Dalam artikel majalah Quanta, ahli fizik dan matematik Belanda Robbert Dijkgraaf menggunakan metafora spasial "landskap" untuk menjelaskan kepentingan revolusi teori tali untuk memahami alam semesta.
Dilema utama fizik kuantum
Bayangkan bahawa Alice dan Bob diminta untuk memasak makan malam. Alice suka makanan Cina, Bob suka makanan Itali. Masing-masing memilih resipi kegemaran mereka, membeli dari kedai tempatan, dan mengikuti arahan dengan jelas. Tetapi ketika mereka mengeluarkan makanan dari oven, kedua-duanya agak terkejut. Kedua-dua hidangan ternyata sama. Kita hanya dapat membayangkan soalan eksistensial yang ditanyakan oleh Alice dan Bob. Bagaimana ramuan yang berbeza dapat membuat hidangan yang sama? Apa maksud memasak makanan Cina atau Itali? Atau adakah mereka melakukan proses memasak dengan salah?
Ini adalah gambaran dilema pusat ahli fizik kuantum. Mereka menemui banyak contoh bagaimana dua konsep yang sama sekali berbeza dapat menggambarkan sistem fizikal yang sama. Dalam hal fizik, bukannya daging dan sos, zarah dan daya bertindak sebagai bahan, resipi adalah formula interaksi, dan proses memasak adalah prosedur diskretisasi yang meletakkan kemungkinan fenomena fizikal sesuai dengan formula. Sama seperti Alice dan Bob, para saintis kagum dengan bagaimana pelbagai resipi membawa hasil yang sama.
Adakah alam mempunyai kemampuan untuk memilih undang-undang asasnya? Albert Einstein, sejauh yang kita ketahui, percaya dalam arti bahwa hanya ada satu cara, berdasarkan beberapa prinsip asas, untuk membangun alam semesta yang berfungsi dan elegan. Dari sudut pandangannya, jika kita menyelidiki intipati fizik pada tahap yang cukup dalam, kita sampai pada kesimpulan bahawa hanya ada satu dan satu-satunya cara interaksi yang mungkin dari semua roda gigi jam sejagat - jirim, radiasi, daya, ruang dan waktu.
Teori rentetan sebagai "teori segalanya"
Video promosi:
Model standard fizik partikel semasa adalah mekanisme lengai yang terdiri daripada sekumpulan bahan yang sedikit. Tetapi, walaupun nampaknya keunikan, Alam Semesta kita hanyalah satu dari dunia yang tidak terhitung jumlahnya. Kami tidak mempunyai sedikit pun idea mengapa konfigurasi zarah dan kekuatan tertentu yang bertindak ke atasnya adalah asas susunan dunia kita.
Mengapa terdapat enam "rasa" quark, tiga "generasi" neutrino, dan satu zarah Higgs? Sebagai tambahan, sembilan belas pemalar fizikal asas (seperti jisim dan cas elektron) termasuk dalam model standard. Nilai "parameter bebas" ini, sepertinya, tidak membawa makna mendalam. Di satu pihak, fizik zarah adalah contoh keanggunan. Sebaliknya, ini hanyalah teori yang indah.
Sekiranya dunia kita hanyalah salah satu dari banyak, maka apa yang harus kita lakukan dengan dunia alternatif? Pandangan semasa adalah kebalikan dari idea Einstein mengenai alam semesta yang unik. Ahli fizik moden merangkumi banyak kemungkinan dan cuba memahami logik hubungannya. Dari para pencari emas, mereka telah berkembang menjadi ahli geografi dan ahli geologi, memetakan lanskap dan mempelajari secara terperinci kekuatan yang membentuknya.
Satu kejayaan dalam proses ini adalah kelahiran teori rentetan. Buat masa ini dia adalah satu-satunya calon untuk tajuk "teori segalanya". Berita baiknya ialah tidak ada parameter bebas dalam teori rentetan. Tidak ada persoalan teori rentetan mana yang menggambarkan alam semesta kita, kerana ia unik. Ketiadaan fungsi tambahan membawa kepada akibat yang radikal. Semua nombor di alam mesti ditentukan oleh fizik itu sendiri. Ini bukan "pemalar alam", tetapi hanya pemboleh ubah yang diperoleh dari persamaan (kadang-kadang, walaupun sangat kompleks).
Berita buruk, tuan-tuan. Ruang penyelesaian untuk teori rentetan sangat luas dan kompleks. Ini adalah perkara biasa bagi fizik. Secara tradisinya, undang-undang asas dibezakan, berdasarkan persamaan matematik dan penyelesaian persamaan ini. Biasanya, terdapat beberapa undang-undang dan sebilangan besar penyelesaiannya. Mari kita ambil undang-undang Newton. Mereka renyah dan elegan, tetapi mereka menggambarkan fenomena yang sangat luas, dari epal jatuh hingga orbit bulan. Mengetahui keadaan awal sistem, undang-undang ini dapat digunakan untuk menggambarkan keadaannya pada saat berikutnya. Kami tidak mengharapkan atau menuntut penyelesaian universal yang akan menerangkan segalanya.
Landskap ekumenis
Dalam teori rentetan, beberapa elemen yang biasanya dilihat sebagai undang-undang sebenarnya adalah penyelesaian. Mereka ditentukan oleh bentuk dan ukuran dimensi tambahan yang tersembunyi. Ruang semua penyelesaian ini sering disebut sebagai "landskap", tetapi ini terlalu terang. Bahkan lanskap gunung yang paling mengagumkan memudar luasnya ruang ini. Walaupun geografinya belum dipelajari sepenuhnya, adalah selamat untuk mengatakan bahawa benua-benuanya sangat besar.
Salah satu anggapan yang lebih canggih dalam teori adalah bahawa semuanya mungkin saling berkaitan. Sekiranya kita menggegarkan alam semesta dengan baik, kita dapat berpindah dari satu dunia hipotetis ke dunia lain, mengubah apa yang kita gunakan untuk mempertimbangkan hukum alam yang tidak berubah, dan mendapatkan kombinasi baru zarah unsur yang membentuk realiti kita.
Tetapi bagaimana kita meneroka landskap model fizikal alam semesta yang luas, yang boleh mempunyai beratus-ratus dimensi dengan mudah? Anggaplah ia sebagai hamparan belantara yang sebahagian besarnya tidak berkembang, sebahagian besarnya tersembunyi di bawah lapisan kerumitan yang sukar ditahan. Tempat tinggal hanya boleh dijumpai di sempadan. Di sini hidup itu sederhana dan percuma. Berikut adalah model asas yang sangat kami fahami. Mereka tidak begitu penting dalam menggambarkan dunia nyata, tetapi berfungsi sebagai titik permulaan yang mudah untuk menjelajahi kawasan sekitarnya.
Contoh yang baik ialah elektrodinamik kuantum (QED), teori yang menerangkan interaksi antara jirim dan cahaya. Model ini mempunyai satu parameter, yang disebut "pemalar struktur halus," yang menyatakan kekuatan interaksi antara dua elektron. Secara berangka, ia mendekati 1/137. Dalam QED, semua proses boleh dianggap timbul daripada interaksi asas. Sebagai contoh, tolakan dua elektron boleh dianggap sebagai pertukaran foton. Elektrodinamik kuantum mencadangkan untuk mempertimbangkan semua cara yang mungkin di mana dua elektron dapat menukar foton.
Dalam praktiknya, ini bermaksud bahawa ahli fizik menghadapi keperluan untuk menghitung jumlah kerumitan yang tidak terhingga. Tetapi teori ini juga menawarkan jalan keluar: setiap pertukaran foton tambahan menambahkan keadaan di mana pemalar struktur halus dinaikkan ke daya seterusnya. Oleh kerana jumlah pertukaran ini agak kecil, syarat tambahan tidak banyak memberi kesan. Mereka boleh diabaikan dengan mendekatkan mereka dengan nilai "sebenar". Kita akan dapati teori-teori yang digabungkan secara longgar ini di kawasan-kawasan luar lanskap. Di sini kekuatannya lemah, dan masuk akal untuk membincangkan senarai ramuan - zarah unsur - dan resipi untuk interaksi mereka. Tetapi jika kita meninggalkan tempat-tempat yang boleh dihuni dan menyelami ke padang belantara yang belum dipetakan, setiap syarat tambahan akan menjadi semakin penting. Sekarang kita tidak lagi membezakan antara zarah individu. Mereka larutberubah menjadi jaring tenaga yang kusut, seperti ramuan pai di dalam ketuhar.
Namun, tidak semua hilang. Kadang-kadang pos lain kelihatan di hujung jalan. Dengan kata lain, model terkawal lain, kali ini terdiri daripada sekumpulan zarah dan daya yang sama sekali berbeza. Dalam kes sedemikian, terdapat dua resipi alternatif untuk fizik asas yang sama, seperti makan malam Alice dan Bob. Huraian konjugasi ini disebut model ganda, dan hubungan di antara mereka disebut dualitas. Kebalikan ini dapat dilihat sebagai generalisasi besar dari dualisme partikel gelombang terkenal yang ditemui oleh Heisenberg. Dalam kes Alice dan Bob, ini adalah bentuk penukaran antara resipi Cina dan Itali.
Semuanya saling berkaitan
Mengapa semuanya begitu menarik dari sudut fizik? Pertama sekali, anggapan bahawa banyak (jika tidak semua) model adalah sebahagian daripada satu ruang yang saling berkaitan besar adalah salah satu penemuan fizik kuantum moden yang paling mengejutkan. Ini adalah perubahan perspektif yang layak disebut "pergeseran paradigma." Daripada kepulauan pulau-pulau yang tersebar, kami menjelajahi satu benua yang luas.
Dari satu segi, dengan mempelajari satu model dengan cukup mendalam, kita akan dapat memahami semuanya. Kita dapat meneroka hubungan antara model-model ini dengan memfokuskan pada garis besar strukturnya. Penting untuk diperhatikan bahawa fenomena ini sangat bergantung pada apakah teori rentetan selaras dengan dunia nyata. Harta ini sememangnya wujud dalam fizik kuantum, yang tidak berubah tanpa mengira apa "teori segalanya".
Lebih dramatik adalah kesimpulan bahawa semua teori tradisional mengenai fizik asas mesti menuju ke tong sampah sejarah. Zarah, medan, daya, simetri - semua ini tidak lebih daripada artifak kehidupan bebas di tiang-tiang lanskap kerumitan yang tidak dapat difikirkan. Nampak sangat luar biasa, atau sekurang-kurangnya sangat terhad, untuk melihat fizik dari segi asas bangunan.
Mungkin ada struktur baru yang menyatukan undang-undang asas alam dan mengabaikan semua konsep yang biasa kita gunakan. Kehalusan matematik dan keanggunan teori rentetan adalah motivasi yang menggoda untuk menerima pandangan ini. Tetapi mari kita jujur. Sangat sedikit idea moden mengenai apa yang akan menggantikan zarah dan ladang "cukup gila untuk menjadi kenyataan," seperti yang dinyatakan oleh Niels Bohr.
