Περιμένοντας την Επανάσταση

Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο David J. Gross αποκάλυψε την κρυμμένη δομή του ατομικού πυρήνα. Βοήθησε στην επανεφεύρεση της θεωρίας χορδών τη δεκαετία του 1980. Το 2004, μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής. Και σήμερα αγωνίζεται δυναμικά να περιγράψει τις βασικές δυνάμεις της φύσης στην κλίμακα Planck (δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από ένα πρωτόνιο), όπου, ελπίζουν οι θεωρητικοί χορδών, οι εξισώσεις της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής συνδυάζονται.

Ο Gross, ο H. David Politzer και ο Frank Wilczek βραβεύτηκαν με το Νόμπελ για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας, πιο γνωστή ως η ισχυρή δύναμη που δεσμεύει τα συστατικά του ατομικού πυρήνα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Πριν από σαράντα χρόνια, οι αντιδιαισθητικοί υπολογισμοί τους κάλυπταν ένα σημαντικό κενό στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής, το οποίο περιγράφει τα 61 γνωστά στοιχειώδη σωματίδια. Αυτή η θεωρητική εργασία αναζωογόνησε την σχεδόν ετοιμοθάνατη θεωρία του κβαντικού πεδίου και γέννησε την QCD (κβαντική χρωμοδυναμική), τη θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων.

Αυτές τις μέρες, ο Gross απολαμβάνει να προκαλεί νέους φυσικούς καθώς εκφράζουν τις εξισώσεις στο Kavli Institute for Theoretical Physics, τη δεξαμενή σκέψης που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών που διηύθυνε από το 1997 μέχρι την αποχώρησή του πέρυσι. Ανυπομονεί οι νεότεροι επιστήμονες να ξεπεράσουν τα επιτεύγματά του, να σπάσουν το αδιέξοδο του υποκαθορισμού που προβληματίζει επί του παρόντος τη σωματιδιακή φυσική, όπου οι ανταγωνιστικές θεωρίες προβλέπουν τα ίδια φυσικά αποτελέσματα και, ως εκ τούτου, μπορεί να έχουν ανοσία στην πειραματική επαλήθευση κατά τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος.

Ο Γκρος χαρακτηρίζει τη θεωρητική φυσική ως γεμάτη εσωτερικές εικασίες, μια περίεργη υπέρθεση πρακτικής ευρωστίας και θεωρητικής σύγχυσης. Έχει προβλήματα με τη διάδοση των «πολλαπλών» και των «τοπίων» άπειρων κόσμων, που θεωρούνται εμβληματικά της φυσικής πραγματικότητας. Μερικές φορές, λέει, η επιστήμη είναι απλά κολλημένη μέχρις ότου νέα δεδομένα, ή μια επαναστατική ιδέα, καταρρίψει το status quo. Αλλά είναι αισιόδοξος:Η εμπειρία του λέει ότι αντικείμενα που κάποτε δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν άμεσα, όπως τα κουάρκ και τα γκλουόνια, μπορούν να αποδειχθούν ότι υπάρχουν. Κάποτε, ίσως το ίδιο θα ισχύει για τις ιδέες των χορδών και των branes και των ολογραφικών ορίων που προμηνύουν το μέλλον της φυσικής.

Ο αναγωγισμός δεν έχει πεθάνει, επιμένει.

Quanta συνάντησε τον Gross στο KITP, όπου κρατά την πόρτα του γραφείου του ανοιχτή και τη μηχανή εσπρέσο ζεστή. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική εκδοχή της συνέντευξης.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA :Γιατί φυσική, Ντέιβιντ;

DAVID GROSS:Σε ηλικία 13 ετών, διάβασα ένα υπέροχο βιβλίο των Albert Einstein και Leopold Infeld με τίτλο «The Evolution of Physics». Ενθουσιάστηκα πάρα πολύ από τη δυνατότητα να αντιμετωπίσω θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν.

Γρήγορα προς τα μέσα της δεκαετίας του 1960:Ήμουν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, το οποίο ήταν το κέντρο της θεωρίας του S-matrix, της θεωρίας χορδών της εποχής. Στο εργαστήριο Rad του πανεπιστημίου, οι πειραματιστές ανακάλυπταν συνεχώς νέα ατομικά σωματίδια με τον εξοπλισμό τους. Αλλά οι θεωρητικοί δυσκολεύονταν να συμβαδίσουν με τον ρυθμό της ανακάλυψης:Δεν ήμασταν ιδιαίτερα ανίδεοι για τη δομή του ατομικού πυρήνα.

Μέρος του προβλήματος ήταν ότι ενώ η κβαντική θεωρία πεδίου είχε συμφιλιώσει θεαματικά την ειδική σχετικότητα και την κβαντομηχανική, απέτυχε να κάνει τη βαριά ανύψωση στη σωματιδιακή φυσική. Δεν μας έλεγε αν τα σωματίδια ήταν σύνθετες οντότητες ή στοιχειώδεις μονάδες.

Στο εργαστήριο, δεν μπορούσαμε να δούμε ή να περιγράψουμε φυσικά τα μαθηματικά αντικείμενα που ονομάζαμε κουάρκ, τα οποία υποψιαζόμασταν ότι ήταν το κλειδί για το ξεκλείδωμα της δυναμικής της ισχυρής δύναμης που ενώνει τη συστάδα πρωτονίων και νετρονίων στο κέντρο του ατόμου. Και η κβαντική θεωρία πεδίου απέτυχε να υπολογίσει πώς θα μπορούσε να είναι έτσι.

Πολλοί άνθρωποι απογοητεύτηκαν λέγοντας:«Η κβαντική θεωρία πεδίου δεν λειτουργεί. Είναι αντιφυσικό. Πέτα το!»

Τι εννοούσαν με τον όρο "μη φυσικό";

Ότι οι επιστήμονες δεν μπορούν να μιλήσουν για κάτι που δεν μπορεί να παρατηρηθεί φυσικά. Εάν η κβαντική θεωρία πεδίου δεν μπορεί να προβλέψει συμπεριφορές σωματιδίων με βάση προηγούμενες πειραματικές παρατηρήσεις, δηλαδή με φυσικές μετρήσεις κβαντικών αντικειμένων σε κίνηση, τότε η θεωρία πεδίου είναι άχρηστη ως εργαλείο, ειπώθηκε.

Ένα πεδίο είναι ένα δυναμικό αντικείμενο που έχει μια τιμή σε κάθε σημείο του χώρου που καταλαμβάνει. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα αντικείμενο που έχει θέση και εσωτερική δομή. Για παράδειγμα, οι γραμμές δύναμης που βλέπει κανείς όταν ψεκάζει ρινίσματα σιδήρου γύρω από έναν μαγνήτη απεικονίζουν το σχήμα ενός πεδίου στο φυσικό χώρο.

Για να είναι συνεπείς οι κβαντομηχανικές θεωρίες με τους περιορισμούς της σχετικότητας, απεικονίζουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων να ρέουν μέσα από ένα κβαντομηχανικό πεδίο, ένα χωρικό πεδίο. Οι κυματισμοί στο πεδίο μπορούν να αντιμετωπιστούν ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή ακτινοβολία ή φως. Και αυτοί οι κυματισμοί μπορούν επίσης να περιγραφούν ως σωματίδια που μεταδίδουν τις δυνάμεις της φύσης μέσω του χώρου.

Όταν ήμουν στο Μπέρκλεϋ, το πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας πεδίου μπορούσε να υπολογίσει τη δυναμική του ηλεκτρομαγνητισμού. Θα μπορούσε να περιγράψει χονδρικά την κίνηση της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, της ακτινοβολίας. Αλλά χτύπησε έναν τοίχο από τούβλα με την ισχυρή αλληλεπίδραση, τη δεσμευτική δύναμη.

Οι θεωρητικοί αναζητούσαν μια πιο αποτελεσματική θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων;

Ο σύμβουλός μου, Geoffrey Chew, προχώρησε ακόμη περισσότερο:δηλώνοντας ότι δεν υπάρχουν όχι στοιχειώδη σωματίδια, αλλά μόνο τυχαία συνδεδεμένες αλληλεπιδράσεις που υπακούουν σε πιθανολογικούς νόμους. Έτσι, στο πλαίσιο της μήτρας S, τα σωματίδια δημιούργησαν σωματίδια, χωρίς κανένας τύπος σωματιδίου να είναι πιο στοιχειώδης από οποιονδήποτε άλλο τύπο. Ο Chew ονόμασε αυτή τη μη θεωρία "πυρηνική δημοκρατία" ή "το bootstrap".

Για μερικούς ανθρώπους, το bootstrap ήταν μια επαναστατική προσέγγιση - μια νέα φιλοσοφία της φυσικής. Θα μπορούσε κανείς να ξεκινήσει με ένα πρωτόνιο και να παράγει άλλα σωματίδια και το αντίστροφο. Και μοτίβα που πραγματοποίησαν αυτήν την ιδέα άρχισαν να εμφανίζονται σε δεδομένα που παράγονται από συγκρούσεις πρωτονίων στους γραμμικούς επιταχυντές στην Καλιφόρνια.

Η επανάσταση περιορίστηκε στο Μπέρκλεϋ;

Από την ίδρυση της κβαντικής μηχανικής στη δεκαετία του 1920, η θεωρητική φυσική είχε καλλιεργήσει μια εξαιρετικά ριζοσπαστική παράδοση. Επειδή η σχετικότητα και η κβαντομηχανική είχαν φέρει επανάσταση στη φυσική, όλοι αναζητούσαμε την επόμενη ανατροπή και ήμασταν διατεθειμένοι να θυσιάσουμε τις υπάρχουσες θεωρίες στο τέλος.

Η επανάσταση ήταν το παιχνίδι των νέων;

Καθόλου. Οι παλαιότεροι φυσικοί ήταν οι πιο ριζοσπαστικοί! Οι ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής — Werner Heisenberg, Paul Dirac, Niels Bohr — ήταν όλοι πεπεισμένοι ότι για να εξηγηθεί η πυρηνική δύναμη, έπρεπε να γίνει μια άλλη επανάσταση στα θεμέλια της φυσικής. Υπήρχαν κάθε είδους τρελές ιδέες:Το διάστημα έπρεπε να διαλυθεί σε πυρηνική κλίμακα. Η κβαντομηχανική ήταν πραγματικά μη γραμμική.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η οικοδόμηση του Καθιερωμένου Μοντέλου - η θεωρία του πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια και οι δυνάμεις - ήταν η επιτυχία των συντηρητικών. Δεν απαιτούσε επανάσταση σε θεμελιώδες επίπεδο. Η κανονική φυσική, το είδος που συνεχίζεται με πείραμα μετά από πείραμα, παρήγαγε το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Τι σας οδήγησε στην ύπαρξη ασυμπτωτικής ελευθερίας;

Απελπισία. Είχα βάλει σκοπό να διαψεύσω την κβαντική θεωρία πεδίου — και συνέβη το αντίθετο! Σοκαρίστηκα.

Η ιστορία είναι ότι οι πειραματιστές χτυπούσαν πρωτόνια, ελπίζοντας να βρουν άμεσες ενδείξεις για τα εφήμερα «κουάρκ». Τα πρωτόνια είναι σάκοι κουάρκ, αλλά δεν υπάρχει αυτό που λέμε μεμονωμένο κουάρκ. Τα βλέπουμε μόνο έμμεσα, μετρώντας τις ενέργειες και τις ορμές που προκύπτουν από τις συγκρούσεις πρωτονίων.

Χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πεδίου, οι συνάδελφοί μου και εγώ προβλέψαμε επιτυχώς την εμφάνιση ορισμένων μοτίβων στα κατάλοιπα σύγκρουσης πρωτονίων. Προς έκπληξή μας, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι τα αόρατα κουάρκ δεν είναι καθαρά μαθηματικές αφαιρέσεις, αλλά αντικείμενα, σωματίδια, που μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα στο πρωτόνιο όταν βρίσκονται κοντά μεταξύ τους. Και, εκπληκτικά, μάθαμε ότι όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των κουάρκ, αυξάνεται και η δύναμη που τα συνδέει μεταξύ τους. Είναι σαν να τεντώνετε ένα λάστιχο.

Ήταν οι προβλέψεις σας εντός ενός εύρους αβεβαιότητας;

Τεράστια αβεβαιότητα, αλλά ήταν αληθινά, παρόλα αυτά. Και από τότε, έχουν επανειλημμένα επικυρωθεί μέσω πειράματος. Οι νέες ανακαλύψεις τείνουν να είναι διαισθητικές, ακριβώς στα όρια της πιστευτικότητας. Αργότερα, γίνονται εμφανείς.

Πόσος χρόνος χρειάστηκε για να γίνει αποδεκτή η νέα θεωρία;

Για κάποιους ήταν μπαμ! Γρήγορα. Γιατί ήταν η μόνη εξήγηση της ισχυρής δύναμης που μπορούσε να υπολογιστεί. Άλλοι θεώρησαν ότι ήταν φιλοσοφικά απαράδεκτο να βασίζουν μια θεωρία σε αντικείμενα που δεν ήταν πραγματικά ορατά. Υπήρχαν δύο ομάδες:νεότεροι φυσικοί, όπως ο Steve Weinberg και ο Lenny Susskind, που το πίστεψαν αμέσως, και μια ομάδα παλαιότερων επιστημόνων, που δεν γνώριζαν πολύ την κβαντική θεωρία πεδίου, η οποία είναι εξαιρετικά τεχνική. Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να αποδεχτούν πλήρως μια θεωρία που βασίζεται σε έμμεσες παρατηρήσεις.

Περίμεναν την επανάσταση;

Η κβαντομηχανική παραμένει η τελευταία μας επανάσταση. Τούτου λεχθέντος, ορισμένοι επιστήμονες περιμένουν μια μη αναγώγιμη τελική θεωρία. Ο αναγωγισμός έχει αποδειχθεί μια εξαιρετικά επιτυχημένη μέθοδος έρευνας. Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια πολύ ακριβής, αναγωγική θεωρία. Αλλά δεν ήταν ριζοσπαστικό.

Όταν ήσασταν πρόεδρος της 25ης Διάσκεψης Solvay το 2011, παρατηρήσατε, στις εναρκτήριες παρατηρήσεις σας, ότι υπάρχει «σύγχυση στα σύνορα της φυσικής». Γιατί;

Ένα επιστημονικό «σύνορο» είναι ορίζεται ως κατάσταση σύγχυσης. Παρόλα αυτά, έχουμε ένα μεγάλο πρόβλημα:η Φυσική εξηγεί τον κόσμο γύρω μας με απίστευτη ακρίβεια και εύρος. Αλλά η περαιτέρω εξήγηση περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από αυτά που ήδη γνωρίζουμε. Οι θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, για παράδειγμα, αντιπροσωπεύουν σοβαρές προκλήσεις για το τρέχον θεωρητικό μας πλαίσιο.

Η θεωρία χορδών προσπαθεί να ενώσει και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις:ηλεκτρομαγνητισμό, ακτινοβολία (αδύναμη), πυρηνική δύναμη (ισχυρή) και βαρύτητα.

Καταρχάς, η θεωρία χορδών δεν είναι θεωρία. Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι μια θεωρία. Η θεωρία χορδών είναι α μοντέλο, ένα πλαίσιο, μέρος της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Είναι ένα σύνολο κανόνων και τεχνασμάτων για την κατασκευή συνεπών κβαντικών καταστάσεων, πολλά από αυτά.

Στη Solvay, είπατε ότι η ελπίδα ότι η θεωρία των χορδών θα παρήγαγε μια μοναδική δυναμική περιγραφή της πραγματικότητας φαίνεται να είναι "αντικατοπτρισμός".

Η θεωρία χορδών δεν είναι τόσο επαναστατική όσο ελπίζαμε κάποτε. Οι αρχές του δεν είναι καινούριες:Είναι οι αρχές της κβαντικής μηχανικής. Η θεωρία χορδών είναι αναπόσπαστο μέρος της κβαντικής θεωρίας πεδίου.

Η θεωρητική δομή της σύγχρονης φυσικής είναι πολύ μεγαλύτερη και πλουσιότερη από ό,τι πιστεύαμε, επειδή είναι μια θεωρία του δυναμικού χωροχρόνου, η οποία πρέπει να ενσωματώνει τη βαρύτητα, μια δύναμη που δεν έχει ακόμη ενσωματωθεί στο Καθιερωμένο Μοντέλο.

Υπάρχουν απογοητευτικά θεωρητικά προβλήματα στην κβαντική θεωρία πεδίου που απαιτούν λύσεις, αλλά το «τοπίο» της θεωρίας χορδών των 10 λύσεων δεν έχει νόημα για μένα. Ούτε η έννοια του πολυσύμπαντος ή η ανθρωπική αρχή, που σκοπεύουν να εξηγήσουν γιατί το συγκεκριμένο σύμπαν μας έχει ορισμένες φυσικές παραμέτρους. Αυτά τα μοντέλα προϋποθέτουν ότι έχουμε κολλήσει, εννοιολογικά.

Υπάρχει κρίση στη φυσική;

Δεν βλέπω την παρούσα κατάσταση ως κρίση, αλλά ως ένα είδος αποδεκτής επιστημονικής σύγχυσης που η ανακάλυψη τελικά ξεπερνά.

Τι σημαίνει να πούμε ότι ο χωροχρόνος είναι ένα αναδυόμενο φαινόμενο;

[Χαμογελάει.] Αυτή είναι μια πολύ περίπλοκη έννοια, η οποία διαρκεί περίπου από τη γέννηση μέχρι την ηλικία των δύο ετών για να την κατανοήσουμε. Δεν βιώνουμε πραγματικά τον χωροχρόνο. είναι μοντέλο. Περιγράφει πώς να πάνω αυτό το κομμάτι φαγητού που βρίσκεται στο χαλί εκεί :ανίχνευση.

Το μοντέλο του χωροχρόνου μας, όπως τροποποιήθηκε από τον Αϊνστάιν, είναι εξαιρετικά χρήσιμο, αλλά ίσως δεν είναι θεμελιώδες. Μπορεί να είναι μια παράγωγη έννοια. Φαίνεται να προκύπτει από μια πιο θεμελιώδη φυσική διαδικασία που ενημερώνει τις μαθηματικές εικόνες που σχεδιάζονται από τη θεωρία χορδών και την κβαντική θεωρία πεδίου.

Είναι δυνατόν να παραποιηθεί η θεωρία χορδών/θεωρία κβαντικού πεδίου; Ή μήπως αυτό είναι μια καθαρά φιλοσοφική ερώτηση;

Το ζήτημα του πώς αποφασίζουμε εάν οι θεωρίες μας είναι σωστές ή λανθασμένες ή παραποιήσιμες έχει μια φιλοσοφική πτυχή. Αλλά ελλείψει εμπειρικών δεδομένων, μπορούμε πραγματικά να κρίνουμε την εγκυρότητα μιας θεωρίας; Ισως. Μπορεί η φιλοσοφία από μόνη της να λύσει ένα τέτοιο οντολογικό δίλημμα; Αμφιβάλλω. Οι φιλόσοφοι που συμβάλλουν στη δημιουργία της φυσικής είναι, επομένως, φυσικοί!

Τώρα, τον περασμένο αιώνα, μεγάλοι φυσικοί όπως ο Ernst Mach, ο Bohr και ο Einstein ήταν επίσης φιλόσοφοι που ασχολούνταν με την ανάπτυξη θεωριών γνώσης. Ο Αϊνστάιν επέκρινε περίφημα τον Χάιζενμπεργκ ότι εστιάζει μόνο σε παρατηρήσιμες οντότητες, όταν μπορεί να υπάρχουν έμμεσες ενδείξεις για οντότητες που δεν είναι ορατές. Μπορεί να συμβαίνει το ίδιο με τη θεωρία χορδών.

Είναι η επανάσταση κοντά;

Όσοι από εμάς σε αυτό το παιχνίδι πιστεύουμε ότι είναι δυνατό να βγούμε αρκετά μακριά σε ένα άκρο, αν κάποιος προσέξει να είναι λογικά συνεπής σε ένα υπάρχον θεωρητικό πλαίσιο. Το πόσο θα πετύχει αυτή η μέθοδος είναι ένα ανοιχτό ερώτημα.

Το ευρύ κοινό κατανοεί τον ρόλο της αβεβαιότητας στην επιστήμη;

Το κοινό γενικά εξισώνει την αβεβαιότητα με μια τρελή εικασία. Ενώ, για έναν επιστήμονα, μια θεωρία όπως το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι απίστευτα ακριβής και πιθανολογικός. Στην επιστήμη, είναι απαραίτητο να μην είμαστε ποτέ απόλυτα σίγουροι. Και αυτό το μάθημα είναι σφυρηλατημένο σε κάθε επιστήμονα και αναγνώστη της ιστορίας. Οι επιστήμονες μετρούν την αβεβαιότητα χρησιμοποιώντας τη θεωρία πιθανοτήτων και τη στατιστική. Και έχουμε ζώνες άνεσης όταν κάνουμε προβλέψεις, γραμμές σφαλμάτων. Το να ζεις με την αβεβαιότητα είναι ένα ουσιαστικό μέρος της επιστήμης και γίνεται εύκολα παρεξηγημένο.

Υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα ανεξάρτητη από την ανθρώπινη συνείδηση;

Πιστεύω ότι υπάρχει ένας πραγματικός κόσμος, εκεί έξω, και ότι βλέπουμε τις σκιές του:τα μοντέλα μας, τις θεωρίες μας. Πιστεύω ότι τα μαθηματικά υπάρχουν . Μπορεί να είναι εντελώς πραγματικό με φυσική έννοια. μπορεί επίσης να περιέχει «πράγματα» που είναι ιδανικά. Αλλά, για να είμαστε σαφείς, το ανθρώπινο μυαλό είναι ένα φυσικό αντικείμενο. Συνδυάζεται από πραγματικά μόρια και κουάρκ.