Γιατί οι θεωρίες των πάντων είναι κακοσχεδιασμένες

Η αστυνομία δεν συμπάσχει συχνά με τους οδηγούς που υπερβαίνουν την ταχύτητα, αλλά αν είστε φυσικός της κβαντικής βαρύτητας που αποσπάστηκε από μια μεγάλη θεοφάνεια ενώ οδηγείτε τη νύχτα, ίσως έχετε περισσότερες πιθανότητες. «Ο Ιταλός αστυνομικός με ρώτησε ευγενικά αν ήμουν τρελός να οδηγώ με αυτή την ταχύτητα», γράφει ο Ιταλός φυσικός Carlo Rovelli στο νέο του βιβλίο Η πραγματικότητα δεν είναι αυτό που φαίνεται:Το ταξίδι στην κβαντική βαρύτητα . "Εξήγησα ότι μόλις είχα βρει την ιδέα που έψαχνα τόσο καιρό."

Θεοφάνεια του Ροβέλι; Ανακαλύψτε πώς να γράψετε ένα βιβλίο για την κβαντική βαρύτητα για ένα δημοφιλές κοινό. Ήταν αρκετό για τον αστυνομικό, ο οποίος ευχήθηκε καλή επιτυχία σε έναν Rovelli χωρίς εισιτήριο.

Καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille στη νοτιοανατολική Γαλλία, ο Rovelli είναι ένας από τους πρωτοπόρους της θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας βρόχου, η οποία οραματίζεται το διάστημα ως ένα υφαντό δίκτυο σχεδόν απειροελάχιστων βρόχων, με τη σειρά των «δονούμενων χορδών» στο θεωρία χορδών. Στο Η πραγματικότητα δεν είναι αυτό που φαίνεται , καταγράφει πώς έχει μεταμορφωθεί η κατανόησή μας για την πραγματικότητα, ξεκινώντας από τις ιδέες των Αρχαίων Ελλήνων μέχρι τις δικές του—και των συν-σκεπτών του, όπως ο Lee Smolin—σήμερα.

Όπως το βλέπει ο Rovelli, οι σύγχρονοι φυσικοί δεν πρέπει να ξοδεύουν τον χρόνο τους φιλόδοξα επιχειρώντας μια ενιαία «θεωρία των πάντων». Δεν υπάρχουν ακόμη αρκετά δεδομένα. «Απλώς δεν ξέρουμε τι υπάρχει εκεί έξω», είπε ο Ροβέλι.

Στην πρόσφατη συζήτησή μας, ο Rovelli συζήτησε τις θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, την ανυπαρξία χώρου και χρόνου και αν οι άνθρωποι θα καταλάβουν ποτέ πραγματικά το παράξενο της κβαντικής μηχανικής.

Πότε ξεκινήσατε να εξερευνάτε τις ιδέες γύρω από την κβαντική βαρύτητα;

Πολύ νωρίς. Ήμουν φοιτητής, αλλά ήμουν καθυστερημένος φοιτητής με την έννοια ότι αφιέρωσα λίγο χρόνο πριν αποφασίσω να πάω στη φυσική. Έπεσα πάνω σε ένα άρθρο ανασκόπησης του Chris Isham, ενός Βρετανού φυσικού εκείνη την εποχή, στη σχολή της κβαντικής βαρύτητας. Ήταν λίγο πρόωρο γιατί δεν καταλάβαινα πολλά, αλλά το πρόβλημα ακουγόταν απολύτως, θεαματικά όμορφο, και έχω δουλέψει στην κβαντική βαρύτητα από εκείνη τη στιγμή.

Πώς περιγράφετε τη θεωρία "βρόχου κβαντικής βαρύτητας";

Νομίζω ότι είναι λίγο πιο ξεκάθαρο να πούμε πρώτα τι δεν είναι. Δεν είναι θεωρία των πάντων. Δεν είναι μια ενοποιημένη θεωρία. Δεν προσποιείται ότι είναι το τέλος της φυσικής, ότι επιτέλους τα βρήκαμε όλα. Δεν έχει καθόλου αυτή τη δυνατότητα. Έχει την ελπίδα να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα:τις κβαντικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου. Γνωρίζουμε ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι σταθερά πράγματα. Είναι δυναμικά και υπακούουν στην κβαντική μηχανική. Αλλά δεν υπάρχει ακόμη μια σαφής συναινετική θεωρία για το πώς το κάνουν αυτό.

Πώς διαφέρει η κβαντική βαρύτητα βρόχου από τη θεωρία χορδών;

Η θεωρία χορδών - είναι πολύ πιο φιλόδοξη. Δεν ξεκίνησε ως θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Ξεκίνησε ως μια προσπάθεια να είναι μια ενοποιημένη θεωρία αλληλεπιδράσεων χωρίς βαρύτητα. Η θεωρία χορδών λειτουργεί με τρόπο που ελπίζει επίσης να παρέχει μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, επομένως θα έλυνε το πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας. Είναι πολύ μακριά από το να είμαι εκεί, θα έλεγα. Λίγοι άνθρωποι εξακολουθούν να εργάζονται πάνω σε αυτό—στην πραγματική προσπάθεια να κατανοήσουν τα θεμέλια της θεωρίας και να κατανοήσουν τα θεμέλια του τρόπου περιγραφής του κβαντικού χώρου και του κβαντικού χρόνου.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχου είναι πολύ διαφορετική ως προς το πνεύμα επειδή είναι καλά εστιασμένη και, σε αντίθεση με τη θεωρία χορδών σήμερα, είναι μια καλά καθορισμένη θεωρία. Στην κβαντική βαρύτητα βρόχου, γνωρίζουμε τις βασικές εξισώσεις. Μπορεί να τσακωθούμε μεταξύ μας για το αν πρέπει να το αλλάξουμε αυτό σε αυτό, αλλά υπάρχει μια αίσθηση ότι οι βασικές εξισώσεις είναι σαφείς. υπάρχει ένα σύνολο αρχών που είναι σαφείς. Αυτή είναι μια πιο συμπαγής θεωρία:καλύτερα ορισμένη και πιο εστιασμένη στη λεπτομέρεια.

Είναι δυνατή μια ενοποιημένη θεωρία της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής;

Λοιπόν, δεν βλέπω ενδείξεις ότι είμαστε κοντά σε αυτό. Για παράδειγμα, η σκοτεινή ύλη, μια τεράστια ποσότητα ύλης έξω στο σύμπαν - δεν έχουμε ιδέα ακόμα τι είναι. Προσπαθώντας να βρω μια ενοποιημένη θεωρία χωρίς να ξέρω τι υπάρχει εκεί έξω - μου φαίνεται πολύ πρόωρο. Δεν είμαστε κοντά στο τέλος της αμφισβήτησης του σύμπαντος. Υπάρχουν ακόμα πολλά πράγματα που δεν γνωρίζουμε ακόμα. Ο Αϊνστάιν κάποια στιγμή προσπάθησε να γράψει μια ενοποιημένη θεωρία. Δεν γνώριζε την ύπαρξη αδύναμων και ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Αυτές οι προσπάθειες, από αυτή την προοπτική, ήταν εντελώς άστοχες, επειδή ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι ένα κομμάτι της ηλεκτρο-ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Νομίζω ότι βρισκόμαστε σε παρόμοια κατάσταση. Γνωρίζουμε τη γενική σχετικότητα. Γνωρίζουμε την κβαντική μηχανική. Τι κρατά μαζί τα πρωτόνια στα άτομα; Τι κρατά μαζί τα πρωτόνια των κουάρκ; Αυτές είναι καλά καθορισμένες ιδιότητες. Κβαντική βαρύτητα - είναι το σκυρόδεμα. Τι συμβαίνει στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας; Κανείς δεν ξέρει τι συμβαίνει. Γιατί; Γιατί η βαρύτητα γίνεται κβαντική. Τι συνέβη στην αρχή του σύμπαντος; Κανείς δεν ξέρει γιατί η βαρύτητα ήταν κβαντική εκεί. Χρειαζόμαστε λοιπόν μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Δεν οδηγείται από μεγάλα όνειρα. Οφείλεται σε συγκεκριμένα φυσικά προβλήματα και συγκεκριμένες ασυνέπειες σε ένα σύνολο θεωριών που λειτουργούν καλά.

Έχετε πει στο παρελθόν ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν "υπάρχουν πραγματικά". Γιατί να το πούμε αυτό;

Στο σχολείο μελετάμε ότι ο σταθερός χώρος είναι σαν ένα τραπέζι πάνω από το οποίο συμβαίνουν πράγματα και απλά περνάει ο χρόνος. Έχουμε αυτή την ποσοτική άποψη από τον Νεύτωνα. Με τον Αϊνστάιν καταλαβαίνουμε ότι αυτό το δοχείο είναι στην πραγματικότητα ένα ενεργό πράγμα στο σύμπαν. Ο χώρος και ο χρόνος, όπως είπε ο Αϊνστάιν, είναι σαν μια μεγάλη μέδουσα στην οποία είμαστε βυθισμένοι. Αυτή η θεωρία έχει σταθεί. Ξέρουμε λοιπόν ότι όλο αυτό το δυναμικό υλικό είναι κβαντικό. Χρειαζόμαστε μια κβαντική περιγραφή αυτής της μέδουσας, αλλά μια κβαντική περιγραφή σημαίνει ότι δεν μπορούμε να τη σκεφτούμε πλέον ως κάτι σταθερό και σταθερό.

Πρέπει να το σκεφτούμε σαν ένα κβαντικό ηλεκτρόνιο:κάτι που μπορεί να ανοίξει και να εξαπλωθεί σε ένα σύννεφο πιθανοτήτων—όπως το σύννεφο πιθανοτήτων στην κβαντομηχανική. Ένα σύννεφο πιθανοτήτων στο διάστημα είναι πληθυντικός και ο χρόνος είναι πληθυντικός, επομένως δεν μπορούμε πλέον να σκεφτόμαστε το σύμπαν ως περιέχεται σε ένα μόνο χώρο σε έναν μόνο χρόνο. Χρειαζόμαστε κάτι πιο πλούσιο. Δεν είναι ότι η αίσθηση του χώρου και του χρόνου είναι λάθος. είναι απλώς ότι είναι κατά προσέγγιση, και η φύση είναι πολύ πιο πλούσια από αυτό. Γι' αυτό.

Ο νομπελίστας φυσικός Steven Weinberg έγραψε πρόσφατα στο New York Review of Books , «Δεν υπάρχει κανένα επιχείρημα για το πώς να χρησιμοποιήσετε την κβαντική μηχανική, μόνο πώς να περιγράψετε τι σημαίνει. Ίσως λοιπόν το πρόβλημα να είναι μόνο ένα από τα λόγια». Έχει δίκιο;

Δεν μου αρέσει στο όραμά του να μην καταλαβαίνουμε την κβαντική μηχανική. Όχι — το χρησιμοποιούμε για να εξηγήσουμε τον κόσμο. Όταν βγαίνουν νέες ιδέες, είναι πολύ αντιφατικές. Όταν ανακαλύψαμε ότι η Γη ήταν στρογγυλή, η ιδέα ότι οι άνθρωποι ήταν ανάποδα στις πλευρές της Γης δεν ήταν η πιο λογική ιδέα συγκριτικά. Τώρα είναι. Νομίζω ότι η κβαντομηχανική απαιτεί περισσότερη συζήτηση, αλλά θα το καταλάβουμε καλά, νομίζω.

Το 1965, ο Ρίτσαρντ Φάινμαν είπε, «Μπορώ να πω με ασφάλεια ότι κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντική μηχανική». Πιστεύετε ότι θα το κάνουμε ποτέ;

Είναι δυνατόν. Νομίζω ότι είναι δυνατό. Αλλά νομίζω ότι ο Φάινμαν έκανε μια πολύ καλή άποψη, γιατί εκείνη την εποχή οι άνθρωποι ήταν πολύ καβαλάρηδες σχετικά με την κβαντική μηχανική. «Ω ναι, το καταλαβαίνουμε». Το θέμα του ήταν ότι κανείς, προς το παρόν, δεν το καταλαβαίνει. Νομίζω ότι ο Φάινμαν θα ήταν πολύ θυμωμένος αν κάποιος τον ερμήνευε λέγοντας ότι δεν θα το καταλάβουμε ποτέ. Είναι ο πρωταθλητής του «θα καταλάβουμε». Και θα το κάνουμε, νομίζω.

Ο Cody Delistraty είναι συγγραφέας και ιστορικός με έδρα το Παρίσι. Γράφει για βιβλία, πολιτισμό και ενδιαφέροντες ανθρώπους για μέρη όπως το  The New York Times,  The New Yorker, The Paris Review, και Αιών. Ακολουθήστε τον στο Twitter  @Delistraty.

ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ:  Ο Robbert Dijkgraaf, διευθυντής του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, σχετικά με το γιατί θα προκύψει μια θεωρία των πάντων.

Η κύρια εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Charis Tsevis μέσω του Flickr.