Струнний пейзаж може бути захоплюючою ідеєю з повним теоретичним потенціалом, але він не передбачає нічого, що ми можемо спостерігати у нашому Всесвіті. Ця ідея краси, мотивована вирішенням «неприродних» проблем, сама по собі недостатня, щоб піднятися до рівня, необхідного науці. (Кембриджський університет)

Невже теоретична фізика втрачає наші найкращі життєві думки на дурниці?

Не існує такої речі, як теорія, яка є надто красивою, щоб помилятися, якщо вона не погоджується з експериментом.

Історія фізики наповнена чудовими ідеями, про які ви чули, як, наприклад, Стандартна модель, Великий вибух, Загальна відносність тощо. Але вона також наповнена блискучими ідеями, про які ви, мабуть, не чули, як, наприклад, модель Саката, теорія Technicolor, модель сталого стану. і плазмової космології. Сьогодні у нас є дуже модні теорії, але без жодних доказів для них: суперсиметрія, грандіозне об'єднання, теорія струн та мультисвіт.

Через те, як це поле структурується, заплутане в сукупності ідей, кар'єра в теоретичній фізиці високих енергій, яка зосереджується на цих темах, часто є успішною. З іншого боку, вибір інших тем означає, що займатися нею самостійно. Ідея "краси" або "природності" вже давно є провідним принципом у фізиці і привела нас до цього моменту. У своїй новій книзі «Загублена математика» Сабін Хоссенфелдер переконливо стверджує, що продовжувати дотримуватися цього принципу саме те, що нас збиває з шляху.

У новій книзі «Lost In Math» йдеться про деякі неймовірно великі ідеї, включаючи уявлення про те, що теоретична фізика загрожує груповим мисленням і неможливість протистояти своїм ідеям із суворим світлом реальності, що не дає (поки що) жодних доказів для їх підтримки. . (Сабін Хоссенфелдер / Основні книги)

Уявіть, що вам постала гіпотетична проблема вибору двох мільярдерів зі списку та оцінки різниці в їх чистій вартості. Уявіть, що вони анонімні, і ви не дізнаєтесь, хто з них вартий більше, де вони потрапляють до списку мільярдерів Forbes або скільки насправді коштує один на даний момент.

Першу ми можемо назвати A, другу B і різницю між ними C, де A - B = C. Навіть не маючи про них ніяких інших знань, є одна важлива річ, про яку можна сказати: дуже навряд чи це буде набагато, набагато менше, ніж A або B. Іншими словами, якщо A і B обидва в мільярдах доларів, то, ймовірно, C буде і в мільярдах, або принаймні в сотнях мільйонів.

Якщо у вас взагалі два великих числа, і ви берете їх різницю, різниця буде такою ж величиною, що й вихідні номери. (Е. Зігель / дані Forbes)

Наприклад, А може бути Пат Стрикер (№ 703 у списку), вартістю, скажімо, 3,592,327,960 доларів. І може бути Девід Геффен (№190), вартістю $ 8,467,103,235. Різниця між ними, або A - B, становить тоді - 4 874 775 275 доларів. С має 50/50 знімок як позитивний чи негативний, але в більшості випадків він має бути однакового порядку (в коефіцієнті 10 або більше) обох Aand B.

Але це не завжди буде. Наприклад, більшість із понад 2200 мільярдерів у світі коштують менше 2 мільярдів доларів, а сотні - від 1 до 1,2 мільярда доларів. Якби ви випадково вибрали два з них, це не здивувало б вас страшенно, якби різниця в їх чистій вартості становила лише кілька десятків мільйонів доларів.

Підприємці Тайлер Вінклевосс і Камерон Вінклевосс обговорюють біткойн з Марією Бартіромо на студії FOX 11 грудня 2017 року. Перші в світі

Однак, можливо, вас здивує, якщо різниця між ними складе лише кілька тисяч доларів або дорівнює нулю. "Як малоймовірно", ви думаєте. Але все-таки це не все, що малоймовірно.

Зрештою, ви не знаєте, які мільярдери були у вашому списку. Чи були б ви шоковані, коли дізнаєтесь, що близнюки Вінклевосса - Камерон і Тайлер, перші мільярдери Біткойна, - мали однакову чисту вартість? Або що брати Коллісони, Патрік та Джон (співзасновники Stripe), коштували стільки ж, скільки в декілька сотень доларів?

Ні. Це не дивно, і це викриває правду про велику кількість: загалом, якщо A великий, а B великий, то A-B також буде великий ... але це не буде, якщо є якась причина, що A і B дуже близько один від одного. Розподіл мільярдерів не зовсім випадковий, ви розумієте, і тому можуть бути деякі основні причини, щоб ці дві, здавалося б, непоєднувані речі насправді були пов'язані. (Що стосується зіткнень чи вінклевоссів, буквально!)

Маси кварків і лептонів стандартної моделі. Найважча стандартна частинка моделі - верхній кварк; найлегшим не нейтрино є електрон. Самі нейтрино принаймні в 4 мільйони разів легші за електрон: більша різниця, ніж існує між усіма іншими частинками. Весь шлях на іншому кінці шкали масштаб Планка нависає передчуттям 10¹⁹ GeV.Hitoshi Murayama з http://hitoshi.berkeley.edu/)

Ця ж властивість справедлива і у фізиці. Електрон - найлегша частинка, що складається з атомів, які ми знаходимо на Землі, більш ніж у 300 000 разів менш масивна, ніж верхній кварк, найважча частинка Стандартної моделі. Нейтрино принаймні в чотири мільйони разів легше електрона, тоді як маса Планка - так звана "природна" енергетична шкала для Всесвіту - приблизно в 10 ° (або 100 000 000 000 000 000) разів важча за верхній кварк.

Якщо ви не знали якоїсь основної причини, чому ці маси повинні бути настільки різними, ви вважаєте, що для цього були деякі причини. І, можливо, є такий. Цей тип мислення відомий як аргумент тонкої настройки або «природності». У своїй найпростішій формі він стверджує, що має бути якесь фізичне пояснення того, чому компоненти Всесвіту з дуже різними властивостями повинні мати ті відмінності між собою.

Коли відновлюються симетрії (у верхній частині потенціалу), відбувається об'єднання. Однак розрив симетрії внизу пагорба відповідає Всесвіту, який ми маємо сьогодні, укомплектованому новими видами масивних частинок. Принаймні, для деяких застосувань. (Луїс Альварес-Гаме та Джон Елліс, Природа Фізика 7, 2–3 (2011))

У 20 столітті фізики з великим ефектом використовували аргументи природності. Один із способів пояснити великі відмінності в масштабі - нав'язати симетрію з високими енергіями, а потім вивчити наслідки розриву її при меншій енергії. З цих міркувань вийшло ряд чудових ідей, зокрема у галузі фізики частинок. Калібрувальні бозони в силі електрослаблення виникали з цієї лінії думки, як і механізм Хіггса і, як було підтверджено лише кілька років тому, бозон Хіггса. Вся стандартна модель була побудована на таких типах симетрій та аргументацій природності, і природа трапилася згоди з нашими кращими теоріями.

Частинки та античастинки Стандартної моделі тепер були безпосередньо виявлені, останнє тримання - Бос Хіггса, що потрапило на LHC на початку цього десятиліття. (Е. Зігель / Поза Галактикою)

Ще одним великим успіхом стала космічна інфляція. Всесвіт потребував тонкої настройки на ранніх етапах, щоб створити Всесвіт, який ми бачимо сьогодні. Баланс між швидкістю розширення, просторовою кривизною та кількістю речовини-енергії всередині неї повинен бути надзвичайним; це здається неприродним. Космічна інфляція була запропонованим механізмом її пояснення, і з тих пір було підтверджено багато її прогнозів, таких як:

  • майже інваріантний спектр коливань,
  • існування надмірних і недостатніх над горизонтів,
  • з недосконалістю щільності, які мають адіабатичний характер,
  • і верхня межа температури, досягнутої на початку Всесвіту після Великого вибуху.
Квантові коливання, що виникають під час інфляції, розтягуються у Всесвіті, і коли інфляція закінчується, вони стають коливаннями щільності. Це призводить з часом до масштабної структури у Всесвіті сьогодні, а також до коливань температури, що спостерігаються в КМБ. (Е. Зігель, із зображеннями, отриманими з ESA / Planck та міжвідомчої робочої групи DoE / NASA / NSF для досліджень CMB)

Але, незважаючи на успіх цих аргументів природності, вони не завжди приносять свої плоди.

Існує неприродно невелика кількість порушень СР при сильних занепадах. Запропоноване рішення (нова симетрія, відома як симетрія Печчея-Квіна) не підтвердила нульових прогнозів. Різниця в масштабі мас між найважчою частинкою і шкалою Планка (проблема ієрархії) була мотивацією до суперсиметрії; Знову ж таки, його прогнози підтвердили нуль. Неприродність Стандартної моделі призвела до нових симетрій у вигляді Великого Об’єднання і, останнім часом, Теорії струн, які (знову ж таки) не підтвердили жодного свого прогнозу. І неприродно низьке, але ненульове значення космологічної константи призвело до передбачень конкретного типу мультиварки, яке навіть неможливо перевірити. Це теж, звичайно, не підтверджено.

Частинки Стандартної моделі та їх суперсиметричні аналоги. Трохи менше 50% цих частинок були виявлені, і трохи більше 50% ніколи не показали сліду, що вони існують. Після виконання I та II циклів у LHC пропала значна частина цікавого простору параметрів для SUSY, включаючи найпростіші версії, які відповідають критеріям

Але, на відміну від минулого, ці тупики продовжують представляти поля, на яких провідні теоретики та експерименталісти кластерують. Ці сліпі алеї, які не принесли плодів буквально двом поколінням фізиків, продовжують привертати фінансування та увагу, незважаючи на те, що можливо повністю відключились від реальності. У своїй новій книзі «Загублена математика» Сабін Хоссенфелдер противно ставиться до цієї кризи, опитуючи інтерв'ю основних науковців, лауреатів Нобелівської премії та (не кракпот) контраперів. Ви можете відчути її розчарування, а також відчай багатьох людей, з якими вона розмовляє. Книга відповідає на запитання: «чи дозволяли ми бажаючим подумати про те, які таємниці укриває природа нашого?» З гучним «так!»

Асиметрія між бозонами та антибозонами, що є загальною для грандіозних уніфікованих теорій, таких як SU (5) об'єднання, може призвести до принципової асиметрії між речовиною та антиматерією, подібно до того, що ми спостерігаємо у нашому Всесвіті. Однак експериментальна стійкість протона виключає найпростіші SU (5) GUT. (Е. Зігель)

Книга - це дике, глибоке, що викликає думки прочитання, яке б змусило будь-яку розумну людину в цій галузі, яка ще здатна до самоаналізу, сумніватися в собі. Ніхто не любить стикатися з можливістю розтратити своє життя, переслідуючи фантазм ідеї, але це те, що бути теоретиком. Ви бачите кілька фрагментів неповної головоломки і здогадуєтеся, що справді є повною картиною; у більшості випадків ви помиляєтесь Можливо, у цих випадках всі наші здогадки помилялися. У моєму улюбленому обміні вона бере інтерв'ю у Стівена Вайнберга, який спирається на його величезний досвід фізики, щоб пояснити, чому аргументи природності є хорошими орієнтирами для фізиків-теоретиків. Але він лише вдається переконати нас, що вони були гарними ідеями для класів проблем, які раніше їм вдалося вирішити. Немає гарантій, що вони стануть хорошими орієнтирами для поточних проблем; насправді їх, мабуть, не було.

2-D проекція колекції Калабі-Яу, один популярний метод ущільнення додаткових, небажаних розмірів теорії струн. Гіпотеза Мальдацени говорить про те, що простір анти-де Сіттера є математично подвійним щодо конформних теорій поля в одному меншому вимірі. Це може не мати ніякого значення для фізики нашого Всесвіту. (Обід користувача Wikimedia Commons)

Якщо ви фізик теоретичних частинок, теоретик струн або феноменолог - особливо якщо ви страждаєте від когнітивного дисонансу - ця книга вам не сподобається. Якщо ви справжній вірять у природність як провідне світло теоретичної фізики, ця книга буде дуже дратувати вас. Але якщо ви хтось, хто не боїться задати таке велике запитання: «чи все ми робимо неправильно?», Відповідь може бути великим, незручним «так». цей дискомфорт вже багато десятиліть. У книзі Сабін, загубленої математики, цей дискомфорт тепер стає доступним для всіх нас.

* - Повне розкриття інформації: Етан Зігель безкоштовно отримав рецензію на програму Lost In Math.

"Стартує з вибухом" зараз на Forbes, і перевидано на "Середній" завдяки нашим прихильникам Patreon. Етан є автором двох книг: «За межами Галактики» та «Трекнологія: Наука про Зоряний шлях від трикутників до варп-драйву».