Οι φυσικοί θρηνούν τον Joe Polchinski, προγραμματιστή των Deep Ideas and Paradoxes
Στη φυσική, μερικές φορές σημειώνουμε πρόοδο μέσω σύγκρουσης. Τα πειράματα σκέψης αποκαλύπτουν φαινομενικές αντιφάσεις που οξύνουν τις θεωρίες μας. Επιπλέον, υπάρχει συχνά μια αντιστάθμιση μεταξύ της ακρίβειας ενός υπολογισμού και της συνάφειάς του με έναν τελικό στόχο.
Ο φυσικός Joe Polchinski ήταν η σπάνια εξαίρεση που συχνά κατάφερνε να αποφύγει τέτοιου είδους συμβιβασμούς. Ανέπτυξε συγκεκριμένες μεθόδους που σχετίζονται με μεγάλα προβλήματα. Είχε επίσης την ικανότητα να αποκαλύπτει γόνιμες συγκρούσεις, συγκεντρώνοντας τα δικά του εκτεταμένα, σχεδόν αντιφατικά ταλέντα.
Ο Τζο ήταν ριζικά συντηρητικός, ακολουθώντας καλά υποστηριζόμενες φυσικές αρχές στα λογικά τους συμπεράσματα, όσο ακραία ή έκπληξη κι αν ήταν. Λιγότερο προσεκτικός σε ένα ποδήλατο δρόμου, θα γκρέμιζε μια κατάβαση. Ήταν ασεβής αλλά αξιοπρεπής, πραγματιστής αλλά θετικός. Αν και ανταγωνιστικός, ήταν ένα τέλειο καλό άθλημα που χαιρόταν με τις επιτυχίες των άλλων. Η κοινότητα αναστατώνεται από την απώλεια ενός τόσο λαμπρού φυσικού και εξαιρετικού ανθρώπου. Ο Τζο πέθανε νωρίτερα αυτό το μήνα από καρκίνο στον εγκέφαλο σε ηλικία 63 ετών.
Ο Polchinski είχε τεράστιο αντίκτυπο, όχι μόνο στη θεωρητική φυσική αλλά και σε άλλους φυσικούς. Θυμάμαι απολαυστικά συνοπτικές συζητήσεις όπου βάζουμε το δάχτυλό μας στην ουσιαστική ουσία ενός προβλήματος μέσα σε λίγα λεπτά. Ίσως αυτή η αποτελεσματικότητα βοηθά στο να εξηγήσει πώς μπόρεσε να ξεπεράσει τους περιορισμένους κύκλους στους οποίους δραστηριοποιούνται οι περισσότεροι επιστήμονες. Εργαζόμενος τα τελευταία 25 χρόνια στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, αλληλεπιδρούσε ουσιαστικά με μεγάλο μέρος της κοινότητας της θεωρητικής φυσικής παγκοσμίως, έχοντας επίγνωση του γεγονότος ότι σημαντικές γνώσεις προέρχονται από όλες τις πλευρές.
Σε μια πρώιμη εργασία, ο Joe εξήγαγε μια ακριβή εξίσωση για τον χαρακτηρισμό του τρόπου με τον οποίο ορισμένα κβαντικά συστήματα συμπεριφέρονται σε διαφορετικές κλίμακες μήκους, προσδιορίζοντας ποιες μεταβλητές παραμένουν σημαντικές ακόμα και όταν κάνετε σμίκρυνση. Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα προκλητικό σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης όπως τα μέταλλα. Οι διαλέξεις του Joe το 1992 παραμένουν κλασικές για αυτό το θέμα, στο οποίο επέστρεψε επανειλημμένα, εφαρμόζοντας νέα εργαλεία για να επιτεθεί σε περίπλοκες περιπτώσεις στις οποίες τα συστατικά ενός υλικού αλληλεπιδρούν πολύ έντονα.
Γύρω στο 1995, ο Polchinski έκανε μια ευρεία ανακάλυψη που διαπερνά τη θεωρία χορδών και τους σχετικούς τομείς της φυσικής. Ξεκίνησε με μια τεχνική παρατήρηση. Παρατήρησε ότι οι χορδές - οι μονοδιάστατες γραμμές των οποίων οι καταστάσεις δόνησης αντιστοιχούν θεωρητικά σε διαφορετικά σωματίδια - μπορούν να τελειώνουν σε δυναμικά αντικείμενα υψηλότερης διάστασης. Αυτά τα αντικείμενα, που ονομάζονται D-branes, παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην ενοποίηση διαφορετικών εκδοχών της θεωρίας χορδών. Εκτείνονται σε ορισμένες κατευθύνσεις και εντοπίζονται έντονα σε άλλες. Ως αποτέλεσμα, μας βοηθούν να ανιχνεύσουμε τη γεωμετρία του χωροχρόνου ακόμη και σε περιοχές όπου γίνεται πολύ καμπύλη, όπως σε προβληματικά σημεία γνωστά ως μοναδικότητες.
Οι D-branes παίζουν σημαντικό ρόλο στη θεωρητική φυσική της μαύρης τρύπας, ένα άλλο μακροχρόνιο ενδιαφέρον του Joe. Ερευνητές στη δεκαετία του 1970 υπολόγισαν ότι η αύξηση της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας αντιστοιχεί στην αύξηση του μεγέθους του ορίζοντά της. Στη συνηθισμένη θερμοδυναμική, η εντροπία είναι μια καταμέτρηση όλων των διαφορετικών πιθανών μικροσκοπικών διαμορφώσεων ενός συστήματος. Σύντομα έγινε κατανοητό ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας αντιστοιχεί σε μετρήσιμες διαμορφώσεις D-branes, τουλάχιστον σε θεωρητικές μαύρες τρύπες με επιπλέον συμμετρίες που επιτρέπουν ακριβείς υπολογισμούς.
Οι χορδές που καταλήγουν στις βράνες συμπεριφέρονται σαν σωματίδια σε μεγάλες αποστάσεις και μπορούν να περιγραφούν από την κβαντική θεωρία πεδίου (όπου τα σωματίδια είναι διεγέρσεις πεδίων). Αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη της λεγόμενης αντιστοιχίας AdS/CFT, μιας ακριβούς σύνδεσης μεταξύ της κβαντικής θεωρίας πεδίου και της κβαντικής βαρύτητας σε ειδικές χωροχρονικές γεωμετρίες. Αυτή η αλληλογραφία έχει δημιουργήσει τεράστιο όγκο έρευνας, συμπεριλαμβανομένων πληροφοριών σχετικά με τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις που διέπουν τους ατομικούς πυρήνες.
Στην πρώτη μας συνεργασία - δείχνοντας ότι οι αστάθειες που φαινόταν σαν ενόχληση στη θεωρία χορδών έπαιξαν πραγματικά θετικό ρόλο επιλύοντας χωροχρονικές ιδιομορφίες - οι D-branes ήταν χρήσιμες, αλλά ο Joe δεν ήταν υπερβολικά μερικός σε αυτές. Πριν από χρόνια, παρατήρησε ότι το να ανησυχείς πόσες φορές έχουν αναφερθεί τα χαρτιά σου «είναι αντίθετο με την πραγματικά δημιουργική δουλειά». Ξεκίνησε περισσότερο από το μερίδιό του σε μόνιμες εξελίξεις χωρίς να ακολουθεί τις τάσεις ή να μπει σε χαρακιές.
Σε σημαντικό πρόσφατο έργο, ο Polchinski αναζωογόνησε ένα παλιό παράδοξο σχετικά με τις μαύρες τρύπες. Οι κβαντικές διακυμάνσεις κοντά στους ορίζοντες των μαύρων τρυπών προκαλούν την αργή εξάτμισή τους μέσω θερμικής ακτινοβολίας. Οι θεωρητικοί προσπάθησαν εδώ και καιρό να καταλάβουν πώς οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται με τρόπο που να διατηρεί πληροφορίες για το τι έπεσε μέσα, όπως απαιτείται από την κβαντική μηχανική. Το 2012, ο Joe και οι συνεργάτες του όξυναν αυτό το πρόβλημα, διαπιστώνοντας ότι είτε η γενική σχετικότητα είτε η ίδια η κβαντική μηχανική πρέπει να καταρρεύσει. Πρότειναν ότι ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας θα μπορούσε να αντικατασταθεί από ένα αδιαπέραστο «τείχος προστασίας». Ακολούθησε μια έκρηξη εργασίας σχετικά με τα θεωρητικά θεμέλια του παραδόξου του τείχους προστασίας, όπως είναι γνωστό, συμπεριλαμβανομένης της σχέσης μεταξύ της εντροπίας και της χωροχρονικής φυσικής, της εξέλιξης συστημάτων πολλών σωμάτων και αλληλεπιδράσεων μεγάλης εμβέλειας στη θεωρία χορδών.
Πριν από περίπου 20 χρόνια, οι αστροφυσικοί ανακάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, οδηγούμενη από μια απίστευτα μικρή πηγή ενέργειας που εγχέεται στο διάστημα, γνωστή ως κοσμολογική σταθερά. Τις τελευταίες δεκαετίες, εκτεταμένα στοιχεία παρατήρησης έχουν αυξηθεί για την ιδέα ότι το σύμπαν επεκτάθηκε ακόμη πιο γρήγορα πολύ νωρίς στην ιστορία του, σε μια διαδικασία γνωστή ως πληθωρισμός. Τα στοιχεία της θεωρίας χορδών που ανέπτυξε ο Τζο είναι εγγενή στις πρόσφατες προσπάθειες για την καλύτερη κατανόηση του πώς συνέβη ο πληθωρισμός και γιατί η κοσμολογική σταθερά είναι τόσο μικρή.
Για παράδειγμα, διακριτικά αντικείμενα που ο Joe ονομάζεται «orientifolds» μπορεί να συμβάλλουν σε τοπικές βυθίσεις στη δυναμική ενέργεια των πεδίων που διαπερνούν το διάστημα. Οι βυθίσεις θα ήταν σημαντικές για τη σταθεροποίηση των πεδίων κατά τη διάρκεια της επιταχυνόμενης επέκτασης. Γενικεύσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, που σχετίζονται με φορτισμένες D-branes, εμφανίζονται επίσης σε πολλά μοντέλα επιταχυνόμενης διαστολής. Οι ίδιες οι D-branes μπορεί να φιλοξενούν ή να αλληλεπιδρούν με το «πεδίο φουσκώματος», ένα πεδίο του οποίου η αργή αραίωση ενέργειας τροφοδοτεί τον πληθωρισμό. Πολλά από αυτά τα σενάρια χρησιμοποιούν μια λεπτομερή μέθοδο σταθεροποίησης πεδίων που αναπτύχθηκε από τον Joe και τους συνεργάτες του, οι οποίοι συνδύασαν γόνιμα στοιχεία της αντιστοιχίας AdS/CFT με τη βαρύτητα στον τετραδιάστατο κόσμο μας.
Ο συνολικός αριθμός λύσεων στις εξισώσεις της θεωρίας χορδών δεν περιορίζεται με κανένα γνωστό τρόπο, αν και η δομή τους είναι πολύ περιορισμένη. Το προκύπτον «τοπίο» πιθανών συμπάντων με διαφορετικές ιδιότητες είναι ένας πλούσιος στίβος έρευνας, γεμάτος όμορφες φυσικές και μαθηματικές. Οδηγεί σε προκλητικές εννοιολογικές ερωτήσεις και σε κάποιες διαμάχες.
Σε θεμελιώδη εργασία το 2000, ο Polchinski και ένας συνεργάτης του υποστήριξαν ότι η πληθώρα των λύσεων της θεωρίας χορδών επιτρέπει την ερμηνεία της μικρής τιμής της κοσμολογικής σταθεράς ως αποτέλεσμα επιλογής. Δηλαδή, μια σημαντικά μεγαλύτερη τιμή δεν θα ήταν συνεπής με την ύπαρξή μας - θα είχε προκαλέσει την πολύ γρήγορη επιτάχυνση του χωροχρόνου για να σχηματιστούν δομές - επομένως είναι λογικό να κατοικούμε σε ένα σύμπαν με μια μικρή κοσμολογική σταθερά. Άλλα σύμπαντα με διαφορετικές ιδιότητες (που αποτελούν ένα "πολύσύμπαν") δεν είναι γενικά ορατά, εγείροντας ανησυχίες σχετικά με το πώς μπορούν να δοκιμαστούν τέτοιες ιδέες. Από την άλλη πλευρά, το τοπίο των χορδών οδήγησε επίσης σε νέους τρόπους σύγκρισης των θεωριών του πληθωρισμού με τις παρατηρήσεις που γίνονται τώρα. Ο ίδιος ο Τζο σκέφτηκε εκτενώς τη δυνατότητα παρατήρησης κοσμικών χορδών — ουσιαστικά τεντωμένες χορδές στον ουρανό.
Τις εβδομάδες μετά τον θάνατο του Polchinski, υπήρξε μια έκρηξη θλίψης και εκτίμησης στο διαδίκτυο. «Οι αναμνήσεις που επιστρέφουν πιο έντονα περιλαμβάνουν την αίσθηση της διασκέδασης του Τζο, την απόλυτη έλλειψη προσποίησης και τον τρόπο που αντιμετώπιζε όλους ισότιμα», έγραψε ο Μάρκους Λούτι, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις. "Ο Τζο δεν μείωσε τα στάνταρ του για κανέναν, αλλά έκανε τους γύρω του να αισθάνονται σημαντικοί με τον έντονο τρόπο που τους ακούει και ασχολείται μαζί τους."
Μανιώδης ποδηλάτης, ο Τζο απολάμβανε επικές βόλτες με φίλους, εξερευνώντας τα ορεινά τοπία στην Καλιφόρνια, το Κολοράντο και όχι μόνο. Αυτές οι δυναμικές, έντονες περιπέτειες οδήγησαν επίσης σε περισσότερη φυσική, τουλάχιστον όταν ήταν δυνατό να γίνει μια συζήτηση. Σε μια περίπτωση, μερικοί από εμάς σχεδιάζαμε πίσω από τον Τζο, και μας οδήγησε κατά λάθος, εξηγώντας αργότερα ότι σκεφτόταν την εντροπία. Στη Σάντα Μπάρμπαρα, πήρε διάφορες ομάδες φυσικών στον Old San Marcos Road, απολαμβάνοντας την πρόοδο των νέων αναβατών. Έσπρωξε δυνατά και χειροκρότησε τους φίλους του με ενθουσιασμό είτε μπροστά είτε πίσω του στο δρόμο.
Ανησυχώ για την απώλεια της προοπτικής του, η οποία ήταν απαραίτητη κατά καιρούς καθώς το πεδίο προσπαθεί να συγκλίνει στις σωστές απαντήσεις ή, αντί για τις απαντήσεις, στο κατάλληλο επίπεδο αβεβαιότητας. Καθώς η κοινότητα θρηνεί την απώλειά του και γιορτάζει τις σημαντικές συνεισφορές του, έχουμε τη δουλειά μας — και τη διασκέδαση — να μας περιορίζει στις ερωτήσεις που άφησε πίσω του.
