Η αναζήτηση για την κβαντική βαρύτητα:γιατί το να είσαι λάθος είναι απαραίτητο για την επιστήμη

Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν δεν παίζει καλά με την κβαντική φυσική. Θεωρητικοί φυσικοί όπως ο καθηγητής Fay Dowker εργάζονται για να δημιουργήσουν μια θεωρία που το κάνει:την κβαντική βαρύτητα. Λέει στην Amy Barrett γιατί το να κάνεις λάθος είναι ένα βήμα προς την επίτευξη συναίνεσης.

Με τι ασχολείστε αυτή τη στιγμή;

Εργάζομαι πάνω στο πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας, και είναι ένα πρόβλημα και όχι μια θεωρία, επειδή δεν έχουμε ακόμη μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας. Έτσι, η πρόκληση είναι να βρείτε ένα.

Είναι ένα πρόβλημα επειδή οι τρέχουσες δύο καλύτερες θεμελιώδεις θεωρίες μας στη φυσική δεν είναι συμβατές μεταξύ τους. Είναι μια ισχυρή δήλωση να πούμε ότι είναι αντιφατικά, αλλά δεν φοβάμαι να το πω στην πραγματικότητα. Νομίζω ότι η επιστήμη προχωρά εξετάζοντας τις αντιφάσεις μεταξύ διαφορετικών κομματιών της τρέχουσας κατανόησής μας και εστιάζει σε αυτές τις αντιφάσεις προκειμένου να σημειώσει πρόοδο.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την κβαντική φυσική:

• Κβαντική θεωρία πεδίου:"Μια ανίερη διασταύρωση μεταξύ της κβαντικής φυσικής σε κακή διάθεση και κάθε κουμπί που δεν πατάς ποτέ σε μια αριθμομηχανή"
• Νεκροί και ζωντανοί:γιατί ήρθε η ώρα να ξανασκεφτούμε την κβαντική φυσική

Άρα, η επιστήμη ανέχεται τις αντιφάσεις, αλλά όχι για πάντα. Σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη στιγμή της ιστορίας, θα υπάρχουν πάντα αντιφάσεις μεταξύ διαφορετικών κομματιών της κατανόησής μας, και αυτές οι αντιφάσεις είναι ακριβώς εκεί που θέλουμε να εστιάσουμε για να τα πάμε καλύτερα. Για να προσπαθήσουμε να ενοποιήσουμε την κατανόησή μας.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση στην οποία εργάζομαι ονομάζεται θεωρία αιτιατού συνόλου. Το αιτιολογικό σύνολο είναι απλώς το όνομα που δίνουμε στο μαθηματικό, διακριτό, ατομικό αντικείμενο που προτείνουμε είναι η θεμελιώδης βάση του χωροχρόνου.

Πώς προχωράτε στην έρευνά σας – πώς είναι μια μέρα για εσάς;

Μια τυπική μέρα θα περιλαμβάνει ίσως μια διάλεξη, προετοιμασία για ένα σεμινάριο, μιλώντας με τους διδακτορικούς φοιτητές μου για τα έργα τους, κάθισμα, ανάγνωση μιας ενδιαφέρουσας εργασίας που μόλις κυκλοφόρησε. Έτσι, είναι πολύ ποικίλο, και αυτό είναι ένα από τα σπουδαία πράγματα για τη δουλειά μου. Όταν διδάσκω, εναλλάσσω περιόδους σκέψης για έρευνα και έρευνα με την προετοιμασία μου για τη διδασκαλία, τη συνάντηση με μαθητές.

Είμαι θεωρητικός φυσικός, που σημαίνει ότι δεν είμαι δεμένος σε εργαστήριο, επομένως μπορώ να κάνω την έρευνά μου σχεδόν οπουδήποτε. Χρησιμοποιώ πολύ υπολογιστή, επομένως συχνά κάθομαι σε ένα γραφείο και διαβάζω χαρτιά στον υπολογιστή μου.

Δυσκολεύομαι να σκεφτώ χωρίς ένα κομμάτι χαρτί μπροστά μου και ένα στυλό στο χέρι μου, γι' αυτό κάνω υπολογισμούς, γράφω σημειώσεις σε χαρτί.

Οι συνάδελφοί μου χρησιμοποιούν πολλές προσομοιώσεις υπολογιστή. Οι υπολογιστές είναι απίστευτα χρήσιμοι, παρόλο που κάνουμε θεωρητική φυσική. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν υπολογιστές για να προσομοιώσουν τα μοντέλα που δημιουργούν και επίσης για να λύσουν σκληρές εξισώσεις:συχνά οι υπολογιστές μπορούν να κάνουν ό,τι δεν μπορούμε να κάνουμε εμείς.

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν υπολογιστές για να λύσουν διαφορικές εξισώσεις, για παράδειγμα, τις εξισώσεις που διέπουν τη γεωμετρία και τη δομή του χωροχρόνου:οι εξισώσεις του Αϊνστάιν. Είναι πολύ δύσκολο να λυθούν αναλυτικά, μόνο με μολύβι και χαρτί.

Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τεράστιες ποσότητες υπολογιστικής ισχύος για να λύσουμε αυτές τις εξισώσεις, για να μας πούμε, για παράδειγμα, πώς θα μοιάζει η μορφή των βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από συγκρούσεις μαύρης τρύπας.

Πόσοι φυσικοί εργάζονται για το πρόβλημα που ελπίζετε να λύσετε;

Είναι μια παγκόσμια κοινότητα ανθρώπων που εργάζονται πάνω στην κβαντική βαρύτητα. Υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις.

Χωριζόμαστε σε διαφορετικές προσεγγίσεις, επομένως μερικοί άνθρωποι θα επικεντρωθούν σε ένα ευρετικό κίνητρο και κάποιοι άλλοι θα επικεντρωθούν σε διαφορετικό σημείο εκκίνησης, αν θέλετε. Και αυτή τη στιγμή, τα πειραματικά στοιχεία είναι ελάχιστα, και επομένως είναι δύσκολο να καθοδηγηθεί κανείς από πραγματικές παρατηρήσεις.

Ο εμπνευστής της θεωρίας πάνω στην οποία εργάζομαι, της θεωρίας των αιτιακών συνόλων, είναι ένας φυσικός που ονομάζεται Rafael Sorkin. Εργάζεται στο Ινστιτούτο Perimeter στο Βατερλώ στον Καναδά και είναι αυτός του οποίου η δουλειά προχώρησε περισσότερο στη θεωρία από οποιονδήποτε άλλον.

Γιατί είναι σημαντικό να λύσουμε αυτό το πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας;

Είναι η επιτομή του τι είναι η επιστήμη, να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε καλύτερα το Σύμπαν. Και όπως είπα, η επιστήμη ανέχεται τις αντιφάσεις, αλλά δεν τις ανέχεται για πάντα. Έτσι, η επιστήμη προοδεύει επιλύοντας αντιφάσεις μεταξύ διαφορετικών μερών της τρέχουσας κατανόησής μας.

Η επιστημονική ορμή για καλύτερη κατανόηση είναι αυτό που παρακινεί τις προσπάθειές μας να βρούμε, την αναζήτησή μας να βρούμε μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας. Το πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας είναι τόσο θεμελιώδες:ο χωροχρόνος είναι η αρένα στην οποία όλα όσα συμβαίνουν, συμβαίνουν. Είναι το Σύμπαν μας.

Έτσι, η κατανόηση ότι καλύτερα σε ένα θεμελιώδες επίπεδο είναι βέβαιο ότι θα έχει συνέπειες τις οποίες δεν μπορούμε να προβλέψουμε επειδή δεν γνωρίζουμε ακόμη τι είναι η κβαντική βαρύτητα. Είναι βέβαιο ότι θα έχει συνέπειες σε κάθε μέρος της ζωής μας. Αν και, όπως είπα, είναι δύσκολο να προβλέψουμε ποια θα είναι αυτά.

Πόσο μακριά είμαστε από το να το καταλάβουμε αυτό;

Αν το ήξερα… [γέλια] απλά δεν το ξέρω. Νομίζω ότι πολλά εξαρτώνται από το τι θα συμβεί στην κοσμολογία στο μέλλον. Τι είδους νέα δεδομένα θα έρθουν. Αυτή τη στιγμή υπάρχει μια ένταση, μερικοί άνθρωποι θα το αποκαλούσαν ακόμη και τώρα μια αντίφαση, μεταξύ της καλύτερης θεωρίας μας, του καθιερωμένου μοντέλου της κοσμολογίας, και των παρατηρήσεών μας, ιδιαίτερα των παρατηρήσεών μας για τον ρυθμό διαστολής του το Σύμπαν.

Έτσι, το Σύμπαν διαστέλλεται, οι γαλαξίες μας απομακρύνονται όλο και περισσότερο ο ένας από τον άλλον και μπορούμε να μετρήσουμε τον ρυθμό με τον οποίο συμβαίνει αυτό.

Διαβάστε περισσότερα για την κοσμολογία:

• Για να κατανοήσετε το Σύμπαν μας, κοιτάξτε τις πρώτες στιγμές του
• Υπάρχει σκουληκότρυπα που κρύβεται στο κέντρο του Γαλαξία;

Αυτό το ποσοστό είναι τώρα σε αντίθεση με το τυπικό μας μοντέλο κοσμολογίας. Οι αντιφάσεις είναι ισχυρές, αλλά οι πειραματιστές φυσικοί είναι πολύ συντηρητικοί. Δεν θέλουν να ανακοινώσουν μια αντίφαση μέχρι να είναι πραγματικά, πραγματικά σίγουροι, αλλά τώρα υπάρχει μια αυξανόμενη ένταση μεταξύ των παρατηρήσεών μας και του μοντέλου που χρησιμοποιούμε αυτήν τη στιγμή.

Νομίζω ότι αυτό θα δείξει ότι το τυπικό μας μοντέλο κοσμολογίας πρέπει να αναμορφωθεί και νομίζω ότι αυτό θα είναι μια ένδειξη για την κβαντική βαρύτητα. Αλλά θα δούμε. Αυτό είναι κάτι που μπορεί να συμβεί ή να μην συμβεί τα επόμενα χρόνια καθώς συλλέγονται περισσότερα κοσμολογικά δεδομένα.

Υπάρχουν λανθασμένες αντιλήψεις από το ευρύ κοινό σχετικά με την κοσμολογία και την κβαντική μηχανική;

Όταν δίνω δημόσιες διαλέξεις, εκπλήσσομαι με το πόσο καλά ενημερωμένοι είναι οι άνθρωποι. Συχνά λαμβάνω ερωτήσεις από το κοινό όταν δίνω μια δημόσια διάλεξη που είναι πολύ πιο οξυδερκείς και ξεκάθαρες από αυτές που μου κάνουν οι συνάδελφοί μου.

Νομίζω ότι είναι επειδή όταν οι άνθρωποι ενδιαφέρονται έχουν μια πολύ ευρύτερη προοπτική. Είναι πολύ πιο αμφισβητούμενοι. Θέλουν να μάθουν γενικά γιατί κάποιος ενδιαφέρεται για αυτό. Γιατί το κάνει κάποιος αυτό; Ποια είναι τα ευρύτερα ζητήματα εδώ; Το απολαμβάνω πάρα πολύ.

Οι άνθρωποι είναι πολύ επιτήδειοι:μπορούν να εντοπίσουν μια ασυνέπεια στο επιχείρημά σας.

Μου αρέσει πολύ να μιλάω με μη ειδικούς, γιατί οι ερωτήσεις τους είναι πολύ προκλητικές και συχνά πολύ καλά ενημερωμένες, ιδιαίτερα για την κοσμολογία.

Η κβαντομηχανική είναι ένα διαφορετικό θέμα, αλλά για αυτό δεν φταίνε οι άνθρωποι, οι ενδιαφερόμενοι μη ειδικοί. Η σύγχυση και ίσως οι λανθασμένες αντιλήψεις σχετικά με την κβαντική μηχανική που αφθονούν –και αφθονούν– οφείλονται στο ότι η ίδια η κοινότητα των φυσικών δεν έχει καταλήξει σε συναίνεση σχετικά με την κβαντική μηχανική και τον τρόπο κατανόησης της.

Αυτή είναι μια αξιοσημείωτη κατάσταση, δεδομένου ότι η κβαντική μηχανική δημιουργήθηκε το 1925 και ήταν, σύμφωνα με τα λόγια του Αϊνστάιν, η πιο επιτυχημένη φυσική μας θεωρία, αλλά δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση για το πώς να την κατανοήσουμε. Τι σημαίνει. Τι σημαίνει? Τι εικόνα του κόσμου μας δίνει;

Είναι μια διαφορετική κατάσταση από τη γενική σχετικότητα. Υπάρχει συναίνεση στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με την εικόνα του κόσμου που μας δίνει η γενική σχετικότητα. Δεν υπάρχει συναίνεση για την εικόνα του κόσμου που μας δίνει η κβαντομηχανική. Υπάρχουν διαφορετικές απόψεις. Μια άποψη είναι ότι ακόμη και το να κάνουμε αυτήν την ερώτηση είναι χάσιμο χρόνου και δεν πρέπει να ασχολούμαστε.

Αλλά μεταξύ εκείνων που πιστεύουν ότι είναι μια γνήσια, μια σημαντική φυσική ερώτηση, και συμπεριλαμβάνω τον εαυτό μου σε αυτήν την κατηγορία, υπάρχουν διαφορετικές απόψεις. Έτσι, αυτό που επιλέγουν οι ενδιαφερόμενοι μη ειδικοί είναι ότι υπάρχει διαφωνία, υπάρχει διαμάχη, υπάρχουν διαφορετικές απόψεις και υπάρχουν πολλές αντιφατικές δηλώσεις που θα έπρεπε να πω από φυσικούς σχετικά με τη φύση της κβαντικής μηχανικής.

Κάποιοι θα μπορούσαν να πουν ότι δεν υπάρχει χώρος για άποψη στην επιστήμη – πώς νιώθετε για αυτό;

Είμαι έκπληκτος που κάποιος θα πίστευε ότι δεν υπάρχουν απόψεις στην επιστήμη. Πώς μπορεί κάποιος να έχει αυτή την εντύπωση; Θέλω να πω, η επιστήμη ευδοκιμεί σε συζητήσεις και συζητήσεις και διαφωνίες.

Ακόμα και ένας μεμονωμένος επιστήμονας, αν δεις τι λένε, η δουλειά του… που εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου. Οι μεταγενέστερες εργασίες και δηλώσεις των ανθρώπων μπορεί να διαφωνούν με τις προηγούμενες εργασίες και δηλώσεις τους. Έτσι, ως κοινότητα συζητάμε και διαφωνούμε συνεχώς.

Είναι ο τρόπος που λειτουργεί η επιστήμη, και επίσης, είναι η δύναμη της επιστήμης. Τα άτομα μπορεί πάντα να κάνουν λάθος. Στην πραγματικότητα, κάνουμε λάθος πολλές φορές, αλλά η κοινότητα στο σύνολό της προχωρά επειδή μπορούμε να επιτύχουμε συναίνεση. Πρέπει να πείσουμε ο ένας τον άλλον. Πρέπει να πείσουμε ο ένας τον άλλον ότι τα στοιχεία για κάτι είναι αρκετά ισχυρά ώστε να αλλάξουμε τη γνώμη μας, και αυτή είναι η δύναμή του.

Τι γίνεται με το δικό σας ταξίδι στην επιστήμη; Πώς φτάσατε εδώ που βρίσκεστε σήμερα;

Όταν ήμουν νεαρή κοπέλα και νεαρή μαθήτρια, με ενδιέφεραν πολύ τα μαθηματικά. Δεν με ενδιέφερε πολύ η φυσική στο σχολείο και πήγα στο πανεπιστήμιο για να σπουδάσω μαθηματικά. Στη συνέχεια, στο τρίτο μου έτος, έμαθα για τη γενική σχετικότητα και μου άρεσε.

Το λάτρεψα από τότε και ήταν ο βράχος στον οποίο ξεκουράστηκα το πνευματικό μου ταξίδι. Είχα την ευκαιρία να το διδάξω στους προπτυχιακούς φοιτητές μου και ήταν χαρά, προνόμιο και, ναι, ήταν η ονειρεμένη μου διδακτική εμπειρία.

Έτσι, ήρθα στη φυσική αργά στη ζωή, υποθέτω, με την έννοια ότι μόνο όταν ήμουν προπτυχιακός φοιτητής άρχισα να ενδιαφέρομαι για τη φυσική.

Η κβαντική βαρύτητα μου φαινόταν πάντα ως η πιο θεμελιώδης ερώτηση που θα μπορούσε να κάνει κανείς. Μου άρεσε η γενική σχετικότητα, αλλά μπορούσα να δω ότι δεν συμφωνούσε με την κατανόησή μας για την ύλη. Έτσι, ήθελα να μάθω, και εξακολουθώ να θέλω να ξέρω, πώς να το κάνω αυτό να λειτουργήσει. Πώς να συμβιβάσουμε την κβαντική φύση του κόσμου με την κατανόησή μας για τη βαρύτητα.