của phản hồi về vật lý là rất quan trọng. Vì vậy, đánh giá cao cấu trúc liên kết thực sự là nền tảng cho rất nhiều cách suy nghĩ của chúng ta trong lý thuyết trường lượng tử mà chúng ta nên suy nghĩ toàn cục trong lý thuyết trường lượng tử cũng như trong hình học. Và, bạn biết đấy, có những chương trình, ví dụ, để xây dựng máy tính lượng tử và một trong những chương trình tốt nhất, có lẽ đó là một trong những cách lạc quan hơn để xây dựng máy tính lượng tử.
(29:34) Nhưng nếu nó có thể hoạt động được, một trong những cách mạnh mẽ nhất để xây dựng một máy tính lượng tử là sử dụng các ý tưởng tôpô của lý thuyết trường lượng tử, nơi thông tin không được lưu trữ tại một điểm cục bộ mà nó được lưu trữ trên toàn cầu. một không gian. Lợi ích là nếu bạn di chuyển nó vào một nơi nào đó tại một thời điểm, bạn sẽ không phá hủy thông tin vì nó không được lưu trữ tại một thời điểm. Nó được lưu trữ ở mọi nơi cùng một lúc. Vì vậy, như tôi đã nói, thực sự có sự tương tác tuyệt vời này giữa toán học và vật lý mà Nó đang diễn ra khi chúng ta nói.
Strogatz (30:01): Chà, chúng ta hãy chuyển bánh răng lần cuối cùng từ toán học sang vật lý một lần nữa, và thậm chí có thể là một chút vũ trụ học. Vì vậy, liên quan đến câu chuyện thành công của lý thuyết vật lý, nhiều hơn về nhóm lý thuyết mà chúng tôi gọi là lý thuyết trường lượng tử, chúng tôi đã có những thí nghiệm này khá gần đây tại CERN. Đây, đó là nơi đặt Máy va chạm Hadron Lớn, đúng không?
Tống (30:01): Đúng vậy. Nó ở Geneva.
Strogatz (30:04): Được rồi. Bạn đã đề cập về việc phát hiện ra hạt Higgs từ lâu đã tiên đoán một điều gì đó giống như 50, 60 năm trước, nhưng tôi hiểu rằng các nhà vật lý đã - à, đâu là từ thích hợp? Thất vọng, kinh hãi, phân vân. Rằng một số điều mà họ hy vọng sẽ thấy trong các thí nghiệm tại Máy va chạm Hadron Lớn đã không thành hiện thực. Siêu đối xứng, nói rằng, là một. Hãy kể cho chúng tôi nghe một chút về câu chuyện đó. Chúng ta hy vọng có thể thấy nhiều hơn từ những thí nghiệm đó ở đâu? Chúng ta nên cảm thấy thế nào khi không nhìn thấy nhiều hơn?
Tống (30:53): Chúng tôi hy vọng sẽ thấy nhiều hơn thế. Mặc dù vậy, tôi không biết chúng ta nên cảm thấy thế nào, điều mà chúng ta chưa thấy. Tôi có thể, tôi có thể kể cho bạn nghe câu chuyện.
Tống (31:00): Vậy là LHC đã được xây dựng. Và nó được xây dựng với kỳ vọng rằng nó sẽ phát hiện ra boson Higgs, điều mà nó đã làm được. Hạt Higgs là phần cuối cùng của Mô hình Chuẩn. Và có nhiều lý do để nghĩ rằng một khi chúng ta hoàn thành Mô hình Chuẩn, hạt Higgs cũng sẽ là cánh cổng dẫn chúng ta đến những gì xảy ra tiếp theo, lớp thực tế tiếp theo mà những gì đến sau đó. Và có những lập luận mà bạn có thể đưa ra, rằng khi bạn phát hiện ra hạt Higgs, bạn nên khám phá ra xung quanh trong cùng một vùng lân cận, cùng thang năng lượng với hạt Higgs, một số hạt khác bằng cách nào đó ổn định boson Higgs. Hạt Higgs là đặc biệt. Nó là hạt duy nhất trong Mô hình Chuẩn không quay. Tất cả các hạt khác, electron quay, photon quay, đó là cái mà chúng ta gọi là sự phân cực. Hạt boson Higgs là hạt duy nhất không quay. Theo một nghĩa nào đó, nó là hạt đơn giản nhất trong Mô hình Chuẩn.
(31:00) Nhưng có những lập luận lý thuyết nói rằng một hạt không quay nên có khối lượng rất nặng. Rất nặng có nghĩa là được đẩy lên mức năng lượng cao nhất có thể. Những lập luận này là những lập luận tốt. Chúng ta có thể sử dụng lý thuyết trường lượng tử trong nhiều tình huống khác, trong các vật liệu được mô tả bởi lý thuyết trường lượng tử. Luôn luôn đúng rằng nếu một hạt không quay, nó được gọi là hạt vô hướng. Và nó có khối lượng nhẹ. Có một lý do tại sao nó nhẹ.
(32:25) Và vì vậy chúng tôi mong đợi có một lý do tại sao hạt Higgs có khối lượng như nó. Và chúng tôi nghĩ rằng lý do sẽ đi kèm với một số hạt phụ sẽ xuất hiện khi hạt Higgs xuất hiện. Và có thể nó là siêu đối xứng và có thể nó là thứ được gọi là technicolor. Và có rất nhiều giả thuyết được đưa ra. Và chúng tôi phát hiện ra hạt Higgs và LHC - tôi nghĩ điều này rất quan trọng cần bổ sung - đã vượt quá mọi mong đợi khi nói đến hoạt động của máy và các thí nghiệm cũng như độ nhạy của máy dò. Và những người này là những anh hùng tuyệt đối đang làm thí nghiệm.
(32:56) Và câu trả lời là không có gì khác ở thang năng lượng mà chúng ta đang khám phá. Và đó là một câu đố. Đó là một câu đố đối với tôi. Và đó là một câu đố cho nhiều người khác. Rõ ràng là chúng tôi đã sai; rõ ràng chúng tôi đã sai khi kỳ vọng rằng chúng tôi sẽ khám phá ra điều gì đó mới. Nhưng chúng tôi không biết tại sao chúng tôi sai. Bạn biết đấy, chúng tôi không biết điều gì sai với những lập luận đó. Họ vẫn thấy đúng, họ vẫn thấy đúng với tôi. Vì vậy, có điều gì đó mà chúng ta đang thiếu về lý thuyết trường lượng tử, điều này thật thú vị. Và bạn biết đấy, thật tốt nếu bạn sai trong lĩnh vực khoa học này, bởi vì chỉ khi bạn sai, cuối cùng bạn mới có thể được đẩy đi đúng hướng. Nhưng công bằng mà nói thì hiện tại chúng tôi không chắc tại sao chúng tôi lại sai.
Strogatz (33:32): Đó là một thái độ tốt để có, đúng vậy, có rất nhiều tiến bộ đã được thực hiện từ những nghịch lý này, từ những gì cảm thấy như thất vọng vào thời điểm đó. Nhưng để sống qua nó và sống trong một thế hệ - ý tôi là, tôi không muốn nói rằng bạn có thể bị cuốn trôi vào thời điểm điều này được hình dung, nhưng đó là một viễn cảnh đáng sợ.
Tống (33:50): Rửa sạch sẽ ổn. Nhưng tôi muốn được sống.
Strogatz (33:56): Vâng, tôi cảm thấy rất tệ khi nói điều đó.
Đi từ cái nhỏ đến cái lớn, tại sao chúng ta không nghĩ về một số vấn đề vũ trụ. Bởi vì một số bí ẩn lớn khác, những thứ như vật chất tối, năng lượng tối, vũ trụ sơ khai. Vì vậy, bạn nghiên cứu là một trong những lĩnh vực mà bạn rất quan tâm, thời điểm ngay sau Vụ nổ lớn, khi chúng ta chưa thực sự có các hạt. Chúng ta vừa có, cái gì, trường lượng tử?
Tống (34:22): Có một thời gian sau vụ nổ Big Bang được gọi là lạm phát. Vì vậy, đó là thời điểm mà vũ trụ giãn nở rất nhanh. Và đã có các trường lượng tử trong vũ trụ khi điều này đang xảy ra. Và điều tôi nghĩ thực sự là một trong những câu chuyện đáng kinh ngạc nhất trong tất cả các ngành khoa học là những trường lượng tử này có sự dao động. Chúng luôn nảy lên và xuống, chỉ vì những chập chờn lượng tử, bạn biết đấy. Cũng giống như nguyên lý bất định Heisenberg nói rằng một hạt không thể, không thể ở một nơi cụ thể bởi vì nó sẽ có động lượng vô hạn, vì vậy bạn biết đấy, luôn có một số bất định ở đó. Điều đó cũng đúng cho các trường này. Các trường lượng tử này không thể chính xác bằng XNUMX hoặc chính xác là một giá trị nào đó. Chúng luôn lộn xộn lên xuống thông qua sự không chắc chắn lượng tử.
(35:02) Và những gì đã xảy ra trong vài giây đầu tiên này - vài giây là quá lâu. 10 đầu tiên-30 giây, giả sử vụ nổ Big Bang là vũ trụ giãn nở rất nhanh. Và những trường lượng tử này đã bị cuốn vào hành động, rằng chúng đang dao động, nhưng sau đó vũ trụ kéo chúng ra xa nhau thành những quy mô rộng lớn. Và những biến động đó đã mắc kẹt ở đó. Về cơ bản, chúng không thể dao động được nữa, vì lý do quan hệ nhân quả, bởi vì bây giờ chúng đã lan rộng đến mức, bạn biết đấy, một phần của sự biến động không biết phần kia đang làm gì. Vì vậy, những biến động này được trải dài trên toàn vũ trụ, ngược lại trong ngày.
(35:43) Và một câu chuyện tuyệt vời là chúng ta có thể nhìn thấy chúng, chúng ta có thể nhìn thấy chúng ngay bây giờ. Và chúng tôi đã chụp một bức ảnh của họ. Vì vậy, bức ảnh có một cái tên khủng khiếp. Nó được gọi là bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Bạn biết bức ảnh này, đó là những gợn sóng màu xanh và đỏ. Nhưng đó là một bức ảnh chụp quả cầu lửa lấp đầy vũ trụ cách đây 13.8 tỷ năm, và có những gợn sóng trong đó. Và những gợn sóng mà chúng ta có thể thấy được tạo mầm bởi những dao động lượng tử này trong vài phần giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Và chúng tôi có thể thực hiện phép tính, bạn có thể tính toán các dao động lượng tử trông như thế nào. Và bạn có thể đo thực nghiệm các biến động trong CMB. Và họ chỉ đồng ý. Vì vậy, đó là một câu chuyện đáng kinh ngạc mà chúng ta có thể chụp lại những biến động này.
(36:30) Nhưng cũng có một mức độ thất vọng ở đây. Những biến động mà chúng ta thấy khá giống nhau, chúng chỉ là những biến động mà bạn có thể nhận được từ các cánh đồng tự do. Và sẽ thật tuyệt nếu chúng ta có thể có thêm thông tin, nếu chúng ta có thể thấy - tên thống kê là các dao động là Gaussian. Và sẽ thật tuyệt khi thấy một số phi Gaussianity, sẽ cho chúng ta biết về sự tương tác giữa các trường trong vũ trụ rất, rất sơ khai. Và một lần nữa, vệ tinh Planck đã, đã bay và nó đã chụp được ảnh chụp nhanh của CMB với chi tiết rõ ràng hơn bao giờ hết, và những người không thuộc Gaussianities ở đó, nếu có ở đó, chỉ nhỏ hơn, hơn Planck vệ tinh có thể phát hiện.
(36:52) Vì vậy, có hy vọng cho tương lai rằng có các thí nghiệm CMB khác, cũng có hy vọng rằng những người phi Gaussianie này có thể hiển thị theo cách mà các thiên hà hình thành, sự phân bố thống kê của các thiên hà trong vũ trụ cũng lưu giữ một ký ức về những những biến động mà chúng ta biết là đúng, nhưng có lẽ chúng ta có thể nhận được nhiều thông tin hơn từ đó. Vì vậy, thật không thể tin được rằng bạn có thể theo dõi những biến động này trong 14 tỷ năm, từ những giai đoạn đầu tiên cho đến cách các thiên hà phân bố trong vũ trụ bây giờ,
Strogatz (37:36): Chà, điều đó cho tôi nhiều hiểu biết mà trước đây tôi chưa có về dấu ấn của những dao động lượng tử này trên nền vi sóng vũ trụ. Tôi luôn tự hỏi. Bạn đã đề cập rằng đó là lý thuyết miễn phí, nghĩa là - cái gì, hãy cho chúng tôi biết chính xác “miễn phí” nghĩa là gì? Không có gì đúng không? Ý tôi là, nó chỉ là, chính nó là chân không?
Tống (37:45): Đó không chỉ là chân không, bởi vì những trường này bị kích thích khi vũ trụ giãn nở. Nhưng nó chỉ là một trường không tương tác với bất kỳ trường nào khác hoặc thậm chí với chính nó, về cơ bản nó chỉ nảy lên và xuống như một bộ dao động điều hòa. Mỗi điểm được nảy lên và xuống như một lò xo. Vì vậy, đó là một lĩnh vực nhàm chán nhất mà bạn có thể tưởng tượng.
Strogatz (38:11): Và điều đó có nghĩa là chúng ta không cần phải giả định bất kỳ trường lượng tử cụ thể nào vào thời kỳ đầu của vũ trụ. Chỉ là, đó là những gì bạn nói, vani.
Tống (38:19): Là vani. Vì vậy, sẽ rất tốt nếu bạn xử lý tốt hơn những tương tác này đang diễn ra, hoặc những tương tác này đang xảy ra, hoặc trường có thuộc tính cụ thể này. Và điều đó dường như không - có thể trong tương lai, nhưng hiện tại, chúng tôi vẫn chưa có.
Strogatz (38:32): Vì vậy, có lẽ sau đó chúng tôi nên kết thúc với hy vọng cá nhân của bạn. Có một vấn đề nào đó, nếu bạn phải tìm ra một thứ mà bạn muốn được giải quyết một cách cá nhân, trong vài năm tới, hoặc cho tương lai của nghiên cứu trong lý thuyết trường lượng tử, điều gì sẽ là yêu thích của bạn? Nếu bạn có thể mơ ước.
Tống (38:48): Có rất nhiều -
Strogatz: Bạn có thể chọn thêm.
Tống: Có những thứ ở khía cạnh toán học. Vì vậy, tôi rất muốn hiểu, về khía cạnh toán học, nhiều hơn về định lý Nielsen-Ninomiya này, thực tế là bạn không thể phân biệt các lý thuyết trường lượng tử nhất định. Và có sơ hở trong định lý không? Có những giả định nào chúng ta có thể đặt ra và bằng cách nào đó thành công trong việc thực hiện nó?
(39:07) Bạn biết đấy, các định lý trong vật lý, chúng thường được gọi là các định lý "không đi". Bạn không thể làm điều này. Nhưng chúng thường là biển chỉ dẫn về nơi bạn nên tìm, bởi vì một định lý toán học, rõ ràng là đúng, nhưng do đó, nó đi kèm với những giả định rất nghiêm ngặt. Và vì vậy có thể bạn có thể loại bỏ giả định này hoặc giả định kia và và đạt được tiến bộ về điều đó. Vì vậy, đó là về khía cạnh toán học, tôi rất muốn thấy sự tiến bộ về điều đó.
(39:28) Về mặt thực nghiệm, bất kỳ điều gì chúng ta đã nói đến - một số hạt mới, gợi ý mới về những gì nằm bên ngoài. Và chúng tôi đang nhìn thấy các gợi ý khá thường xuyên. Gần đây nhất là khối lượng của W boson ở phía bên bạn của Đại Tây Dương khác với khối lượng của W boson bên bờ Đại Tây Dương của tôi và điều đó, điều đó có vẻ kỳ lạ. Gợi ý về vật chất tối, hoặc vật chất tối. Bất kể nó là gì, đều được tạo ra từ các trường lượng tử. Không có nghi ngờ gì về điều đó.
(39:53) Và năng lượng tối mà bạn ám chỉ rằng có những tiên đoán là một từ quá mạnh nhưng có những gợi ý từ lý thuyết trường lượng tử. ở tất cả những dao động đó của trường lượng tử nên thúc đẩy sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng theo một cách nào đó thì đó là cách, lớn hơn những gì chúng ta đang thấy.
(40:07) Vì vậy, câu đố tương tự ở đó với hạt Higgs. Tại sao hạt Higgs lại nhẹ như vậy? Nó cũng ở đó với năng lượng tối. Tại sao gia tốc vũ trụ lại quá nhỏ so với những gì chúng ta nghĩ. Vì vậy, đó là một tình huống hơi kỳ lạ. Ý tôi là, chúng ta có lý thuyết này. Nó hoàn toàn tuyệt vời. Nhưng rõ ràng là có những điều chúng tôi thực sự không hiểu.
Strogatz (40:26): Tôi chỉ muốn cảm ơn David Tong về cuộc trò chuyện thực sự rộng và hấp dẫn này. Cảm ơn rất nhiều vì đã tham gia cùng tôi ngày hôm nay.
Tống (40:33): Rất hân hạnh. Cảm ơn rất nhiều.
Người báo cáo (40:39): Nếu bạn thích Niềm vui của tại sao, kiểm tra Podcast Khoa học Tạp chí Quanta, do tôi, Susan Valot, một trong những nhà sản xuất của chương trình này, dẫn chương trình. Cũng nói với bạn bè của bạn về podcast này và cho chúng tôi một lượt thích hoặc theo dõi nơi bạn lắng nghe. Nó giúp mọi người tìm thấy Niềm vui của tại sao podcast.
Steve Strogatz (41: 03): Niềm vui của tại sao là một podcast từ Tạp chí Quanta, một ấn phẩm độc lập về mặt biên tập được hỗ trợ bởi Simons Foundation. Các quyết định tài trợ của Simons Foundation không ảnh hưởng đến việc lựa chọn chủ đề, khách mời hoặc các quyết định biên tập khác trong podcast này hoặc trong Tạp chí Quanta. Niềm vui của tại sao được sản xuất bởi Susan Valot và Polly Stryker. Các biên tập viên của chúng tôi là John Rennie và Thomas Lin, với sự hỗ trợ của Matt Carlstrom, Annie Melchor và Leila Sloman. Nhạc chủ đề của chúng tôi do Richie Johnson sáng tác. Biểu trưng của chúng tôi là của Jackie King và tác phẩm nghệ thuật cho các tập phim là của Michael Driver và Samuel Velasco. Tôi là chủ nhà của bạn, Steve Strogatz. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc nhận xét nào cho chúng tôi, vui lòng gửi email cho chúng tôi theo địa chỉ quanta@simonsfoundation.org. Cảm ơn vì đã lắng nghe.
