Δεν υπάρχουν νόμοι της φυσικής. Υπάρχει μόνο το τοπίο.
Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη και ο Μπομπ καλούνται και οι δύο να ετοιμάσουν ένα γεύμα. Στην Αλίκη αρέσουν τα κινέζικα, στον Μπομπ τα ιταλικά. Ο καθένας επιλέγει την αγαπημένη του συνταγή, ψωνίζει στο τοπικό εξειδικευμένο κατάστημα και ακολουθεί προσεκτικά τις οδηγίες. Όταν όμως βγάζουν τα πιάτα τους από τον φούρνο, τους περιμένει μια μεγάλη έκπληξη. Τα δύο γεύματα αποδεικνύονται πανομοιότυπα. Μπορούμε να φανταστούμε τα υπαρξιακά ερωτήματα που πρέπει να κάνουν στον εαυτό τους η Αλίκη και ο Μπομπ. Πώς μπορούν διαφορετικά υλικά να παράγουν το ίδιο πιάτο; Τι σημαίνει να μαγειρεύω κινέζικα ή ιταλικά; Και είναι εντελώς εσφαλμένη η προσέγγισή τους στην προετοιμασία του φαγητού;
Αυτή ακριβώς είναι η αμηχανία που βιώνουν οι κβαντικοί φυσικοί. Έχουν βρει πολλά παραδείγματα δύο τελείως διαφορετικών περιγραφών του ίδιου φυσικού συστήματος. Στην περίπτωση της φυσικής, αντί για κρέατα και σάλτσες, τα συστατικά είναι σωματίδια και δυνάμεις. οι συνταγές είναι μαθηματικοί τύποι που κωδικοποιούν τις αλληλεπιδράσεις. και η διαδικασία μαγειρέματος είναι η διαδικασία κβαντοποίησης που μετατρέπει τις εξισώσεις σε πιθανότητες φυσικών φαινομένων. Ακριβώς όπως η Αλίκη και ο Μπομπ, οι κβαντικοί φυσικοί αναρωτιούνται πώς διαφορετικές συνταγές οδηγούν στα ίδια αποτελέσματα.
Είχε η φύση καμία επιλογή για να διαλέξει τους θεμελιώδεις νόμους της; Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πίστευε περίφημα ότι, δεδομένων ορισμένων γενικών αρχών, υπάρχει ουσιαστικά ένας μοναδικός τρόπος για να κατασκευαστεί ένα συνεπές, λειτουργικό σύμπαν. Κατά την άποψη του Αϊνστάιν, αν ερευνούσαμε αρκετά βαθιά την ουσία της φυσικής, θα υπήρχε ένας και μοναδικός τρόπος με τον οποίο όλα τα συστατικά - ύλη, ακτινοβολία, δυνάμεις, χώρος και χρόνος - θα ταίριαζαν μαζί για να λειτουργήσει η πραγματικότητα, όπως και τα γρανάζια , ελατήρια, καντράν και τροχοί ενός μηχανικού ρολογιού συνδυάζονται μοναδικά για να κρατούν το χρόνο.
Το τρέχον Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων είναι πράγματι ένας σφιχτά κατασκευασμένος μηχανισμός με λίγα μόνο συστατικά. Ωστόσο, αντί να είναι μοναδικό, το σύμπαν φαίνεται να είναι ένας από τους άπειρους πιθανούς κόσμους. Δεν έχουμε ιδέα γιατί αυτός ο συγκεκριμένος συνδυασμός σωματιδίων και δυνάμεων βρίσκεται κάτω από τη δομή της φύσης. Γιατί υπάρχουν έξι «γεύσεις» κουάρκ, τρεις «γενιές» νετρίνων και ένα σωματίδιο Higgs; Επιπλέον, το Καθιερωμένο Μοντέλο έρχεται με 19 σταθερές της φύσης - αριθμούς όπως η μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου - που πρέπει να μετρηθούν σε πειράματα. Οι τιμές αυτών των «ελεύθερων παραμέτρων» φαίνεται να μην έχουν κάποιο βαθύτερο νόημα. Από τη μια πλευρά, η σωματιδιακή φυσική είναι ένα θαύμα κομψότητας. από την άλλη πλευρά, είναι μια ιστορία.
Εάν ο κόσμος μας δεν είναι παρά ένας από τους πολλούς, πώς αντιμετωπίζουμε τις εναλλακτικές; Η τρέχουσα άποψη μπορεί να θεωρηθεί ως το πολικό αντίθετο του ονείρου του Αϊνστάιν για έναν μοναδικό κόσμο. Οι σύγχρονοι φυσικοί αγκαλιάζουν τον τεράστιο χώρο των δυνατοτήτων και προσπαθούν να κατανοήσουν τη γενική λογική και τη διασύνδεσή του. Από χρυσοθήρες έχουν μετατραπεί σε γεωγράφους και γεωλόγους, χαρτογραφώντας το τοπίο λεπτομερώς και μελετώντας τις δυνάμεις που το διαμόρφωσαν.
Η αλλαγή του παιχνιδιού που οδήγησε σε αυτήν την αλλαγή προοπτικής ήταν η θεωρία χορδών. Αυτή τη στιγμή είναι ο μόνος βιώσιμος υποψήφιος για μια θεωρία της φύσης ικανή να περιγράψει όλα τα σωματίδια και τις δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας, ενώ υπακούει στους αυστηρούς λογικούς κανόνες της κβαντικής μηχανικής και της σχετικότητας. Τα καλά νέα είναι ότι η θεωρία χορδών δεν έχει ελεύθερες παραμέτρους. Δεν έχει καντράν που μπορούν να περιστραφούν. Δεν έχει νόημα να ρωτάμε ποια θεωρία χορδών περιγράφει το σύμπαν μας, γιατί υπάρχει μόνο μία. Η απουσία πρόσθετων χαρακτηριστικών οδηγεί σε ριζική συνέπεια. Όλοι οι αριθμοί στη φύση πρέπει να καθορίζονται από την ίδια τη φυσική. Δεν είναι «σταθερές της φύσης», μόνο μεταβλητές που καθορίζονται με εξισώσεις (ίσως δυσεπίλυτα περίπλοκες).
Κάτι που μας φέρνει στα άσχημα νέα. Ο χώρος λύσεων της θεωρίας χορδών είναι τεράστιος και πολύπλοκος. Αυτό δεν είναι ασυνήθιστο στη φυσική. Παραδοσιακά διακρίνουμε μεταξύ των θεμελιωδών νόμων που δίνονται από τις μαθηματικές εξισώσεις και των λύσεων αυτών των εξισώσεων. Συνήθως, υπάρχουν μόνο λίγοι νόμοι, αλλά ένας άπειρος αριθμός λύσεων. Πάρτε τους νόμους του Νεύτωνα. Είναι τραγανά και κομψά, αλλά περιγράφουν ένα απίστευτα ευρύ φάσμα φαινομένων, από ένα μήλο που πέφτει μέχρι την τροχιά του φεγγαριού. Εάν γνωρίζετε τις αρχικές συνθήκες ενός συγκεκριμένου συστήματος, η ισχύς αυτών των νόμων σας επιτρέπει να λύσετε τις εξισώσεις και να προβλέψετε τι πρόκειται να συμβεί στη συνέχεια. Δεν περιμένουμε, ούτε απαιτούμε, μια a priori μοναδική λύση που να περιγράφει τα πάντα.
Στη θεωρία χορδών, ορισμένα χαρακτηριστικά της φυσικής που συνήθως θα θεωρούσαμε νόμους της φύσης - όπως συγκεκριμένα σωματίδια και δυνάμεις - είναι στην πραγματικότητα λύσεις. Καθορίζονται από το σχήμα και το μέγεθος των κρυμμένων επιπλέον διαστάσεων. Ο χώρος όλων αυτών των λύσεων αναφέρεται συχνά ως «το τοπίο», αλλά αυτό είναι μια άγρια υποτίμηση. Ακόμη και η πιο εντυπωσιακή θέα στο βουνό ωχριούν σε σύγκριση με την απεραντοσύνη αυτού του χώρου. Αν και η γεωγραφία του είναι οριακά κατανοητή, γνωρίζουμε ότι έχει ηπείρους τεράστιων διαστάσεων. Ένα από τα πιο δελεαστικά χαρακτηριστικά είναι ότι πιθανώς όλα είναι συνδεδεμένα — δηλαδή, κάθε δύο μοντέλα συνδέονται με μια αδιάκοπη διαδρομή. Κουνώντας το σύμπαν αρκετά δυνατά, θα μπορούσαμε να μετακινηθούμε από τον έναν πιθανό κόσμο στον άλλο, αλλάζοντας αυτό που θεωρούμε αμετάβλητους νόμους της φύσης και τον ειδικό συνδυασμό στοιχειωδών σωματιδίων που συνθέτουν την πραγματικότητα.
Πώς όμως εξερευνούμε το τεράστιο τοπίο των φυσικών μοντέλων του σύμπαντος που θα μπορούσαν εύκολα να έχουν εκατοντάδες διαστάσεις; Είναι χρήσιμο να οραματιστείτε το τοπίο ως μια σε μεγάλο βαθμό μη ανεπτυγμένη έρημο, το μεγαλύτερο μέρος της κρυμμένο κάτω από παχιά στρώματα δυσεπίλυτης πολυπλοκότητας. Μόνο στις άκρες βρίσκουμε κατοικήσιμα μέρη. Σε αυτά τα φυλάκια η ζωή είναι απλή και ωραία. Εδώ βρίσκουμε τα βασικά μοντέλα που κατανοούμε πλήρως. Έχουν μικρή αξία για την περιγραφή του πραγματικού κόσμου, αλλά χρησιμεύουν ως βολικά σημεία εκκίνησης για να εξερευνήσετε την τοπική γειτονιά.
Ένα καλό παράδειγμα είναι το QED, η θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ύλης και φωτός. Αυτό το μοντέλο έχει μία μόνο παράμετρο, που ονομάζεται σταθερά λεπτής δομής α, η οποία μετρά την ισχύ της δύναμης μεταξύ δύο ηλεκτρονίων. Αριθμητικά, είναι κοντά στο $latex ^1/_{137}$. Στο QED, όλες οι διαδικασίες μπορούν να θεωρηθούν ότι προκύπτουν από στοιχειώδεις αλληλεπιδράσεις. Για παράδειγμα, η απωστική δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρονίων μπορεί να απεικονιστεί ως ανταλλαγή φωτονίων. Το QED μας ζητά να εξετάσουμε όλους τους πιθανούς τρόπους με τους οποίους δύο ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να ανταλλάξουν ένα φωτόνιο, κάτι που στην πράξη θα σήμαινε ότι οι φυσικοί πρέπει να λύσουν ένα άπειρο άθροισμα μεγάλης πολυπλοκότητας. Αλλά η θεωρία προσφέρει επίσης μια διέξοδο:Κάθε επιπλέον ανταλλαγή φωτονίων προσθέτει έναν όρο που περιλαμβάνει το α αυξημένο σε μια πρόσθετη ισχύ. Δεδομένου ότι αυτός είναι ένας σχετικά μικρός αριθμός, οι όροι με πολλές ανταλλαγές συνεισφέρουν μόνο σε μικρή. Μπορούν να παραβλεφθούν κατά προσέγγιση στην «πραγματική» τιμή.
Βρίσκουμε αυτές τις ασθενώς συζευγμένες θεωρίες στα φυλάκια του τοπίου. Εδώ η δύναμη των δυνάμεων είναι μικρή και είναι λογικό να μιλάμε για τη λίστα αγορών των στοιχειωδών σωματιδίων και τη συνταγή που υπολογίζει τις αλληλεπιδράσεις τους. Αλλά αν αφήσουμε το άμεσο περιβάλλον και ταξιδέψουμε πιο βαθιά στην έρημο, οι ζεύξεις γίνονται μεγάλες και κάθε επιπλέον όρος στην επέκταση γίνεται πιο σημαντικός. Τώρα δεν μπορούμε πλέον να διακρίνουμε τα μεμονωμένα σωματίδια. Αντίθετα, διαλύονται σε ένα μπερδεμένο πλέγμα ενέργειας όπως τα συστατικά ενός κέικ σε ζεστό φούρνο.
Ωστόσο, δεν είναι όλα χαμένα. Μερικές φορές το μονοπάτι μέσα στη σκοτεινή ερημιά τελειώνει σε άλλο φυλάκιο. Δηλαδή, σε ένα διαφορετικό καλά ελεγχόμενο μοντέλο, αυτή τη φορά κατασκευασμένο από ένα εντελώς διαφορετικό σύνολο σωματιδίων και δυνάμεων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, υπάρχουν δύο εναλλακτικές συνταγές για την ίδια υποκείμενη φυσική, όπως και με τα πιάτα της Αλίκης και του Μπομπ. Αυτές οι συμπληρωματικές περιγραφές ονομάζονται διπλά μοντέλα και η μεταξύ τους σχέση δυαδικότητα. Μπορούμε να θεωρήσουμε αυτές τις δυαδότητες ως μια μεγάλη γενίκευση της περίφημης δυαδικότητας σωματιδίων-κύματος που ανακάλυψε ο Heisenberg. Για την Αλίκη και τον Μπομπ, έχει τη μορφή μετάφρασης μεταξύ κινεζικών και ιταλικών συνταγών.
Γιατί είναι όλο αυτό τόσο συναρπαστικό για τη φυσική; Πρώτα απ 'όλα, το συμπέρασμα ότι πολλά, αν όχι όλα, μοντέλα αποτελούν μέρος ενός τεράστιου διασυνδεδεμένου χώρου είναι από τα πιο εκπληκτικά αποτελέσματα της σύγχρονης κβαντικής φυσικής. Είναι μια αλλαγή προοπτικής που αξίζει τον όρο «αλλαγή παραδείγματος». Μας λέει ότι αντί να εξερευνήσουμε ένα αρχιπέλαγος μεμονωμένων νησιών, ανακαλύψαμε μια τεράστια ήπειρο. Κατά κάποιο τρόπο, μελετώντας ένα μοντέλο αρκετά βαθιά, μπορούμε να τα μελετήσουμε όλα. Μπορούμε να διερευνήσουμε πώς σχετίζονται αυτά τα μοντέλα, φωτίζοντας τις κοινές δομές τους. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι αυτό το φαινόμενο είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητο από το ερώτημα εάν η θεωρία χορδών περιγράφει τον πραγματικό κόσμο ή όχι. Είναι μια εγγενής ιδιότητα της κβαντικής φυσικής που είναι εδώ για να μείνει, όποια κι αν είναι η μελλοντική «θεωρία των πάντων».
Ένα πιο δραματικό συμπέρασμα είναι ότι όλες οι παραδοσιακές περιγραφές της θεμελιώδους φυσικής πρέπει να απορριφθούν. Σωματίδια, πεδία, δυνάμεις, συμμετρίες — όλα είναι απλώς τεχνουργήματα μιας απλής ύπαρξης στα φυλάκια σε αυτό το τεράστιο τοπίο αδιαπέραστης πολυπλοκότητας. Η σκέψη της φυσικής ως προς τα στοιχειώδη δομικά στοιχεία φαίνεται να είναι λάθος ή τουλάχιστον περιορισμένης εμβέλειας. Ίσως υπάρχει ένα ριζοσπαστικό νέο πλαίσιο που ενώνει τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης που αγνοεί όλες τις γνωστές έννοιες. Οι μαθηματικές περιπλοκές και συνέπειες της θεωρίας χορδών είναι ένα ισχυρό κίνητρο για αυτή τη δραματική άποψη. Αλλά πρέπει να είμαστε ειλικρινείς. Πολύ λίγες τρέχουσες ιδέες για το τι αντικαθιστά τα σωματίδια και τα πεδία είναι «αρκετά τρελές για να είναι αληθινές», όπως αναφέρει ο Niels Bohr. Όπως η Αλίκη και ο Μπομπ, η φυσική είναι έτοιμη να απορρίψει τις παλιές συνταγές και να αγκαλιάσει μια σύγχρονη fusion κουζίνα.
