Είναι η Φύση αφύσικη;

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Ένα συννεφιασμένο απόγευμα στα τέλη Απριλίου, καθηγητές φυσικής και φοιτητές συνωστίστηκαν σε μια αίθουσα διαλέξεων με ξύλινη επένδυση στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια για μια ομιλία από τη Νίμα Αρκάνι-Χαμέντ, μια θεωρητική υψηλού προφίλ που επισκέπτεται το Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο κοντινό Πρίνστον, Ν. Τζ. Τα σκούρα, μέχρι τους ώμους μαλλιά του χωμένα πίσω από τα αυτιά του, ο Arkani-Hamed παρουσίασε τις διπλές, φαινομενικά αντιφατικές συνέπειες των πρόσφατων πειραματικών αποτελεσμάτων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ευρώπη.

«Το σύμπαν είναι αναπόφευκτο», δήλωσε. "Το σύμπαν είναι αδύνατο."

Η θεαματική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs τον Ιούλιο του 2012 επιβεβαίωσε μια σχεδόν 50χρονη θεωρία για το πώς τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα, η οποία τους επιτρέπει να σχηματίζουν μεγάλες δομές όπως οι γαλαξίες και οι άνθρωποι. "Το γεγονός ότι εμφανίστηκε λίγο πολύ εκεί που περιμέναμε να το βρούμε είναι ένας θρίαμβος για το πείραμα, είναι ένας θρίαμβος για τη θεωρία και είναι μια ένδειξη ότι η φυσική λειτουργεί", είπε ο Arkani-Hamed στο πλήθος.

Ωστόσο, για να έχει νόημα το μποζόνιο Higgs με τη μάζα (ή την ισοδύναμη ενέργεια) που είχε καθοριστεί, ο LHC χρειαζόταν να βρει επίσης ένα σμήνος άλλων σωματιδίων. Δεν εμφανίστηκε κανένα.

Με την ανακάλυψη ενός μόνο σωματιδίου, τα πειράματα LHC βάθυναν ένα βαθύ πρόβλημα στη φυσική που δημιουργούσε εδώ και δεκαετίες. Οι σύγχρονες εξισώσεις φαίνεται να αποτυπώνουν την πραγματικότητα με ακρίβεια που κόβει την ανάσα, προβλέποντας σωστά τις τιμές πολλών σταθερών της φύσης και την ύπαρξη σωματιδίων όπως το Higgs. Ωστόσο, μερικές σταθερές - συμπεριλαμβανομένης της μάζας του μποζονίου Χιγκς - είναι εκθετικά διαφορετικές από αυτό που υποδεικνύουν αυτοί οι αξιόπιστοι νόμοι ότι θα έπρεπε να είναι, με τρόπους που θα απέκλειαν κάθε πιθανότητα ζωής, εκτός εάν το σύμπαν διαμορφωθεί από ανεξήγητες λεπτομέρειες και ακυρώσεις.

Σε κίνδυνο είναι η έννοια της «φυσικότητας», το όνειρο του Άλμπερτ Αϊνστάιν ότι οι νόμοι της φύσης είναι υπέροχα όμορφοι, αναπόφευκτοι και αυτοτελείς. Χωρίς αυτό, οι φυσικοί αντιμετωπίζουν τη σκληρή προοπτική ότι αυτοί οι νόμοι είναι απλώς ένα αυθαίρετο, ακατάστατο αποτέλεσμα τυχαίων διακυμάνσεων στον ιστό του χώρου και του χρόνου.

Ο LHC θα συνεχίσει να συνθλίβει πρωτόνια το 2015 σε μια τελευταία αναζήτηση απαντήσεων. Αλλά σε έγγραφα, ομιλίες και συνεντεύξεις, ο Arkani-Hamed και πολλοί άλλοι κορυφαίοι φυσικοί ήδη αντιμετωπίζουν την πιθανότητα ότι το σύμπαν μπορεί να είναι αφύσικο. (Υπάρχει μεγάλη διαφωνία, ωστόσο, σχετικά με το τι θα χρειαζόταν για να το αποδείξει.)

«Πριν από δέκα ή 20 χρόνια, πίστευα ακράδαντα στη φυσικότητα», είπε ο Nathan Seiberg, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο, όπου ο Αϊνστάιν δίδαξε από το 1933 μέχρι τον θάνατό του το 1955. «Τώρα δεν είμαι τόσο σίγουρος. Ελπίζω ότι υπάρχει ακόμα κάτι που δεν έχουμε σκεφτεί, κάποιος άλλος μηχανισμός που θα εξηγούσε όλα αυτά τα πράγματα. Αλλά δεν βλέπω τι θα μπορούσε να είναι."

Οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι αν το σύμπαν είναι αφύσικο, με εξαιρετικά απίθανες θεμελιώδεις σταθερές που καθιστούν δυνατή τη ζωή, τότε πρέπει να υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός συμπάντων για να έχει πραγματοποιηθεί η απίθανη περίπτωσή μας. Διαφορετικά, γιατί να είμαστε τόσο τυχεροί; Η αφύσικοτητα θα έδινε τεράστια ώθηση στην υπόθεση του πολυσύμπαντος, η οποία υποστηρίζει ότι το σύμπαν μας είναι μια φυσαλίδα σε έναν άπειρο και απρόσιτο αφρό. Σύμφωνα με ένα δημοφιλές αλλά πολωτικό πλαίσιο που ονομάζεται θεωρία χορδών, ο αριθμός των πιθανών τύπων σύμπαντων που μπορούν να σχηματίσουν φυσαλίδες σε ένα πολυσύμπαν είναι περίπου 10. Σε μερικά από αυτά, οι τυχαίες ακυρώσεις θα παρήγαγαν τις περίεργες σταθερές που παρατηρούμε.

Σε μια τέτοια εικόνα, δεν είναι όλα αναπόφευκτα σε αυτό το σύμπαν, καθιστώντας το απρόβλεπτο. Ο Edward Witten, θεωρητικός χορδών στο Ινστιτούτο, είπε μέσω email:«Προσωπικά θα ήμουν ευτυχής αν η ερμηνεία του πολυσύμπαντος δεν είναι σωστή, εν μέρει επειδή περιορίζει δυνητικά την ικανότητά μας να κατανοούμε τους νόμους της φυσικής. Αλλά κανένας από εμάς δεν ρωτήθηκε όταν δημιουργήθηκε το σύμπαν.”

«Μερικοί άνθρωποι το μισούν», είπε ο Ραφαέλ Μπούσο, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ που βοήθησε στην ανάπτυξη του σεναρίου του πολυσύμπαντος. «Αλλά δεν νομίζω ότι μπορούμε να το αναλύσουμε σε συναισθηματική βάση. Είναι μια λογική πιθανότητα που ευνοείται όλο και περισσότερο λόγω της απουσίας φυσικότητας στο LHC."

Αυτό που κάνει ή δεν ανακαλύπτει ο LHC στην επόμενη έκδοσή του είναι πιθανό να προσφέρει υποστήριξη σε μία από τις δύο πιθανότητες:Είτε ζούμε σε ένα υπερβολικά περίπλοκο αλλά αυτόνομο σύμπαν είτε κατοικούμε σε μια άτυπη φούσκα σε ένα πολυσύμπαν. «Θα είμαστε πολύ πιο έξυπνοι σε πέντε ή δέκα χρόνια από σήμερα λόγω του LHC», είπε ο Seiberg. «Έτσι είναι συναρπαστικό. Αυτό είναι εφικτό."

Κοσμική Σύμπτωση

Ο Αϊνστάιν έγραψε κάποτε ότι για έναν επιστήμονα, «το θρησκευτικό συναίσθημα παίρνει τη μορφή μιας έκπληκτης έκπληξης για την αρμονία του φυσικού νόμου» και ότι «αυτό το συναίσθημα είναι η κατευθυντήρια αρχή της ζωής και του έργου του». Πράγματι, καθ' όλη τη διάρκεια του 20ου αιώνα, η βαθιά ριζωμένη πεποίθηση ότι οι νόμοι της φύσης είναι αρμονικοί - μια πίστη στη «φυσικότητα» - έχει αποδειχθεί αξιόπιστος οδηγός για την ανακάλυψη της αλήθειας.

«Η φυσικότητα έχει ιστορικό παρελθόν», είπε ο Αρκάνι-Χαμέντ σε συνέντευξή του. Στην πράξη, είναι η απαίτηση οι φυσικές σταθερές (μάζες σωματιδίων και άλλες σταθερές ιδιότητες του σύμπαντος) να προκύπτουν απευθείας από τους νόμους της φυσικής, αντί να προκύπτουν από απίθανες ακυρώσεις. Ξανά και ξανά, κάθε φορά που μια σταθερά εμφανιζόταν τελειοποιημένη, σαν να είχε καλυφθεί μαγικά η αρχική της τιμή για να αντισταθμίσει άλλα αποτελέσματα, οι φυσικοί υποψιάζονταν ότι κάτι τους έλειπε. Θα έψαχναν και θα έβρισκαν αναπόφευκτα κάποιο σωματίδιο ή χαρακτηριστικό που πληκτρολογούσε τη σταθερά, αποτρέποντας μια ακριβή ακύρωση.

Αυτή τη φορά, οι αυτοθεραπευτικές δυνάμεις του σύμπαντος φαίνεται να αποτυγχάνουν. Το μποζόνιο Higgs έχει μάζα 126 giga-ηλεκτρον-βολτ, αλλά οι αλληλεπιδράσεις με τα άλλα γνωστά σωματίδια θα πρέπει να προσθέσουν περίπου 10.000.000.000.000.000.000 giga-ηλεκτρον-βολτ στη μάζα του. Αυτό υποδηλώνει ότι η «γυμνή μάζα» του Higgs, ή η αρχική τιμή πριν την επηρεάσουν άλλα σωματίδια, τυχαίνει να είναι το αρνητικό αυτού του αστρονομικού αριθμού, με αποτέλεσμα μια σχεδόν τέλεια ακύρωση που αφήνει μόνο μια υπόδειξη Higgs πίσω:126 giga -ηλεκτρον-βολτ.

Οι φυσικοί έχουν περάσει από τρεις γενιές επιταχυντών σωματιδίων αναζητώντας νέα σωματίδια, που προτάθηκαν από μια θεωρία που ονομάζεται υπερσυμμετρία, που θα οδηγούσε τη μάζα Higgs προς τα κάτω ακριβώς όσο τα γνωστά σωματίδια την οδηγούν προς τα πάνω. Αλλά μέχρι στιγμής έχουν έρθει με άδεια χέρια.

Ο αναβαθμισμένος LHC θα εξερευνήσει ολοένα και υψηλότερες κλίμακες ενέργειας στην επόμενη λειτουργία του, αλλά ακόμα κι αν βρεθούν νέα σωματίδια, θα είναι σχεδόν σίγουρα πολύ βαριά για να επηρεάσουν τη μάζα Higgs με τον πολύ σωστό τρόπο. Το Higgs θα εξακολουθεί να φαίνεται τουλάχιστον 10 ή 100 φορές πολύ ελαφρύ. Οι φυσικοί διαφωνούν σχετικά με το αν αυτό είναι αποδεκτό σε ένα φυσικό, αυτόνομο σύμπαν. «Λίγο βελτιστοποιημένο – ίσως απλώς συμβαίνει», είπε η Λίζα Ράνταλ, καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Αλλά κατά τη γνώμη της Arkani-Hamed, το να είσαι «λίγο συντονισμένος είναι σαν να είσαι λίγο έγκυος. Απλώς δεν υπάρχει."

Εάν δεν εμφανιστούν νέα σωματίδια και το Higgs παραμείνει αστρονομικά τελειοποιημένο, τότε η υπόθεση του πολυσύμπαντος θα βγει στο προσκήνιο. "Δεν σημαίνει ότι είναι σωστό", είπε ο Bousso, ένας μακροχρόνιος υποστηρικτής της εικόνας του multiverse, "αλλά σημαίνει ότι είναι το μόνο παιχνίδι στην πόλη."

Μερικοί φυσικοί — ιδίως ο Joe Lykken του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή Fermi στη Μπαταβία, Ιλλ., και ο Alessandro Strumia του Πανεπιστημίου της Πίζας στην Ιταλία — δείτε μια τρίτη επιλογή. Λένε ότι οι φυσικοί μπορεί να εκτιμούν εσφαλμένα τις επιπτώσεις άλλων σωματιδίων στη μάζα Higgs και ότι όταν υπολογίζεται διαφορετικά, η μάζα της φαίνεται φυσική. Αυτή η «τροποποιημένη φυσικότητα» παραπαίει όταν επιπλέον σωματίδια, όπως τα άγνωστα συστατικά της σκοτεινής ύλης, περιλαμβάνονται στους υπολογισμούς — αλλά η ίδια ανορθόδοξη διαδρομή θα μπορούσε να δώσει άλλες ιδέες. «Δεν θέλω να υποστηρίξω, αλλά απλώς να συζητήσω τις συνέπειες», είπε η Strumia κατά τη διάρκεια μιας ομιλίας νωρίτερα αυτό το μήνα στο Brookhaven National Laboratory.

Ωστόσο, η τροποποιημένη φυσικότητα δεν μπορεί να διορθώσει ένα ακόμη μεγαλύτερο πρόβλημα φυσικότητας που υπάρχει στη φυσική:Το γεγονός ότι ο κόσμος δεν εκμηδενίστηκε αμέσως από τη δική του ενέργεια τη στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Σκοτεινό δίλημμα

Η ενέργεια που ενσωματώνεται στο κενό του διαστήματος (γνωστή ως ενέργεια κενού, σκοτεινή ενέργεια ή κοσμολογική σταθερά) είναι ένα συγκλονιστικό τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από αυτό που υπολογίζεται ότι είναι φυσικό, αν και αυτοκαταστροφικό. αξία. Δεν υπάρχει καμία θεωρία για το τι θα μπορούσε φυσικά να διορθώσει αυτήν την τεράστια ανισότητα. Αλλά είναι σαφές ότι η κοσμολογική σταθερά πρέπει να είναι εξαιρετικά λεπτομέρεια για να αποτρέψει το σύμπαν από την ταχεία έκρηξη ή την κατάρρευση σε ένα σημείο. Πρέπει να ρυθμιστεί με ακρίβεια για να έχει μια ευκαιρία η ζωή.

Για να εξηγήσουμε αυτό το παράλογο κομμάτι της τύχης, η ιδέα του πολυσύμπαντος έχει αναπτυχθεί κυρίως στους κύκλους της κοσμολογίας τις τελευταίες δεκαετίες. Ενισχύθηκε η αξιοπιστία του το 1987 όταν ο νομπελίστας φυσικός Στίβεν Γουάινμπεργκ, τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, υπολόγισε ότι η κοσμολογική σταθερά του σύμπαντος αναμένεται στο σενάριο του πολυσύμπαντος. Από τα πιθανά σύμπαντα που είναι ικανά να υποστηρίξουν τη ζωή - τα μόνα που μπορούν να παρατηρηθούν και να μελετηθούν εξαρχής - το δικό μας είναι από τα λιγότερο καλά συντονισμένα. «Αν η κοσμολογική σταθερά ήταν πολύ μεγαλύτερη από την παρατηρούμενη τιμή, ας πούμε με συντελεστή 10, τότε δεν θα είχαμε γαλαξίες», εξήγησε ο Alexander Vilenkin, κοσμολόγος και θεωρητικός του πολυσύμπαντος στο Πανεπιστήμιο Tufts. "Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς μπορεί να υπάρχει ζωή σε ένα τέτοιο σύμπαν."

Οι περισσότεροι φυσικοί των σωματιδίων ήλπιζαν ότι θα έβρισκε μια πιο ελεγχόμενη εξήγηση για το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Κανένα δεν έχει. Τώρα, λένε οι φυσικοί, η αφύσικοτητα του Higgs κάνει πιο σημαντική την αφύσικοτητα της κοσμολογικής σταθεράς. Ο Arkani-Hamed πιστεύει ότι τα ζητήματα μπορεί ακόμη και να σχετίζονται. «Δεν έχουμε κατανόηση ενός βασικού ασυνήθιστου γεγονότος για το σύμπαν μας», είπε. "Είναι μεγάλο και έχει μεγάλα πράγματα μέσα του."

Το πολυσύμπαν μετατράπηκε σε κάτι περισσότερο από απλώς ένα επιχείρημα με το χέρι το 2000, όταν ο Bousso και ο Joe Polchinski, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, βρήκαν έναν μηχανισμό που θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα πανόραμα παράλληλων συμπάντων. Η θεωρία χορδών, μια υποθετική «θεωρία των πάντων» που θεωρεί τα σωματίδια ως αόρατα μικρές δονούμενες γραμμές, υποστηρίζει ότι ο χωροχρόνος είναι 10-διάστατος. Σε ανθρώπινη κλίμακα, βιώνουμε μόνο τρεις διαστάσεις του χώρου και μία του χρόνου, αλλά οι θεωρητικοί των χορδών υποστηρίζουν ότι έξι επιπλέον διαστάσεις δένονται σφιχτά σε κάθε σημείο του ιστού της 4-D πραγματικότητας μας. Οι Μπούσο και Πολτσίνσκι υπολόγισαν ότι υπάρχουν περίπου 10 διαφορετικοί τρόποι για να συνδεθούν αυτές οι έξι διαστάσεις (όλοι συνδέουν διαφορετικές ποσότητες ενέργειας), καθιστώντας δυνατή μια ασύλληπτα τεράστια και ποικιλόμορφη σειρά συμπάντων. Με άλλα λόγια, δεν απαιτείται φυσικότητα. Δεν υπάρχει ένα ενιαίο, αναπόφευκτο, τέλειο σύμπαν.

«Ήταν σίγουρα μια στιγμή για μένα», είπε ο Μπούσο. Αλλά η εφημερίδα προκάλεσε οργή.

«Οι σωματιδιακοί φυσικοί, ειδικά οι θεωρητικοί χορδών, είχαν αυτό το όνειρο να προβλέψουν μοναδικά όλες τις σταθερές της φύσης», εξήγησε ο Bousso. «Τα πάντα θα έβγαιναν από μαθηματικά και πι και δύο. Και μπήκαμε και είπαμε, «Κοίτα, δεν πρόκειται να συμβεί, και υπάρχει ένας λόγος που δεν πρόκειται να συμβεί. Το σκεφτόμαστε αυτό με εντελώς λάθος τρόπο.» "

Η ζωή σε ένα Πολυσύμπαν

Η Μεγάλη Έκρηξη, στο σενάριο του πολυσύμπαντος Bousso-Polchinski, είναι μια διακύμανση. Ένας συμπαγής, εξαδιάστατος κόμπος που αποτελεί μια βελονιά στο ύφασμα της πραγματικότητας αλλάζει ξαφνικά το σχήμα, απελευθερώνοντας ενέργεια που σχηματίζει μια φούσκα χώρου και χρόνου. Οι ιδιότητες αυτού του νέου σύμπαντος καθορίζονται τυχαία:η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της διακύμανσης. Η συντριπτική πλειοψηφία των συμπάντων που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο είναι πυκνά με ενέργεια κενού. είτε διαστέλλονται είτε καταρρέουν τόσο γρήγορα που η ζωή δεν μπορεί να γεννηθεί μέσα τους. Αλλά μερικά άτυπα σύμπαντα, στα οποία μια απίθανη ακύρωση αποδίδει μια μικρή τιμή για την κοσμολογική σταθερά, μοιάζουν πολύ με το δικό μας.

Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στον ιστότοπο φυσικής προεκτύπωσης arXiv.org, ο Bousso και ένας συνάδελφος του Berkeley, ο Lawrence Hall, υποστηρίζουν ότι η μάζα Higgs έχει νόημα και στο σενάριο του πολυσύμπαντος. Βρήκαν ότι τα σύμπαντα με φυσαλίδες που περιέχουν αρκετή ορατή ύλη (σε σύγκριση με τη σκοτεινή ύλη) για να υποστηρίξουν τη ζωή, τις περισσότερες φορές έχουν υπερσυμμετρικά σωματίδια πέρα ​​από το ενεργειακό εύρος του LHC και ένα καλά συντονισμένο μποζόνιο Higgs. Ομοίως, άλλοι φυσικοί έδειξαν το 1997 ότι εάν το μποζόνιο Χιγκς ήταν πέντε φορές βαρύτερο από ό,τι είναι, αυτό θα κατέστειλε το σχηματισμό ατόμων εκτός του υδρογόνου, με αποτέλεσμα, με άλλο τρόπο, σε ένα άψυχο σύμπαν.

Παρά αυτές τις φαινομενικά επιτυχημένες εξηγήσεις, πολλοί φυσικοί ανησυχούν ότι δεν υπάρχουν πολλά που μπορούν να κερδίσουν υιοθετώντας την κοσμοθεωρία του πολυσύμπαντος. Τα παράλληλα σύμπαντα δεν μπορούν να ελεγχθούν. χειρότερα, ένα αφύσικο σύμπαν αντιστέκεται στην κατανόηση. «Χωρίς φυσικότητα, θα χάσουμε το κίνητρο να αναζητήσουμε νέα φυσική», δήλωσε ο Kfir Blum, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών. «Γνωρίζουμε ότι είναι εκεί, αλλά δεν υπάρχει ισχυρό επιχείρημα για το γιατί πρέπει να το βρούμε». Αυτό το συναίσθημα επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά:«Θα προτιμούσα το σύμπαν να ήταν φυσικό», είπε ο Ράνταλ.

Αλλά οι θεωρίες μπορούν να αναπτυχθούν στους φυσικούς. Αφού πέρασε πάνω από μια δεκαετία εγκλιματίζοντας τον εαυτό του στο πολυσύμπαν, ο Arkani-Hamed το βρίσκει τώρα εύλογο - και μια βιώσιμη διαδρομή για την κατανόηση των τρόπων του κόσμου μας. «Το υπέροχο σημείο, από ό,τι με αφορά, είναι βασικά ότι οποιοδήποτε αποτέλεσμα στο LHC θα μας οδηγήσει με διαφορετικούς βαθμούς δύναμης σε ένα από αυτά τα αποκλίνοντα μονοπάτια», είπε. "Αυτό το είδος της επιλογής είναι πολύ, πολύ μεγάλη υπόθεση."

Η φυσικότητα θα μπορούσε να περάσει. Ή θα μπορούσε να είναι μια ψεύτικη ελπίδα σε μια παράξενη αλλά άνετη τσέπη του πολυσύμπαντος.

Όπως είπε ο Arkani-Hamed στο κοινό στην Columbia, «μείνετε συντονισμένοι».