Wetenschappers zoeken een enkele beschrijving van de werkelijkheid.

MAAR DE MODERNE NATUURKUNDE STAAT VEEL VERSCHILLENDE BESCHRIJVINGEN TOE, WAARVAN VELE GELIJKWAARDIG ZIJN,AAN ELKAAR, VERBONDEN DOOR EEN ENORM LANDSCHAP VAN WISKUNDIGE MOGELIJKHEDEN.

*Martin Knops:

Dit artikel is zeer de moeite waard! Omdat ik persoonlijk vind dat Robbert Dijkgraaf heel duidelijk en goed omschrijft waar we momenteel mee te maken hebben in de moderne wetenschappen/fysica. Het is redelijk diepgaand. Enige kennis van fysica is wel vereist. Kort samengevat beschrijft Robbert Dijkgraaf het feit dat de theoretische fysica, zoals de quantumtheorie een onderdeel vormt van vele nieuwe gerelateerde ontdekkingen in de huidige wetenschap. Dit zorgt ervoor dat het heel erg moeilijk wordt om één Unified Theory (1 theorie voor de hele natuurkunde) te kunnen vinden.


( Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op Quanta Magazine. )

Robbert Dijkgraaf

Een vaste column waarin toponderzoekers het ontdekkingsproces verkennen. De columnist van deze maand, Robbert Dijkgraaf, is de directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.

Het is een artikel dat in juni 2018 gepubliceerd werd. Maar ik denk nog steeds zeer actueel en interessant.


Stel dat Alice en Bob allebei worden gevraagd om een maaltijd te bereiden. Alice houdt van Chinees, Bob houdt van Italiaans. Ze kiezen elk hun favoriete recept, winkelen bij de plaatselijke speciaalzaak en volgen de instructies nauwkeurig op. Maar als ze hun gerechten uit de oven halen, staat ze een grote verrassing te wachten. De twee maaltijden blijken identiek te zijn. We kunnen ons de existentiële vragen voorstellen die Alice en Bob zichzelf moeten stellen. Hoe kunnen verschillende ingrediënten hetzelfde gerecht produceren? Wat betekent het eigenlijk om Chinees of Italiaans te koken? En is hun benadering van het bereiden van voedsel totaal gebrekkig?

Dit is precies de verwarring die kwantumfysici ervaren. Ze hebben veel voorbeelden gevonden van twee totaal verschillende beschrijvingen van hetzelfde fysieke systeem. In het geval van natuurkunde zijn de ingrediënten in plaats van vlees en sauzen deeltjes en krachten; de recepten zijn wiskundige formules die de interacties coderen; en het kookproces is de kwantiseringsprocedure die vergelijkingen omzet in de waarschijnlijkheid van fysische verschijnselen. Net als Alice en Bob vragen kwantumfysici zich af hoe verschillende recepten tot dezelfde uitkomsten leiden.

Had de natuur een keuze bij het kiezen van haar fundamentele wetten? Albert Einstein geloofde beroemd dat, gegeven enkele algemene principes, er in wezen een unieke manier is om een consistent, functionerend universum te construeren. Volgens Einstein zou er, als we de essentie van de fysica diep genoeg zouden onderzoeken, één en enige manier zijn waarop alle componenten – materie, straling, krachten, ruimte en tijd – in elkaar zouden passen om de werkelijkheid te laten werken, net zoals de tandwielen , veren, wijzerplaten en wielen van een mechanische klok op unieke wijze gecombineerd om de tijd bij te houden.

Het huidige standaardmodel van deeltjesfysica is inderdaad een strak geconstrueerd mechanisme met slechts een handvol ingrediënten. Maar in plaats van uniek te zijn, lijkt het universum een van een oneindig aantal mogelijke werelden te zijn. We hebben geen idee waarom deze specifieke combinatie van deeltjes en krachten ten grondslag ligt aan de structuur van de natuur. Waarom zijn er zes “smaken” quarks, drie “generaties” neutrino’s en één Higgs-deeltje? Bovendien wordt het standaardmodel geleverd met 19 natuurconstanten – getallen zoals de massa en lading van het elektron – die in experimenten moeten worden gemeten. De waarden van deze “vrije parameters” lijken geen diepere betekenis te hebben. Enerzijds is de deeltjesfysica een wonder van elegantie; aan de andere kant is het een juist verhaal.

Als onze wereld slechts een van de vele is, hoe gaan we dan om met de alternatieven? Het huidige standpunt kan worden gezien als het tegenovergestelde van Einsteins droom van een unieke kosmos. Moderne natuurkundigen omarmen de enorme ruimte aan mogelijkheden en proberen de overkoepelende logica en onderlinge verbondenheid ervan te begrijpen. Van goudzoekers zijn ze uitgegroeid tot geografen en geologen, die het landschap in detail in kaart hebben gebracht en de krachten hebben bestudeerd die het hebben gevormd.

Door het universum hard genoeg te schudden, zouden we in staat zijn om van de ene mogelijke wereld naar de andere te gaan en wat we beschouwen als de onveranderlijke natuurwetten te veranderen.”

De gamechanger die tot deze verandering van perspectief heeft geleid, is de snaartheorie. Op dit moment is het de enige haalbare kandidaat voor een natuurtheorie die in staat is om alle deeltjes en krachten, inclusief zwaartekracht, te beschrijven en daarbij de strikte logische regels van de kwantummechanica en relativiteitstheorie te gehoorzamen. Het goede nieuws is dat snaartheorie geen vrije parameters heeft. Hij heeft geen draaiknoppen. Het heeft geen zin om te vragen welke snaartheorie ons universum beschrijft, want er is er maar één. Het ontbreken van extra functies leidt tot een ingrijpend gevolg. Alle getallen in de natuur moeten door de natuurkunde zelf worden bepaald. Het zijn geen ‘natuurconstanten’, alleen variabelen die worden vastgesteld door vergelijkingen (misschien onhandelbaar gecompliceerde).

Dat brengt ons bij het slechte nieuws. De oplossingsruimte van de snaartheorie is enorm en complex. Dit is niet ongebruikelijk in de natuurkunde. Traditioneel maken we onderscheid tussen fundamentele wetten die door wiskundige vergelijkingen worden gegeven, en de oplossingen van deze vergelijkingen. Meestal zijn er maar een paar wetten, maar een oneindig aantal oplossingen. Neem de wetten van Newton. Ze zijn knapperig en elegant, maar beschrijven een ongelooflijk breed scala aan verschijnselen, van een vallende appel tot de baan van de maan. Als je de beginvoorwaarden van een specifiek systeem kent, kun je met de kracht van deze wetten de vergelijkingen oplossen en voorspellen wat er daarna gaat gebeuren. We verwachten noch eisen een a priori unieke oplossing die alles beschrijft.

In de snaartheorie zijn bepaalde kenmerken van de natuurkunde die we gewoonlijk zouden beschouwen als natuurwetten – zoals specifieke deeltjes en krachten – in feite oplossingen. Ze worden bepaald door de vorm en grootte van verborgen extra afmetingen. De ruimte van al deze oplossingen wordt vaak ‘het landschap’ genoemd, maar dat is een wild understatement. Zelfs de meest ontzagwekkende bergvergezichten verbleken in vergelijking met de onmetelijkheid van deze ruimte. Hoewel de geografie ervan slechts marginaal wordt begrepen, weten we dat het continenten van enorme afmetingen heeft. Een van de meest verleidelijke kenmerken is dat mogelijk alles met elkaar is verbonden – dat wil zeggen, elke twee modellen zijn verbonden door een ononderbroken pad. Door het universum hard genoeg te schudden, zouden we in staat zijn om van de ene mogelijke wereld naar de andere te gaan, wat we beschouwen als de onveranderlijke natuurwetten en de speciale combinatie van elementaire deeltjes waaruit de werkelijkheid bestaat.

Maar hoe verkennen we het uitgestrekte landschap van fysieke modellen van het universum die gemakkelijk honderden dimensies kunnen hebben? Het is handig om het landschap te visualiseren als een grotendeels onontwikkelde wildernis, waarvan het meeste verborgen is onder dikke lagen van onhandelbare complexiteit. Alleen aan de randen vinden we bewoonbare plaatsen. In deze buitenposten is het leven eenvoudig en goed. Hier vinden we de basismodellen die we volledig begrijpen. Ze zijn van weinig waarde bij het beschrijven van de echte wereld, maar dienen als een handig vertrekpunt om de lokale buurt te verkennen.

Een goed voorbeeld is QED, de theorie van de kwantumelektrodynamica die de interacties tussen materie en licht beschrijft. Dit model heeft één enkele parameter, de fijnstructuurconstante α genaamd, die de sterkte van de kracht tussen twee elektronen meet. Numeriek is het bijna 1/137. In QED kunnen alle processen worden gezien als voortkomend uit elementaire interacties. De afstotende kracht tussen twee elektronen kan bijvoorbeeld worden gevisualiseerd als een uitwisseling van fotonen. QED vraagt ons alle mogelijke manieren te overwegen waarop twee elektronen een foton zouden kunnen uitwisselen, wat in de praktijk zou betekenen dat natuurkundigen een oneindige som van grote complexiteit moeten oplossen. Maar de theorie biedt ook een uitweg: elke extra fotonenuitwisseling voegt een term toe die α omvat, verhoogd tot een extra vermogen. Aangezien dit een relatief klein aantal is, leveren de termen met veel uitwisselingen slechts een kleine bijdrage. Ze kunnen worden verwaarloosd bij benadering van de “echte” waarde.

Zie deze illustratie.

We vinden deze zwak gekoppelde theorieën aan de buitenposten van het landschap. Hier is de kracht van de krachten klein en is het logisch om te praten over de boodschappenlijst van elementaire deeltjes en het recept dat hun interacties berekent. Maar als we de directe omgeving verlaten en dieper de wildernis in trekken, worden de koppelingen groot en wordt elke extra term in de uitbreiding belangrijker. Nu kunnen we de afzonderlijke deeltjes niet meer onderscheiden. In plaats daarvan lossen ze op in een verstrengeld netwerk van energie, zoals de ingrediënten van een cake in een hete oven.

Niet alles is echter verloren. Soms eindigt het pad door de donkere wildernis bij een andere buitenpost. Dat wil zeggen, bij een ander goed gecontroleerd model, deze keer gemaakt uit een compleet andere set deeltjes en krachten. In dergelijke gevallen zijn er twee alternatieve recepten voor dezelfde onderliggende fysica, net als bij de gerechten van Alice en Bob. Deze complementaire beschrijvingen worden duale modellen genoemd, en de relatie daartussen is een dualiteit. We kunnen deze dualiteiten beschouwen als een grootse generalisatie van de beroemde deeltjesgolf-dualiteit die door Heisenberg is ontdekt. Voor Alice en Bob heeft het de vorm van een vertaling tussen Chinese en Italiaanse recepten.

Waarom is dit allemaal zo opwindend voor natuurkunde? Allereerst is de conclusie dat veel, zo niet alle, modellen deel uitmaken van één enorme onderling verbonden ruimte een van de meest verbazingwekkende resultaten van de moderne kwantumfysica. Het is een verandering van perspectief die de term “paradigmaverschuiving” waardig is. Het vertelt ons dat we in plaats van een archipel van individuele eilanden te verkennen, één enorm continent hebben ontdekt. In zekere zin kunnen we ze allemaal bestuderen door één model diep genoeg te bestuderen. We kunnen onderzoeken hoe deze modellen met elkaar in verband staan, door hun gemeenschappelijke structuren te belichten. Het is belangrijk om te benadrukken dat dit fenomeen grotendeels onafhankelijk is van de vraag of de snaartheorie de echte wereld beschrijft of niet. Het is een intrinsieke eigenschap van de kwantumfysica die er is om te blijven, wat de toekomstige ’theorie van alles’ ook zal blijken te zijn.

Een meer dramatische conclusie is dat alle traditionele beschrijvingen van fundamentele fysica moeten worden weggegooid. Deeltjes, velden, krachten, symmetrieën – het zijn allemaal slechts artefacten van een eenvoudig bestaan aan de buitenposten in dit uitgestrekte landschap van ondoordringbare complexiteit. Het denken aan natuurkunde in termen van elementaire bouwstenen lijkt verkeerd te zijn, of in ieder geval van beperkt bereik. Misschien is er een radicaal nieuw kader dat de fundamentele natuurwetten verenigt dat alle bekende concepten negeert. De wiskundige complexiteit en consistentie van de snaartheorie zijn een sterke motivatie voor dit dramatische standpunt. Maar we moeten eerlijk zijn. Zeer weinig huidige ideeën over wat deeltjes en velden vervangt, zijn “gek genoeg om waar te zijn”, om Niels Bohr te citeren. Net als Alice en Bob is de natuurkunde klaar om de oude recepten weg te gooien en een moderne fusionkeuken te omarmen.


Gerelateerd:

  1. To Solve the Biggest Mystery in Physics, Join Two Kinds of Law
  2. Quantum Questions Inspire New Math
  3. Why Is M-Theory the Leading Candidate for Theory of Everything?

Quanta Magazine


Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: