Για να λύσετε το μεγαλύτερο μυστήριο στη φυσική, εγγραφείτε στο Two Kinds of Law
Ας υποθέσουμε ότι οι εξωγήινοι προσγειώνονται στον πλανήτη μας και θέλουν να μάθουν τις τρέχουσες επιστημονικές μας γνώσεις. Θα ξεκινούσα με το ντοκιμαντέρ 40 ετών Powers of Ten . Ομολογουμένως, είναι λίγο ξεπερασμένη, αλλά αυτή η ταινία μικρού μήκους, σε σενάριο και σκηνοθεσία του διάσημου ζεύγους σχεδιαστών Charles και Ray Eames, αποτυπώνει σε λιγότερο από 10 λεπτά μια ολοκληρωμένη άποψη του σύμπαντος.
Το σενάριο είναι απλό και κομψό. Όταν ξεκινά η ταινία, βλέπουμε ένα ζευγάρι να κάνει πικ νικ σε ένα πάρκο του Σικάγο. Στη συνέχεια, η κάμερα μικραίνει. Κάθε 10 δευτερόλεπτα το οπτικό πεδίο αποκτά ισχύ 10 — από 10 μέτρα πλάτος, 100, 1.000 και μετά. Σιγά σιγά η μεγάλη εικόνα μας αποκαλύπτεται. Βλέπουμε την πόλη, την ήπειρο, τη Γη, το ηλιακό σύστημα, τα γειτονικά αστέρια, τον Γαλαξία, μέχρι τις μεγαλύτερες δομές του σύμπαντος. Στη συνέχεια, στο δεύτερο μισό της ταινίας, η κάμερα κάνει ζουμ και εμβαθύνει στις μικρότερες δομές, αποκαλύπτοντας όλο και περισσότερες μικροσκοπικές λεπτομέρειες. Ταξιδεύουμε σε ένα ανθρώπινο χέρι και ανακαλύπτουμε κύτταρα, τη διπλή έλικα του μορίου DNA, άτομα, πυρήνες και τέλος τα στοιχειώδη κουάρκ που δονούνται μέσα σε ένα πρωτόνιο.
Η ταινία αποτυπώνει την εκπληκτική ομορφιά του μακρόκοσμου και του μικρόκοσμου και παρέχει τα τέλεια τελειώματα για να μεταδώσει τις προκλήσεις της θεμελιώδης επιστήμης. Όπως ρώτησε ο τότε 8χρονος γιος μας όταν το είδε για πρώτη φορά, "Πώς συνεχίζεται;" Ακριβώς! Η κατανόηση της επόμενης ακολουθίας είναι ο στόχος των επιστημόνων που πιέζουν τα όρια της κατανόησής μας για τις μεγαλύτερες και μικρότερες δομές του σύμπαντος. Τέλος, θα μπορούσα να εξηγήσω τι κάνει ο μπαμπάς στη δουλειά!
Δυνάμεις του δέκα Μας διδάσκει επίσης ότι, ενώ διασχίζουμε τις διάφορες κλίμακες μήκους, χρόνου και ενέργειας, ταξιδεύουμε επίσης σε διαφορετικές σφαίρες γνώσης. Η ψυχολογία μελετά την ανθρώπινη συμπεριφορά, η εξελικτική βιολογία εξετάζει τα οικοσυστήματα, η αστροφυσική ερευνά πλανήτες και αστέρια και η κοσμολογία επικεντρώνεται στο σύμπαν ως σύνολο. Ομοίως, προχωρώντας προς τα μέσα, πλοηγούμαστε στα θέματα της βιολογίας, της βιοχημείας και της ατομικής, πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής. Είναι σαν οι επιστημονικοί κλάδοι να σχηματίζονται σε στρώματα, όπως τα γεωλογικά στρώματα που εμφανίζονται στο Grand Canyon.
Μεταβαίνοντας από το ένα στρώμα στο άλλο, βλέπουμε παραδείγματα εμφάνισης και αναγωγισμού, αυτές οι δύο πρωταρχικές οργανωτικές αρχές της σύγχρονης επιστήμης. Κάνοντας σμίκρυνση, βλέπουμε νέα μοτίβα να «αναδύονται» από την περίπλοκη συμπεριφορά μεμονωμένων δομικών στοιχείων. Οι βιοχημικές αντιδράσεις δημιουργούν αισθανόμενα όντα. Μεμονωμένοι οργανισμοί συγκεντρώνονται σε οικοσυστήματα. Εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια ενώνονται για να κάνουν μεγαλειώδεις στροβιλισμούς γαλαξιών.
Καθώς αντιστρέφουμε και έχουμε μια μικροσκοπική άποψη, βλέπουμε τον αναγωγισμό να λειτουργεί. Τα περίπλοκα μοτίβα διαλύονται σε υποκείμενα απλά κομμάτια. Η ζωή περιορίζεται στις αντιδράσεις μεταξύ DNA, RNA, πρωτεϊνών και άλλων οργανικών μορίων. Η πολυπλοκότητα της χημείας ισοπεδώνεται στην κομψή ομορφιά του κβαντομηχανικού ατόμου. Και, τέλος, το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής συλλαμβάνει όλα τα γνωστά συστατικά της ύλης και της ακτινοβολίας σε τέσσερις μόνο δυνάμεις και 17 στοιχειώδη σωματίδια.
Ποια από αυτές τις δύο επιστημονικές αρχές, ο αναγωγισμός ή η εμφάνιση, είναι πιο ισχυρή; Οι παραδοσιακοί φυσικοί των σωματιδίων θα υποστήριζαν τον αναγωγισμό. φυσικοί συμπυκνωμένης ύλης, που μελετούν πολύπλοκα υλικά, για την ανάδυση. Όπως διατυπώθηκε από τον βραβευμένο με Νόμπελ (και σωματιδιακό φυσικό) David Gross:Πού στη φύση βρίσκετε την ομορφιά και πού τα σκουπίδια;
Ρίξτε μια ματιά στην πολυπλοκότητα της πραγματικότητας γύρω μας. Παραδοσιακά, οι φυσικοί των σωματιδίων εξηγούν τη φύση χρησιμοποιώντας μια χούφτα σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους. Αλλά οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης ρωτούν:Τι γίνεται με ένα καθημερινό ποτήρι νερό; Η περιγραφή των κυματισμών της επιφάνειάς του ως προς τις κινήσεις των περίπου 10 μεμονωμένων μορίων νερού - πόσο μάλλον των στοιχειωδών σωματιδίων τους - θα ήταν ανόητο. Αντί για τις αδιαπέραστες πολυπλοκότητες σε μικρές κλίμακες (τα «σκουπίδια») που αντιμετωπίζουν οι παραδοσιακοί φυσικοί των σωματιδίων, οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης χρησιμοποιούν τους αναδυόμενους νόμους, την «ομορφιά» της υδροδυναμικής και της θερμοδυναμικής. Στην πραγματικότητα, όταν παίρνουμε τον αριθμό των μορίων στο άπειρο (το ισοδύναμο του μέγιστου σκουπιδιού από μια αναγωγική άποψη), αυτοί οι νόμοι της φύσης γίνονται ευκρινείς μαθηματικές δηλώσεις.
Ενώ πολλοί επιστήμονες επαινούν τη φαινομενικά επιτυχημένη αναγωγική προσέγγιση των περασμένων αιώνων, ο John Wheeler, ο επιδραστικός φυσικός του Πανεπιστημίου του Πρίνστον του οποίου η εργασία άγγιξε θέματα από την πυρηνική φυσική έως τις μαύρες τρύπες, εξέφρασε μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση. «Κάθε νόμος της φυσικής, ωθημένος στα άκρα, θα βρεθεί ότι είναι στατιστικός και κατά προσέγγιση, όχι μαθηματικά τέλειος και ακριβής», είπε. Ο Wheeler επεσήμανε ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των αναδυόμενων νόμων:Η κατά προσέγγιση φύση τους επιτρέπει μια συγκεκριμένη ευελιξία που μπορεί να φιλοξενήσει τη μελλοντική εξέλιξη.
Από πολλές απόψεις, η θερμοδυναμική είναι ο χρυσός κανόνας ενός αναδυόμενου νόμου, που περιγράφει τη συλλογική συμπεριφορά ενός μεγάλου αριθμού σωματιδίων, ανεξάρτητα από πολλές μικροσκοπικές λεπτομέρειες. Καταγράφει μια εκπληκτικά μεγάλη κατηγορία φαινομένων σε συνοπτικούς μαθηματικούς τύπους. Οι νόμοι έχουν μεγάλη καθολικότητα — πράγματι, ανακαλύφθηκαν πριν καν δημιουργηθεί η ατομική βάση της ύλης. Και δεν υπάρχουν κενά. Για παράδειγμα, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η εντροπία ενός συστήματος - ένα μέτρο της ποσότητας κρυμμένων μικροσκοπικών πληροφοριών - θα αυξάνεται πάντα με την πάροδο του χρόνου.
Η σύγχρονη φυσική παρέχει μια ακριβή γλώσσα για την αποτύπωση του τρόπου με τον οποίο τα πράγματα κλιμακώνονται:τη λεγόμενη ομάδα επανακανονικοποίησης. Αυτός ο μαθηματικός φορμαλισμός μας επιτρέπει να πηγαίνουμε συστηματικά από το μικρό στο μεγάλο. Το ουσιαστικό βήμα είναι η λήψη μέσων. Για παράδειγμα, αντί να εξετάζουμε τη συμπεριφορά μεμονωμένων ατόμων που αποτελούν την ύλη, μπορούμε να πάρουμε μικρούς κύβους, ας πούμε πλάτους 10 ατόμων σε κάθε πλευρά, και να πάρουμε αυτούς τους κύβους ως τα νέα μας δομικά στοιχεία. Στη συνέχεια, μπορεί κανείς να επαναλάβει αυτή τη διαδικασία υπολογισμού του μέσου όρου. Είναι σαν για κάθε φυσικό σύστημα να κάνει κανείς μια μεμονωμένη Δυνάμεις του δέκα ταινία.
Η θεωρία επανακανονικοποίησης περιγράφει λεπτομερώς πώς αλλάζουν οι ιδιότητες ενός φυσικού συστήματος εάν αυξηθεί η κλίμακα μήκους στην οποία γίνονται οι παρατηρήσεις. Ένα διάσημο παράδειγμα είναι το ηλεκτρικό φορτίο των σωματιδίων που μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί ανάλογα με τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις. Ένα κοινωνιολογικό παράδειγμα είναι η κατανόηση της συμπεριφοράς ομάδων διαφόρων μεγεθών ξεκινώντας από την ατομική συμπεριφορά. Υπάρχει σοφία στα πλήθη ή οι μάζες συμπεριφέρονται λιγότερο υπεύθυνα;
Πιο ενδιαφέροντα είναι τα δύο τελικά σημεία της διαδικασίας επανακανονικοποίησης:το άπειρο μεγάλο και το άπειρο μικρό. Εδώ τα πράγματα θα απλοποιηθούν συνήθως επειδή είτε όλες οι λεπτομέρειες ξεπλένονται είτε το περιβάλλον εξαφανίζεται. Βλέπουμε κάτι τέτοιο με τις δύο καταλήξεις cliffhanger στο Powers of Ten. Τόσο οι μεγαλύτερες όσο και οι μικρότερες δομές του σύμπαντος είναι εκπληκτικά απλές. Εδώ βρίσκουμε τα δύο «τυποποιημένα μοντέλα», της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας.
Αξιοσημείωτα, οι σύγχρονες γνώσεις σχετικά με την πιο τρομερή πρόκληση στη θεωρητική φυσική - την ώθηση για ανάπτυξη μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας - χρησιμοποιούν τόσο την αναγωγική όσο και την αναδυόμενη προοπτική. Παραδοσιακές προσεγγίσεις της κβαντικής βαρύτητας, όπως η θεωρία των διαταραχών χορδών, προσπαθούν να βρουν μια πλήρως συνεπή μικροσκοπική περιγραφή όλων των σωματιδίων και δυνάμεων. Μια τέτοια «τελική θεωρία» περιλαμβάνει αναγκαστικά μια θεωρία των βαρυτονίων, των στοιχειωδών σωματιδίων του βαρυτικού πεδίου. Για παράδειγμα, στη θεωρία χορδών, το graviton σχηματίζεται από μια χορδή που δονείται με συγκεκριμένο τρόπο. Μία από τις πρώτες επιτυχίες της θεωρίας χορδών ήταν ένα σχέδιο για τον υπολογισμό της συμπεριφοράς τέτοιων βαρυτονίων.
Ωστόσο, αυτή είναι μόνο μια μερική απάντηση. Ο Αϊνστάιν μας δίδαξε ότι η βαρύτητα έχει πολύ ευρύτερο πεδίο εφαρμογής:Ασχολείται με τη δομή του χώρου και του χρόνου. Σε μια κβαντομηχανική περιγραφή, ο χώρος και ο χρόνος θα έχαναν το νόημά τους σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις και χρονικές κλίμακες, εγείροντας το ερώτημα τι αντικαθιστά αυτές τις θεμελιώδεις έννοιες.
Μια συμπληρωματική προσέγγιση για το συνδυασμό βαρύτητας και κβαντικής θεωρίας ξεκίνησε με τις πρωτοποριακές ιδέες των Jacob Bekenstein και Stephen Hawking σχετικά με το περιεχόμενο πληροφοριών των μαύρων τρυπών τη δεκαετία του 1970 και δημιουργήθηκε με το θεμελιώδες έργο του Juan Maldacena στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Σε αυτή τη διατύπωση, ο κβαντικός χωροχρόνος, συμπεριλαμβανομένων όλων των σωματιδίων και των δυνάμεων σε αυτόν, προκύπτει από μια εντελώς διαφορετική «ολογραφική» περιγραφή. Το ολογραφικό σύστημα είναι κβαντομηχανικό, αλλά δεν έχει καμία ρητή μορφή βαρύτητας σε αυτό. Επιπλέον, έχει συνήθως λιγότερες χωρικές διαστάσεις. Το σύστημα, ωστόσο, διέπεται από έναν αριθμό που μετρά πόσο μεγάλο είναι το σύστημα. Αν κάποιος αυξήσει αυτόν τον αριθμό, η προσέγγιση σε ένα κλασικό βαρυτικό σύστημα γίνεται πιο ακριβής. Στο τέλος, ο χώρος και ο χρόνος, μαζί με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αναδύονται από το ολογραφικό σύστημα. Η διαδικασία είναι παρόμοια με τον τρόπο που οι νόμοι της θερμοδυναμικής αναδύονται από τις κινήσεις μεμονωμένων μορίων.
Κατά κάποιο τρόπο, αυτή η άσκηση είναι ακριβώς το αντίθετο από αυτό που προσπάθησε να πετύχει ο Αϊνστάιν. Στόχος του ήταν να οικοδομήσει όλους τους νόμους της φύσης από τη δυναμική του χώρου και του χρόνου, ανάγοντας τη φυσική σε καθαρή γεωμετρία. Για αυτόν, ο χωροχρόνος ήταν το φυσικό «εδαφικό επίπεδο» στην άπειρη ιεραρχία των επιστημονικών αντικειμένων - ο πυθμένας του Γκραν Κάνυον. Η παρούσα άποψη σκέφτεται τον χωροχρόνο όχι ως σημείο εκκίνησης, αλλά ως τελικό σημείο, ως μια φυσική δομή που αναδύεται από την πολυπλοκότητα των κβαντικών πληροφοριών, όπως ακριβώς η θερμοδυναμική που κυβερνά το ποτήρι του νερού μας. Ίσως, εκ των υστέρων, δεν ήταν τυχαίο ότι οι δύο φυσικοί νόμοι που άρεσε περισσότερο στον Αϊνστάιν, η θερμοδυναμική και η γενική σχετικότητα, έχουν κοινή προέλευση ως αναδυόμενα φαινόμενα.
Κατά κάποιο τρόπο, αυτός ο εκπληκτικός συνδυασμός ανάδυσης και αναγωγικότητας επιτρέπει σε κάποιον να απολαμβάνει τα καλύτερα και των δύο κόσμων. Για τους φυσικούς, η ομορφιά βρίσκεται και στα δύο άκρα του φάσματος.
