Από πού προέρχονται ο χώρος, ο χρόνος και η βαρύτητα;

Η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική είναι οι δύο πιο επιτυχημένες εννοιολογικές ανακαλύψεις της σύγχρονης φυσικής, αλλά η περιγραφή της βαρύτητας από τον Αϊνστάιν ως καμπυλότητα στο χωροχρόνο δεν συνδυάζεται εύκολα με ένα σύμπαν που αποτελείται από κβαντικές κυματοσυναρτήσεις. Πρόσφατη εργασία που προσπαθεί να συγκεντρώσει αυτές τις θεωρίες αποκαλύπτει μερικές αλήθειες που μπερδεύουν το μυαλό. Σε αυτό το επεισόδιο, ο φυσικός και συγγραφέας Sean Carroll μιλά με τον οικοδεσπότη Steven Strogatz για το πώς ο χώρος και ο χρόνος μπορεί να είναι αναδυόμενες ιδιότητες της κβαντικής πραγματικότητας, όχι θεμελιώδη μέρη της..

Ακούστε στο Apple Podcasts, το Spotify, το Google Podcasts, το Stitcher, το TuneIn ή την αγαπημένη σας εφαρμογή podcasting ή μπορείτε να το κάνετε ροή από το Quanta .

Μεταγραφή

Στίβεν Στρόγκατζ (00:03):Είμαι ο Steve Strogatz, και αυτό είναι The Joy of Why , ένα podcast από το Quanta Magazine που σας οδηγεί σε μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα στην επιστήμη και τα μαθηματικά σήμερα. Σε αυτό το επεισόδιο, θα συζητήσουμε τα μυστήρια του χώρου και του χρόνου, καθώς και της βαρύτητας. Τι είναι τόσο μυστηριώδες σε αυτά;

Λοιπόν, αποδεικνύεται ότι γίνονται πολύ περίεργα όταν τα κοιτάμε στα βαθύτερα επίπεδά τους, σε μια σούπερ υποατομική κλίμακα, όπου η κβαντική φύση της βαρύτητας αρχίζει να εισχωρεί και να γίνεται κρίσιμη. Φυσικά, κανείς από εμάς δεν έχει άμεση εμπειρία με το χώρο και τον χρόνο και τη βαρύτητα σε αυτή την απίστευτα μικρή κλίμακα. Εδώ πάνω, στην κλίμακα της καθημερινότητας, ο χώρος και ο χρόνος φαίνονται απόλυτα ομαλοί και συνεχείς. Και η βαρύτητα περιγράφεται πολύ καλά από την κλασική θεωρία του Ισαάκ Νεύτωνα, μια θεωρία που υπάρχει εδώ και πάνω από 300 χρόνια.

(00:53) Αλλά μετά, περίπου 100 χρόνια πριν, τα πράγματα άρχισαν να γίνονται περίεργα. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν μας δίδαξε ότι ο χώρος και ο χρόνος μπορούσαν να παραμορφωθούν και να λυγίσουν σαν ένα κομμάτι ύφασμα. Αυτή η παραμόρφωση του χωροχρονικού συνεχούς είναι αυτό που βιώνουμε ως βαρύτητα. Αλλά η θεωρία του Αϊνστάιν ασχολείται κυρίως με τις μεγαλύτερες κλίμακες της φύσης, την κλίμακα των αστεριών, των γαλαξιών και ολόκληρου του σύμπαντος. Δεν έχει πραγματικά πολλά να πει για τον χώρο και τον χρόνο στις πολύ μικρές κλίμακες.

Και εκεί ξεκινάει πραγματικά το πρόβλημα. Εκεί κάτω, η φύση διέπεται από την κβαντική μηχανική. Αυτή η εκπληκτικά ισχυρή θεωρία έχει αποδειχθεί ότι εξηγεί όλες τις δυνάμεις της φύσης, εκτός από τη βαρύτητα. Όταν οι φυσικοί προσπαθούν να εφαρμόσουν την κβαντική θεωρία στη βαρύτητα, διαπιστώνουν ότι ο χώρος και ο χρόνος γίνονται σχεδόν αγνώριστοι. Φαίνεται να αρχίζουν να αυξομειώνονται άγρια. Είναι σχεδόν σαν να καταρρέουν ο χώρος και ο χρόνος. Η ομαλότητά τους καταρρέει εντελώς και αυτό είναι εντελώς ασύμβατο με την εικόνα στη θεωρία του Αϊνστάιν.

(01:54) Καθώς οι φυσικοί προσπαθούν να κατανοήσουν όλα αυτά, ορισμένοι από αυτούς καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι ο χώρος και ο χρόνος μπορεί να μην είναι τόσο θεμελιώδεις όσο πάντα φανταζόμασταν. Αρχίζουν να φαίνονται περισσότερο σαν υποπροϊόντα από κάτι ακόμα πιο βαθύ, κάτι άγνωστο και κβαντομηχανικό. Αλλά τι μπορεί να είναι αυτό; Μαζί μου τώρα για να συζητήσουμε όλα αυτά είναι ο Sean Carroll, ένας θεωρητικός φυσικός που φιλοξενεί το δικό του podcast, Mindscape . Ο Sean πέρασε χρόνια ως ερευνητής καθηγητής φυσικής στο Caltech [Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια], αλλά τώρα μετακομίζει στο Johns Hopkins ως καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας Homewood. Είναι επίσης εξωτερικός καθηγητής στο Ινστιτούτο Santa Fe. Αλλά ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται, ο Sean μελετά βαθιά ερωτήματα σχετικά με την κβαντική μηχανική, τη βαρύτητα, τον χρόνο και την κοσμολογία. Είναι συγγραφέας πολλών βιβλίων, συμπεριλαμβανομένου του πιο πρόσφατου, Something Deeply Hidden:Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime . Sean, σας ευχαριστούμε πολύ που ήρθατε σήμερα μαζί μας.

Σον Κάρολ (02:54):Ευχαριστώ πολύ που με έχεις, Steve.

Στρογκάτζ (02:56):Είναι πολύ συναρπαστικό για μένα να μιλάω με τον κύριο του αναδυόμενου χωροχρόνου. Πραγματικά συγκλονιστικά πράγματα, μου άρεσε πολύ το βιβλίο σας. Ελπίζω ότι μπορείτε να μας βοηθήσετε να κατανοήσουμε αυτά τα πραγματικά ακανθώδες και συναρπαστικά ζητήματα, θα έλεγα, στα σύνορα της φυσικής σήμερα.

Γιατί ρε παιδιά, φυσικοί, ανησυχείτε τόσο πολύ για τον χώρο και τον χρόνο ξανά; Νόμιζα ότι ο Αϊνστάιν φρόντισε για εμάς εδώ και πολύ καιρό. Τι πραγματικά λείπει;

Κάρολ (03:21):Ναι, ξέρετε, σκεφτόμαστε τη σχετικότητα, τη γέννηση της σχετικότητας στις αρχές του 20ου αιώνα, ως μια γιγάντια επανάσταση στη φυσική. Αλλά δεν ήταν τίποτα σε σύγκριση με την κβαντική επανάσταση που συνέβη λίγα χρόνια αργότερα. Ο Αϊνστάιν βοήθησε στην αρχή της ειδικής σχετικότητας, η οποία είναι η θεωρία που λέει ότι δεν μπορείς να κινηθείς πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, όλα μετρώνται σε σχέση με οτιδήποτε άλλο όσον αφορά τις ταχύτητες και τις θέσεις και ούτω καθεξής. Ωστόσο, δεν υπήρχε βαρύτητα στην ειδική σχετικότητα. Αυτό ήταν το 1905. Και μετά 10 χρόνια αργότερα, μετά από πολύ ιδρώτα στο κρανίο και βαριά ανύψωση, ο Αϊνστάιν βρήκε τη γενική σχετικότητα, όπου προσπαθούσε να βάλει τη βαρύτητα στην ειδική σχετικότητα και συνειδητοποίησε ότι χρειαζόταν μια εντελώς νέα προσέγγιση , που έπρεπε να αφήνει τον χωροχρόνο να είναι καμπύλος, να έχει γεωμετρία, να είναι δυναμικός. Είναι ο ίδιος ο ιστός του χωροχρόνου που ανταποκρίνεται στην ενέργεια και τη μάζα, και αυτό είναι που αντιλαμβανόμαστε ως βαρύτητα.

(04:14) Και όσο επαναστατικό κι αν ήταν, αντικαθιστώντας κατά κάποιο τρόπο θεμελιώδεις ιδέες που είχαν προέλθει από τον Ισαάκ Νεύτωνα, τόσο η ειδική σχετικότητα όσο και η γενική σχετικότητα εξακολουθούσαν να είναι θεμελιωδώς κλασικές θεωρίες. Ξέρετε, μερικές φορές αμφισβητούμε τη λέξη «κλασικό», αλλά συνήθως αυτό που εννοούν οι φυσικοί είναι, το βασικό πλαίσιο που έθεσε ο Isaac Newton στο οποίο έχετε πράγματα, είτε είναι σωματίδια είτε πεδία, είτε οτιδήποτε άλλο. Και αυτό το υλικό χαρακτηρίζεται από το τι είναι, πού βρίσκεται και μετά πώς κινείται. Έτσι για ένα σωματίδιο, αυτή θα ήταν η θέση και η ταχύτητά του, σωστά; Και μετά, από αυτό, μπορείς να προβλέψεις τα πάντα, και μπορείς να παρατηρήσεις τα πάντα και είναι ακριβές και ντετερμινιστικό, και αυτό μας δίνει αυτό που ονομάζουμε σύμπαν του ρολογιού, σωστά; Μπορείτε να προβλέψετε τα πάντα. Αν γνωρίζατε τέλειες πληροφορίες για ολόκληρο τον κόσμο, θα ήσασταν αυτό που λέμε «ο δαίμονας του Laplace» και θα μπορούσατε να προβλέψετε με ακρίβεια το μέλλον και το παρελθόν.

(05:08) Αλλά ακόμη και η γενική σχετικότητα, που λέει ότι ο χωροχρόνος είναι καμπύλος, εξακολουθεί να εμπίπτει σε αυτό το πλαίσιο. Είναι ακόμα μια κλασική θεωρία. Και όλοι ξέραμε, μόλις εμφανίστηκε η κβαντική μηχανική, περίπου το 1927, ας πούμε. Αναπτύχθηκε από το 1900 και μετά κάπως έτσι — θριάμβευσε το 1927, σε ένα διάσημο συνέδριο, το πέμπτο συνέδριο Solvay, όπου ο Αϊνστάιν και ο Μπορ μάλωναν για το τι σήμαιναν όλα αυτά.

(05:32) Αλλά από τότε, δεχθήκαμε ότι η κβαντική μηχανική είναι μια πιο θεμελιώδης εκδοχή του πώς λειτουργεί η φύση. Ξέρω — το είπατε αυτό για όλους τους σωστούς λόγους, αλλά δεν είναι ότι η κβαντική μηχανική συμβαίνει σε μικρές κλίμακες. Η κβαντομηχανική είναι η θεωρία του πώς λειτουργεί ο κόσμος. Αυτό που συμβαίνει σε μικρές κλίμακες είναι ότι η κλασική μηχανική αποτυγχάνει. Χρειάζεστε λοιπόν την κβαντική μηχανική. Η κλασική μηχανική αποδεικνύεται ότι είναι ένα όριο, μια προσέγγιση, μια μικρή μικρή εκδοχή της κβαντικής μηχανικής, αλλά δεν είναι η θεμελιώδης.

Και αφού το ανακαλύψαμε, πρέπει να πάρουμε όλα όσα γνωρίζουμε για τη φύση και να τα χωρέσουμε σε αυτό το κβαντομηχανικό πλαίσιο. Και μπορέσαμε να το κάνουμε αυτό κυριολεκτικά για όλα όσα γνωρίζουμε για τη φύση, εκτός από τη βαρύτητα και τον καμπύλο χωροχρόνο. Δεν έχουμε ακόμη έναν πλήρη, 100% αξιόπιστο τρόπο σκέψης για τη βαρύτητα από κβαντική άποψη.

Στρογκάτζ (06:24):Εκτιμώ αυτή τη διόρθωση. Έχετε δίκιο, ήμουν λίγο χαλαρός εκεί λέγοντας ότι η κβαντική μηχανική ισχύει μόνο στις μικρότερες κλίμακες. Εννοώ, υπάρχει — σε μαθηματικούς λόγους, μπορούμε να δούμε πώς η κβαντική μηχανική γίνεται κλασική μηχανική. Είναι συνεπές με αυτό, είναι — στην πραγματικότητα, υπονοεί την κλασική μηχανική, μόλις η κλίμακα γίνει η πιο οικεία.

Κάρολ (06:45):Ναι, όχι μόνο είναι αλήθεια, αλλά είναι κάπως πολύ σημαντικό, και μου αρέσει να το τονίζω ακόμη περισσότερο από ό,τι οι περισσότεροι άνθρωποι, επειδή δεν έχουμε γεννηθεί να κατανοούμε την κβαντική μηχανική. Έχουμε μια πολύ πιο διαισθητική αντίληψη της κλασικής μηχανικής. Και τείνουμε να σκεφτόμαστε τον κόσμο με κλασικούς όρους. Κλασικά, τα πράγματα έχουν θέσεις και έχουν θέσεις — θέσεις και ταχύτητες. Κβαντομηχανικά, αυτό δεν είναι αλήθεια. Και είναι πραγματικά δύσκολο να τυλίξεις το μυαλό σου γύρω από αυτό. Και έτσι, τείνουμε να μιλάμε ακριβώς με τον τρόπο που είπατε, όπως, η κλασική μηχανική λειτουργεί σε μεγάλες κλίμακες, η κβαντομηχανική λειτουργεί σε μικρές κλίμακες, επειδή κάπως δεν θέλουμε να αντιμετωπίσουμε το γεγονός ότι η κβαντική μηχανική είναι παντού σε όλα. και θα πρέπει να μάθουμε να καταλαβαίνουμε τι συμβαίνει.

Στρογκάτζ (07:28):Αλλά λέτε ότι η βαρύτητα ήταν τέτοιου είδους ακραία, ότι είναι πολύ σκληρή — ή τουλάχιστον δεν έχει ενσωματωθεί ακόμη με πλήρως ικανοποιητικό τρόπο, σε οποιοδήποτε είδος κβαντομηχανικού πλαισίου. Υπάρχει τρόπος να συνοψίσουμε ποια είναι η φύση της δυσκολίας; Γιατί είναι τόσο δύσκολο να καταλήξουμε σε μια θεωρία που συνδυάζει την κβαντική θεωρία και τη βαρύτητα;

Κάρολ (07:47):Ναι, υπάρχουν δύο σειρές ζητημάτων που προκύπτουν. Τι μπορείτε να ονομάσετε τεχνικά ζητήματα και εννοιολογικά ζητήματα. Εμείς οι άνθρωποι ξεκινάμε κλασικά. Όταν είσαι φοιτητής φυσικής ως προπτυχιακός και μαθαίνεις κβαντική μηχανική, τι σημαίνει αυτό; Αυτό σημαίνει ότι έχετε διδαχθεί το κλασικό μοντέλο για κάτι, όπως έναν αρμονικό ταλαντωτή ή το άτομο υδρογόνου ή οτιδήποτε άλλο. Και μετά σας δίνονται κανόνες για την κβαντοποίηση αυτής της κλασικής θεωρίας, εντάξει; Οπότε υποτίθεται ότι υπάρχει, κατά κάποιο τρόπο - εσείς οι μαθηματικοί εκεί έξω στο κοινό θα εκτιμήσετε - ένας χάρτης από τον χώρο των κλασικών θεωριών έως τις κβαντικές θεωρίες, εντάξει; Η διαδικασία κβαντοποίησης.

(08:26):Όλα αυτά είναι εντελώς ψεύτικα. Θέλω να πω, είναι κάπως μια σύγχυση που λειτουργεί μερικές φορές, αλλά αυτός ο υποτιθέμενος χάρτης από τις κλασικές θεωρίες έως τις κβαντικές θεωρίες δεν είναι πολύ καλά καθορισμένος. Μπορείτε να έχετε την ίδια κλασική θεωρία που αντιστοιχίζεται σε δύο διαφορετικές κβαντικές θεωρίες. Μπορείτε να αντιστοιχίσετε δύο διαφορετικές κλασικές θεωρίες στην ίδια κβαντική θεωρία. Άρα, δεν υπάρχει άμεση αλληλογραφία και τελικά γιατί να υπάρχει;

(08:46):Αλλά και πάλι, ωστόσο, λειτούργησε για τον ηλεκτρομαγνητισμό, τις πυρηνικές δυνάμεις και οτιδήποτε άλλο. Όταν εφαρμόζετε ευθέως αυτή τη διαδικασία κβαντισμού στη βαρύτητα - έχουμε μια κλασική θεωρία, τη γενική σχετικότητα, μπορούμε να την κβαντίσουμε. Απλώς ανατινάζεται. Απλώς μας δίνει άπειρες τρελές απαντήσεις.

(09:04) Αυτό έχει συμβεί στο παρελθόν στην ιστορία της προσπάθειας κβαντοποίησης των κλασικών θεωριών. Ο Richard Feynman και ο Julian Schwinger και ο Sin-Itiro Tomonaga κέρδισαν περίφημα το βραβείο Νόμπελ επειδή έδειξαν πώς να απαλλαγείτε από τα άπειρα στην κβαντική ηλεκτροδυναμική. Αλλά τα άπειρα που λαμβάνετε στη βαρύτητα είναι διαφορετικού χαρακτήρα, δεν μπορούν να απαλλαγούν, δεν είναι «επανακανονικοποιήσιμα», όπως λέμε. Έτσι, σε ένα πολύ θεμελιώδες μαθηματικό επίπεδο, ξέρετε, η διαδικασία στην οποία βασιζόσασταν όλη την ώρα απλώς σταματά και δεν ξέρετε τι να κάνετε.

(09:35):Αλλά υπάρχει μια ολόκληρη σειρά από πιο βαθιά εννοιολογικά ζητήματα, όχι μόνο δεν ξέρετε τι να κάνετε, δεν ξέρετε τι κάνετε. Γιατί, με όλα τα άλλα, κάθε άλλη θεωρία εκτός από τη βαρύτητα, είναι πολύ ξεκάθαρο τι συμβαίνει. Έχεις πράγματα μέσα στον χωροχρόνο. Τα πράγματα έχουν θέση, σωστά; Έχει ένα σημείο στο χώρο, κινείται μέσα στο χρόνο. Ακόμα κι αν έχετε ένα πεδίο, έχει μια τιμή σε κάθε σημείο του διαστήματος, κ.λπ.

Αλλά στη βαρύτητα, συνδυάζετε κατά κάποιον τρόπο μια ολόκληρη δέσμη διαφορετικών πιθανών γεωμετριών του χωροχρόνου. Και αυτό σημαίνει ότι δεν είστε πραγματικά σίγουροι τι είναι ο χρόνος, για ένα πράγμα, και δεν είστε πραγματικά σίγουροι πού βρίσκονται τα πράγματα στο διάστημα, γιατί αν δεν γνωρίζετε τη γεωμετρία του χώρου, είναι αδύνατο να αναγνωρίσετε ένα σημείο στο χώρο μοναδικά σε όλους τους πιθανούς κβαντικούς συνδυασμούς της γεωμετρίας του χωροχρόνου. Έτσι, πραγματικά, σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, δυσκολευόμαστε να γνωρίζουμε για τι πράγμα μιλάμε, όταν πρόκειται για την κβαντική βαρύτητα.

Στρογκάτζ (10:33):Σίγουρα ακούγεται πολύ ακανθώδες, ότι η ίδια η αρένα, όπως στην παραδοσιακή σκέψη, τη φυσική, όπως λέτε, υπάρχουν πράγματα και πεδία και σωματίδια και πράγματα που συμβαίνουν, κινούνται από μέρος σε μέρος, από στιγμή σε στιγμή μέσα σε αυτή την αρένα του χωροχρόνου. Αλλά τώρα είναι η ίδια η αρένα. Ο Αϊνστάιν μας πήγε ήδη λίγο προς αυτή την κατεύθυνση κάνοντας την αρένα ένα δυναμικό πράγμα όπου ο χώρος και ο χρόνος θα μπορούσαν να παραμορφωθούν και να έχουν, όπως λέτε, δυναμική. Αλλά τώρα, φαίνεται ότι χειροτερεύει πολύ.

Κάρολ (11:02):Λοιπόν, είναι, γιατί θυμηθείτε, αναφέρθηκα στην ιδέα ότι, κλασικά, για ένα σωματίδιο, έχετε μια πολύ σαφή ιδέα για το πού βρίσκεται, τη θέση του και πόσο γρήγορα κινείται. Και θα μπορούσατε να μετρήσετε αυτά τα πράγματα. Το απόκοσμο της κβαντικής μηχανικής είναι ότι για να ορίσετε τι εννοείτε με την κβαντική μηχανική, πρέπει να χρησιμοποιήσετε λέξεις όπως «παρατήρηση» και «μέτρηση». Αυτό δεν ίσχυε ποτέ στην κλασική μηχανική, απλά μετράς ό,τι θέλεις, ήταν τελείως ασήμαντο και απλό. Η κβαντομηχανική είναι λίγο διαφορετική από αυτήν.

(11:03) Και έτσι, ένα από τα πράγματα που κρύβονται εδώ, σε όλη αυτή τη συζήτηση, ξέρετε, υπάρχουν πολλοί, πολλοί θεωρητικοί φυσικοί που θα έλεγαν, ναι, η κβαντική βαρύτητα, πολύ, πολύ σημαντική, θα πρέπει να προσπαθήσουμε να το καταλάβουμε αυτό. Αλλά δεν καταλαβαίνουμε την κβαντική μηχανική. Παρόλο που υπάρχει εδώ και σχεδόν 100 χρόνια. Δεν συμφωνούμε στο τι λέει η κβαντομηχανική, εξαιτίας αυτών των περίεργων λέξεων όπως η μέτρηση και η παρατήρηση. Έτσι, προσπάθησα να εξηγήσω γιατί η κβαντική βαρύτητα είναι δύσκολη, αλλά θα αποκαλύψω τις προκαταλήψεις μου, γιατί δεν μπορώ να το κάνω αυτό χωρίς να εξηγήσω τι νομίζω ότι είναι η κβαντική μηχανική. Ή τουλάχιστον, αναφερόμενος σε αυτό που πιστεύω ότι είναι η κβαντική μηχανική.

Στρογκάτζ (11:32):Οπότε νομίζω ότι πάει πολύ όμορφα στο επόμενο πράγμα που θα σας ρωτούσα. Ελπίζουμε, μέχρι το τέλος αυτού του επεισοδίου, να δώσουμε στους ανθρώπους την αίσθηση του τι σημαίνει να αναδεικνύεται ο χωροχρόνος. Αλλά τι θα σήμαινε για εσάς, ή για οποιονδήποτε μελετά τον χώρο και τον χρόνο, να εμφανιστούν;

Κάρολ (12:05):Επομένως, δεν νομίζω ότι υπάρχει κάτι τέτοιο όπως η θέση ή η ταχύτητα ενός σωματιδίου. Νομίζω ότι αυτά είναι πράγματα που παρατηρείς, όταν τα μετράς, είναι πιθανά αποτελέσματα παρατήρησης, αλλά δεν είναι αυτό που είναι - εντάξει, δεν είναι αυτό που πραγματικά υπάρχει. Και αν το επεκτείνετε στη βαρύτητα, λέτε ότι αυτό που ονομάζουμε γεωμετρία του χωροχρόνου, ή πράγματα όπως η τοποθεσία στο διάστημα, δεν υπάρχουν. Είναι κάποια προσέγγιση που παίρνετε στο κλασικό επίπεδο στις κατάλληλες συνθήκες. Και αυτή είναι μια πολύ βαθιά εννοιολογική αλλαγή στην οποία οι άνθρωποι χάνουν το δρόμο τους πολύ γρήγορα.

(12:58) Είναι μια δύσκολη λέξη. Πρέπει να το σκεφτούμε. Η ανάδυση μοιάζει με την ηθική. Μερικές φορές συμφωνούμε σε αυτό όταν το βλέπουμε. Αλλά άλλες φορές, δεν συμφωνούμε καν για το τι υποτίθεται ότι σημαίνει η λέξη. Έτσι, οι φυσικοί, και οι μαθηματικοί και άλλοι φυσικοί επιστήμονες τείνουν - αλλά όχι πάντα - να βασίζονται σε αυτό που ένας φιλόσοφος θα αποκαλούσε αδύναμη ανάδυση. Και η αδύναμη ανάδυση είναι βασικά μια ευκολία, κατά κάποιο τρόπο. Η ιδέα είναι ότι έχετε μια ολοκληρωμένη θεωρία, έχετε μια θεωρία που λειτουργεί σε κάποιο βαθύ επίπεδο. Ας πούμε, το τυπικό παράδειγμα είναι το αέριο σε ένα κουτί, εντάξει; Έχετε ένα κουτί γεμάτο με κάποια αέρια ουσία, και είναι φτιαγμένο από άτομα και μόρια, σωστά; Και αυτή είναι η μικροσκοπική θεωρία. Και λέτε ότι, εντάξει, θα μπορούσα — καταρχήν, θα μπορούσα να είμαι ο δαίμονας του Laplace, θα μπορούσα να προβλέψω ό,τι θέλω, ξέρω ακριβώς τι συμβαίνει.

(13:47) Αλλά, εμείς οι άνθρωποι, όταν κοιτάμε το αέριο στο κουτί με τα μάτια μας, ή τα θερμόμετρά μας, ή οτιδήποτε άλλο, δεν βλέπουμε κάθε άτομο ή μόριο ξεχωριστά, τη θέση του και την ταχύτητά του, δείτε αυτά που ονομάζουμε χονδρόκοκκα χαρακτηριστικά του συστήματος. Βλέπουμε λοιπόν τη θερμοκρασία του, την πυκνότητά του, την ταχύτητά του, την πίεσή του, τέτοια πράγματα. Και τα ευχάριστα νέα - που δεν είναι καθόλου προφανή ή απαραίτητα, είναι κάπως μυστηριώδη πότε συμβαίνουν και πότε όχι - αλλά τα ευχάριστα νέα είναι ότι μπορούμε να εφεύρουμε μια προγνωστική θεωρία για το τι θα κάνει το αέριο απλά με βάση σε αυτά τα χονδρόκοκκα μακροσκοπικά παρατηρήσιμα. Έχουμε μηχανική ρευστών, σωστά; Μπορούμε να μοντελοποιήσουμε πράγματα χωρίς να γνωρίζουμε τι κάνει κάθε άτομο. Αυτή είναι η εμφάνιση, όταν έχετε ένα σύνολο ιδιοτήτων που είναι μόνο κατά προσέγγιση και χονδρόκοκκο, τις οποίες μπορείτε να παρατηρήσετε σε μακροσκοπικό επίπεδο και ωστόσο μπορείτε να προβλέψετε με αυτές. Και η αδύναμη εμφάνιση σημαίνει απλώς ότι δεν υπάρχει τίποτα νέο που συνέβη στην πορεία. Δεν είπατε ότι, ω, όταν πηγαίνετε στη μεγαλύτερη κλίμακα και κάνετε σμίκρυνση, έρχονται θεμελιωδώς νέες ουσίες ή δυναμικές. Είναι απλώς μια συλλογική συμπεριφορά του μικροσκοπικού υλικού. Αυτό είναι αδύναμη εμφάνιση.

(15:01) Υπάρχει επίσης έντονη εμφάνιση όπου έρχονται τρομακτικά νέα πράγματα. Και οι άνθρωποι μιλούν για την αναγκαιότητα αυτού όταν σκέφτονται τη συνείδηση ​​ή κάτι τέτοιο. Δεν πιστεύω στην ισχυρή ανάδυση στο θεμελιώδες επίπεδο. Επομένως, για μένα, αυτό που σημαίνει η εμφάνιση του χωροχρόνου είναι ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος μοιάζει με τη μηχανική των ρευστών. Είναι σαν τη θερμοκρασία και την πίεση του αερίου και τέτοια πράγματα. Είναι απλώς ένας χονδροειδής, υψηλού επιπέδου τρόπος σκέψης για κάτι πιο θεμελιώδες, στον οποίο προσπαθούμε να βάλουμε το δάχτυλό μας.

Στρογκάτζ (15:34):Ουάου, καθώς περιγράφεις το αέριο σε ένα κουτί, τυχαίνει να κάθομαι σε ένα κουτί. Είμαι σε ένα στούντιο που έχει σχήμα κουτιού. Υπάρχει ένα αέριο εδώ μέσα, που είναι ο αέρας που αναπνέω.

Έτσι κι αλλιώς, ναι, πολύ ζωντανό για μένα, το παράδειγμα για το οποίο μιλάτε. Και είναι καταπληκτικό, έτσι δεν είναι; Ότι υπάρχουν νόμοι σε αυτή τη συλλογική ή αναδυόμενη κλίμακα που λειτουργούν, που δεν λειτουργούν - ξέρετε, όπως η θερμοδυναμική αγνοούσε τη στατιστική φυσική. Στην πραγματικότητα, ανακαλύφθηκε πρώτα, και μόνο αργότερα, βγήκε η μικροσκοπική εικόνα. Και έτσι, υποθέτω ότι λέτε ότι κάτι τέτοιο θα συνέβαινε τώρα με τον χώρο και τον χρόνο και τη βαρύτητα, ότι έχουμε τη μακροσκοπική θεωρία που είναι του Αϊνστάιν.

Κάρολ (16:14):Όταν δεν ξοδεύω τον ερευνητικό μου χρόνο μελετώντας την κβαντική μηχανική και τη βαρύτητα, μελετώ την εμφάνιση. Νομίζω ότι πρέπει να γίνουν πολλά εδώ, για να καθαριστούν και να κατανοηθούν καλύτερα, σε ένα σύνολο ερωτημάτων που εκτείνονται από τη φιλοσοφία έως τη φυσική μέχρι την πολιτική και την οικονομία, για να μην αναφέρουμε τη βιολογία και την προέλευση της ζωής. Λοιπόν, νομίζω ότι αυτά είναι βαθιά ερωτήματα που αντιμετωπίσαμε κάπως ακατάστατα και ατημέλητα, αλλά δεν νομίζω ότι η εμφάνιση του χωροχρόνου είναι δύσκολη για αυτόν τον λόγο.

(16:45) Λοιπόν, όταν μιλάτε για, προκύπτουν οι Ηνωμένες Πολιτείες από τους πολίτες τους; Ή μήπως η Apple Computer Company προκύπτει από κάτι; Είναι δύσκολες ερωτήσεις. Αυτά είναι σαν, δύσκολα, όπως "πού χαράζεις τα όρια;", κ.λπ. Αλλά για τον χωροχρόνο, νομίζω ότι είναι στην πραγματικότητα πολύ απλό. Το μάθημα, το σημαντικό σημείο αναφοράς για το podcast είναι ότι δεν ξεκινάς με τον χωροχρόνο και τον κβαντίζεις, εντάξει; Ακριβώς όπως όταν έχετε το αέριο στο κουτί, προσπαθείτε να αποκτήσετε μια ολοένα καλύτερη θεωρία για το αέριο στο κουτί, αλλά συνειδητοποιείτε ότι είναι φτιαγμένο από κάτι θεμελιωδώς διαφορετικό. Και νομίζω ότι αυτό προτείνω, και άλλοι άνθρωποι προτείνουν επίσης για τον χωροχρόνο, ότι το όλο πράγμα που λειτουργούσε για τον ηλεκτρομαγνητισμό και τα σωματίδια και το μποζόνιο Higgs και το Καθιερωμένο Μοντέλο, όπου ξεκινήσατε με κάποια πράγματα και το κβαντίστηκε, δεν πρόκειται να είναι έτσι όπως θα συμβεί για τη βαρύτητα και το χωροχρόνο. Θα έχετε κάτι θεμελιωδώς διαφορετικό σε βαθύ μικρο-επίπεδο και, στη συνέχεια, θα αναδυθείτε σε αυτό που γνωρίζουμε ως χωροχρόνο.

Στρογκάτζ (17:46):Δεν πρέπει να αρχίσουμε να μιλάμε για διαπλοκή, ίσως σε αυτό το σημείο;

Κάρολ (17:49):Ποτέ δεν είναι πολύ νωρίς για να αρχίσουμε να μιλάμε για διαπλοκή.

Στρογκάτζ (17:51):Ας το συζητήσουμε. Τι είναι αυτό? Το ακούω πολύ. Ακούω κβαντικούς ανθρώπους να μιλάνε γι' αυτό. Στις μέρες μας, ειδικά, με τους κβαντικούς υπολογιστές, συνεχίζουμε να ακούμε για διαπλοκή. Γιατί δεν ξεκινάτε να μας πείτε τι σημαίνει, από πού προήλθε η ιδέα;

Κάρολ (18:04):Ναι, εννοώ, ας σκεφτούμε το μποζόνιο Higgs. Το ανακαλύψαμε πριν από μερικά χρόνια, είναι ένα πραγματικό σωματίδιο, και έγραψα ένα βιβλίο για αυτό, The Particle at the End of the Universe . Το μποζόνιο Higgs - ένας από τους λόγους για τους οποίους είναι δύσκολο να εντοπιστεί είναι ότι διασπάται. Έχει πολύ, πολύ μικρή διάρκεια ζωής, σωστά; Έτσι, μπορείτε να φανταστείτε εάν κάποιος έβαζε ένα μποζόνιο Higgs ακριβώς μπροστά σας, γενικά θα διασπωνόταν σε άλλα σωματίδια σε περίπου ένα zeptosecond. Αυτό είναι 10 δευτερόλεπτα. Πολύ, πολύ γρήγορα.

(18:31) Ένα πράγμα που μπορεί να κάνει, μπορεί να διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, ένα αντιηλεκτρόνιο. Έτσι μπορεί να διασπαστεί σε δύο σωματίδια, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο. Τώρα θυμηθείτε την κβαντομηχανική. Έτσι, μπορείτε να προβλέψετε κατά προσέγγιση πόσο χρόνο θα πάρει το μποζόνιο Higgs για να διασπαστεί, αλλά όταν φτύσει αυτό το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο, δεν μπορείτε να προβλέψετε την κατεύθυνση προς την οποία πρόκειται να κινηθούν.

(18:54) Εννοώ, αυτό είναι απολύτως λογικό επειδή το ίδιο το μποζόνιο Higgs είναι απλώς ένα σημείο. Δεν έχει κατευθυντικότητα στο χώρο. Επομένως, υπάρχει κάποια πιθανότητα να δείτε το ηλεκτρόνιο, σε θάλαμο νέφους ή οτιδήποτε άλλο, να κινείται προς όποια κατεύθυνση θέλετε. Ομοίως, για το ποζιτρόνιο, υπάρχει κάποια πιθανότητα, να το δείτε να κινείται προς όποια κατεύθυνση θέλετε. Αλλά θέλετε να διατηρηθεί η ορμή. Επομένως, δεν θέλετε το μποζόνιο Χιγκς που κάθεται εκεί, ακίνητο, να διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο που κινούνται γρήγορα προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτό θα ήταν μια αλλαγή στην ορμή, σωστά;

(19:26) Έτσι, παρόλο που δεν ξέρετε σε ποια κατεύθυνση πρόκειται να κινηθεί το ηλεκτρόνιο, και δεν ξέρετε προς ποια κατεύθυνση πρόκειται να κινηθεί το ποζιτρόνιο — συγγνώμη, είμαι ήδη, είμαι όντας, είμαι το άτομο που κοροϊδεύω, μιλώ σαν να είναι αληθινά. Παρόλο που δεν ξέρετε ποια κατεύθυνση θα μετρήσετε το ηλεκτρόνιο προς την οποία θα κινηθεί και δεν ξέρετε ποια κατεύθυνση θα μετρήσετε το ποζιτρόνιο προς την οποία θα κινηθεί, ξέρετε ότι αν τα μετρήσετε και τα δύο, θα επιστρέψουν στην πλάτη. Επειδή πρέπει να έχουν ίση και αντίθετη ορμή, για να ακυρωθούν.

(19:54) Αυτό σημαίνει λοιπόν ότι, αν πιστεύετε όλα αυτά τα πράγματα, αμέσως, γι' αυτό πιστεύουμε ότι υπάρχει μόνο μία κυματοσυνάρτηση για το συνδυασμένο σύστημα ηλεκτρονίου και ποζιτρονίου. Δεν είναι μια ανεξάρτητη ερώτηση, σε ποια κατεύθυνση θα μετρήσετε το ηλεκτρόνιο; Σε ποια κατεύθυνση θα μετρήσετε το ποζιτρόνιο; Είναι μια δήλωση που πρέπει να ρωτήσετε ταυτόχρονα. Αυτό είναι εμπλοκή, εκεί. Η διαπλοκή είναι το γεγονός ότι δεν μπορείτε να προβλέψετε ξεχωριστά και ανεξάρτητα ποιο θα είναι το αποτέλεσμα της παρατήρησης για το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο.

(20:26) Και αυτό είναι εντελώς γενικό και παντού στην κβαντική μηχανική. Δεν είναι κάτι σπάνιο, ιδιαίτερο. Πολλά πράγματα μπλέκονται με πολλά άλλα. Είναι η μοναδική και διασκεδαστική και πολύ χρήσιμη στιγμή που τα πράγματα δεν μπλέκονται μεταξύ τους. Χρειάστηκε πολύς χρόνος - όπως ο Αϊνστάιν και οι φίλοι του - ο Αϊνστάιν, ο Ποντόλσκι και ο Ρόζεν, EPR - δημοσίευσαν μια εργασία το 1935 που επισήμανε πραγματικά τη σημασία της διαπλοκής. Επειδή ήταν κάπως εκεί, ήδη, σιωπηρό στις εξισώσεις, αλλά κανείς δεν είχε ρίξει πραγματικά φακό πάνω του, και αυτό έκανε ο Αϊνστάιν. Και ο λόγος που τον ενόχλησε είναι επειδή όταν αυτό το μποζόνιο Higgs διασπάται και το ποζιτρόνιο και το ηλεκτρόνιο κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις, μπορείτε να περιμένετε πολύ, ας πούμε ότι περιμένετε μερικά χρόνια πριν μετρήσετε σε ποια κατεύθυνση κινείται το ηλεκτρόνιο. .

(21:14) Έτσι, και τα δύο σωματίδια είναι πολύ, πολύ μακριά το ένα από το άλλο. Και τώρα όταν μετράτε τη θέση του ενός, υποτίθεται ότι η θέση του άλλου καθορίζεται αμέσως. Και δεν υπάρχει όριο στην ταχύτητα του φωτός ή κάτι τέτοιο. Έτσι, για προφανείς λόγους, ο Αϊνστάιν, που αγαπούσε πολύ την ταχύτητα του φωτός ως όριο στα πράγματα, δεν του άρεσε αυτό. Ποτέ δεν πίστευε ότι αυτή ήταν η τελική απάντηση, πάντα έψαχνε για κάτι καλύτερο.

Στρογκάτζ (21:39):Και το επιχείρημα ισχύει σήμερα ότι είναι εντάξει, δεν αποτελεί παραβίαση της ειδικής σχετικότητας, επειδή δεν μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να μεταφέρετε πληροφορίες ή κάτι τέτοιο; Αυτή είναι η δήλωση;

Κάρολ (21:39):Ναι, καλά, ξέρετε, υπάρχει, υπάρχει ένα σωρό δηλώσεις που μπορεί κανείς να κάνει. Αλλά αυτό που πιστεύουμε απολύτως ότι είναι αληθινό, είναι αυτό που μόλις φτιάξατε. Εάν φανταστείτε αυτά τα δύο σωματίδια να κινούνται μεταξύ τους, και ένα άτομο ανιχνεύσει το ένα, και υπάρχει ένα άλλο, ξέρετε, ένα έτος φωτός μακριά, ποιος θα ανιχνεύσει το άλλο, το θέμα είναι ότι δεν γνωρίζουν ποιο είναι το αποτέλεσμα της μέτρησής σας, θα πρέπει να τους το πείτε.

Έτσι, παρόλο που από την παγκόσμια άποψη, τώρα, η θέση όπου θα ανιχνευθεί το άλλο σωματίδιο είναι γνωστή στον Θεό ή στο σύμπαν, δεν είναι γνωστή σε κανένα συγκεκριμένο άτομο που κάθεται σε οποιαδήποτε θέση μέσα στο σύμπαν. Χρειάζεται η ταχύτητα του φωτός για να λάβετε ένα σήμα που θα σας ενημερώσει ότι υπάρχει κάποιο νέο γεγονός σχετικά με το θέμα, όπου πρόκειται να παρατηρήσετε το ποζιτρόνιο. Έτσι, δεν μπορείτε πραγματικά να το χρησιμοποιήσετε για σηματοδότηση, απλά δεν ξέρετε τι έχει συμβεί όταν ο άλλος παρατηρητής σας έχει μετρήσει κάτι. Και μπορείτε πραγματικά να το αποδείξετε αυτό, με εύλογες υποθέσεις, στη θεωρία όπως τη γνωρίζουμε.

(22:43) Φαίνεται λοιπόν σαν να είναι αυτή η ένταση, ότι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί το σύμπαν περιλαμβάνει συσχετισμούς που ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, αλλά με κάποια καλά καθορισμένη έννοια, οι πληροφορίες δεν ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός . Αυτό θα πρέπει να σας ανησυχεί, ότι δεν ορίσαμε καμία από αυτές τις λέξεις. Ξέρετε, λοιπόν, τι σημαίνει αυτό; Δεν πρόκειται να δημιουργήσετε μια δέσμη μεταφοράς ή κάτι παρόμοιο από αυτό το υλικό.

(23:09) Αλλά — αλλά επιτρέψτε μου απλώς να προσθέσω μια άλλη σκέψη, η οποία νομίζω ότι, και πάλι, είναι αποτέλεσμα του ιδιόμορφου τρόπου σκέψης μου για αυτά τα πράγματα, που δεν είναι εντελώς τυπικό, δηλαδή, στους ανθρώπους αρέσει πολύ η τοποθεσία. Όπως, η τοποθεσία είναι ένα κεντρικό πράγμα. Τοπικότητα είναι απλώς η ιδέα ότι αν σπρώξω το σύμπαν σε ένα σημείο του χωροχρόνου, τα αποτελέσματα αυτού του σπρώξιμο θα συμβούν σε εκείνο το σημείο και μετά θα κυματιστούν. Αλλά θα κυματιστούν σε άλλα σημεία όχι πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, εντάξει; Δεν μπορώ να κάνω τίποτα για να σπρώξω το σύμπαν εδώ που θα αλλάξει την κατάσταση του σύμπαντος με απτό τρόπο πολύ, πολύ μακριά. Και μπορείτε να δείτε πώς αυτή η εμπλοκή είναι κάπως στα όρια αυτού, όπως, η περιγραφή του σύμπαντος αλλάζει αμέσως μακριά, αλλά καμία πληροφορία δεν ταξιδεύει.

(23:51) Λοιπόν, αν πιστεύετε ότι η εντοπιότητα είναι θεμελιώδης έτσι, τότε κάνετε κάπως αυτήν την ερώτηση, γιατί το σύμπαν σχεδόν το παραβιάζει αυτό, αλλά φαίνεται ότι δεν είναι αρκετά; Αυτό είναι το παζλ που έχουμε. Και αυτό είναι — έχει χυθεί πολύ μελάνι στα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής.

(24:06) Το σκέφτομαι εντελώς αντίστροφα, γιατί θεωρώ ότι η κυματοσυνάρτηση είναι το θεμελιώδες πράγμα, σωστά; Νομίζω ότι αυτό υπάρχει στην πραγματικότητα. Και η κυματοσυνάρτηση, όπως και η κυματοσυνάρτηση αυτού του ποζιτρονίου και του ηλεκτρονίου είναι εντελώς μη τοπική. Απλώς υπάρχει όλα - είναι ένα, είναι ένα χαρακτηριστικό του σύμπαντος στο σύνολό του από την αρχή. Λοιπόν, έχω κι εγώ ένα μυστήριο που πρέπει να εξηγήσω, αλλά το μυστήριο μου είναι το αντίθετο. Δεν είναι "γιατί η τοποθεσία παραβιάζεται κατά προσέγγιση ή, ξέρετε, φαινομενικά παραβιάζεται από εμπλοκή;" Είναι "γιατί υπάρχει εντοπιότητα;" Λοιπόν, αυτό είναι το παζλ για μένα.

Στρογκάτζ (24:41):Εντάξει, λοιπόν, όταν μιλάμε για τη διαπλοκή και τις δυσαρέσκειες ή τα θαύματα της, τι σχέση έχουν όλα αυτά με αυτό που λέγαμε νωρίτερα για το διάστημα ως αναδυόμενο; Επειδή υπάρχει κάποια σύνδεση, σωστά;

Κάρολ (24:52):Αυτό είναι σωστό. Η φιλοδοξία είναι να πούμε ότι ξεκινάμε με αυτήν την αφηρημένη κβαντική κυματοσυνάρτηση. Έτσι, αυτό που εννοώ με τον όρο αφηρημένη είναι ότι δεν είναι μια κυματοσυνάρτηση τίποτα. Ο συνηθισμένος τρόπος να μιλάμε, επειδή είμαστε άνθρωποι που ξεκινάμε κλασικά, είναι να πούμε ότι έχουμε την κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου, του αρμονικού ταλαντωτή, του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής ή οτιδήποτε άλλο. Όχι, αυτό είναι εξαπάτηση. Δεν το επιτρέπουμε στους εαυτούς μας. Έχουμε απλώς μια αφηρημένη κβαντική κυματοσυνάρτηση και ρωτάμε, μπορούμε να εξαγάγουμε την πραγματικότητα όπως τη γνωρίζουμε από την κυματοσυνάρτηση; Ο χωροχρόνος, τα κβαντικά πεδία, όλα αυτά τα πράγματα, εντάξει. Επομένως, δεν έχουμε πολλά να δουλέψουμε.

(25:30) Αλλά αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ενδείξεις από τη φυσική όπως την καταλαβαίνουμε στον πραγματικό κόσμο. Έτσι, στον πραγματικό κόσμο, έχουμε, σε πολύ καλή προσέγγιση, ότι ο κόσμος διοικείται από αυτό που ονομάζουμε κβαντική θεωρία πεδίου. Εντάξει, λοιπόν, τα υλικά του κόσμου, τα σωματίδια και οι δυνάμεις κ.λπ., όλα προέρχονται από πεδία που εξαπλώνονται σε όλο τον χώρο και τον χρόνο και έχουν κβαντομηχανική φύση.

(25:55) Άρα, υπάρχει ένα πεδίο για το ηλεκτρόνιο, υπάρχει ένα πεδίο για το φωτόνιο, ένα πεδίο για το γλουόνιο, ένα πεδίο για το μποζόνιο Higgs, κ.λπ. Ένα πεδίο για τη βαρύτητα. Όλα αυτά τα πράγματα είναι κβαντομηχανικά πεδία. Τώρα, πάλι, δεν είναι αυτό που προτείνω, αυτή είναι απλώς η καλύτερη προσέγγισή μας, σωστά; Αυτό φαίνεται να ταιριάζει στα δεδομένα. Και μπορείτε να κάνετε ερωτήσεις σχετικά με το πώς φαίνεται στην πράξη.

Και έτσι, το σημαντικό με τη θεωρία πεδίου είναι ότι ακόμα και σε κενό χώρο, υπάρχουν ακόμα πεδία εκεί. Ο χώρος δεν είναι εντελώς άδειος, δεν είναι απλώς ένα άδειο σκάφος. Υπάρχουν χωράφια που, όπως λέμε, βρίσκονται στη βασική τους κατάσταση. Βρίσκονται στη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση. Έτσι είναι — κλασικά, απλά λέτε ότι το πεδίο έχει τιμή μηδέν. Όπως θα μπορούσατε να πείτε, υπάρχει κάτι που ονομάζεται μαγνητικό πεδίο, αλλά σε αυτό το συγκεκριμένο σημείο στο διάστημα, είναι μηδέν. Είναι ακόμα — υπάρχει ένα πεδίο, αλλά η τιμή του είναι μηδέν. Κβαντομηχανικά, είναι πιο περίπλοκο από αυτό, αλλά μπορείτε ακόμα να πείτε ότι βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση. Αυτό είναι κάτι που επιτρέπεται να το πείτε.

(26:49) Και τότε αυτό που μπορείτε να κάνετε είναι να πάρετε δύο διαφορετικά σημεία του χωροχρόνου, σε κάποια απόσταση μεταξύ τους, και επειδή υπάρχουν ακόμα πράγματα εκεί, επειδή υπάρχουν ακόμα πεδία ακόμη και σε κενό χώρο, μπορείτε να πείτε, υπάρχει εμπλοκή μεταξύ αυτών των δύο σημείων του χώρου; Λόγω των χωραφιών εκεί. Είναι το — είναι η κβαντική κατάσταση των πεδίων σε αυτά τα δύο σημεία του χώρου, είναι μπλεγμένη; Και η απάντηση είναι ναι, πάντα θα μπλέκεται.

Και μάλιστα, περισσότερο από αυτό, αν τα σημεία είναι κοντά, τα χωράφια θα μπλέξουν έντονα μεταξύ τους. Και αν τα χωράφια είναι μακριά, η εμπλοκή θα είναι πολύ, πολύ χαμηλή. Όχι μηδέν, αλλά πολύ, πολύ χαμηλό. So in other words, there is a relationship between the distance between two points and their amount of entanglement in the lowest-energy state of a conventional quantum field theory.

(27:38) And what we say is, look, we start with an abstract quantum wavefunction. We don’t have any such words like distance, or fields, for that matter, right? But we do have the word “entanglement.” We can figure out, if you divide up the wavefunction into this bit and this bit, are those two bits entangled? There’s mathematical ways to measure them using the mutual information, etc. So you can quantify the amount of entanglement between different pieces of the wavefunction. And then, rather than saying “the more distance, the less entanglement,” you turn that on its head. You say, “Look, I know what the entanglement is.” Let me assume, let me put out there as an ansatz [a mathematical assumption], that when the entanglement is strong, the distance is short. And I’m going to define something called the distance. And it’s a small number when the entanglement is large, it’s a big number when the entanglement is small.

(28:26) So what you’re doing is, in this big space in which the wavefunction lives, you’re dividing it up into little bits, you’re relating them — Steve, you will be happy about this. You’re drawing a network, a graph. You have different parts of Hilbert space. Those are nodes in the graph, and then they have edges, and the edges are the amount of entanglement. And there’s a function of those amount of entanglement which says, invert it, roughly speaking, and get a distance. So now you have a graph of nodes with distances between them. And you can ask, do those nodes fit together to approximate a smooth manifold? And if you pick the right kind of laws of physics, they will.

(29:06) And then you can ask, if I perturb it a little bit, so I poke it, so it’s not in its lowest-energy state, it has a little bit of energy in it. Well, that’s going to be dynamical. That’s going to stretch space-time, that’s going to change the amount of entanglement. We can interpret that as a change in the geometry of space. Is there an equation that that obeys?

And the answer is, you know, under many assumptions that are not entirely solid yet, but seem completely plausible, the geometry of that emergent space obeys Einstein’s equation of general relativity. Not completely as surprising and dramatic as it sounds, because there’s not a lot of equations it could have obeyed. But the point is that if we follow our nose, if we say we start not with space, but with entanglement, how should it behave? How should it interact? We get to a place where it’s not at all surprising that it has dynamics, that it changes, that it responds to what you and I would notice as energy, and the kind of response is the kind that Einstein had there in general relativity.

(30:03) So, you can imagine an alternative theory of physics — history of physics. Where Einstein did not invent general relativity. Where we invented quantum mechanics first, and we understood it. And we really thought about it very deeply, and at some point, someone said, you know, if you really take this seriously, the emergent geometry of space should be dynamical and curved, I’m going to call it general relativity. That’s not what happened. But that’s what we’re hoping to work out when we’re all done.

Strogatz (30:28):There’s this big story about this awful acronym, AdS/CFT correspondence, that some people may have heard of. Some of our listeners may know that there’s some — some work that has a similar spirit to what you’re describing, where you derive gravity — not you, Juan Maldacena, I guess, and Lenny Susskind and other people — are trying to derive gravity from quantum field theories that don’t have gravity in them. Can you tell us about some of that and explain it to us?

Carroll (30:35):Right. It is very much close in spirit. And the idea is that you have this principle, called the holographic principle. It doesn’t really deserve the name of a principle because it’s a little bit vague. But the idea is that for a black hole, all of the information, all the quantum mechanical information inside a black hole, can in certain circumstances be thought of as spread out on the boundary of the black hole.

So if you think of the interior of the black hole as a three-dimensional region of space, and the boundary, the event horizon, as a two-dimensional boundary, somehow, you could think of all the information of the black hole as being located on the boundary. So that’s holography, because there’s only a two-dimensional boundary that is filling in the three-dimensional inside, much like shining a light on a two-dimensional hologram gives you a three-dimensional image.

(31:45) What Maldacena did was applied that not to black holes, but to a certain kind of cosmological space-time called anti-de Sitter space. So, in general relativity, in Einstein’s theory of gravity, if there’s nothing going on, if there’s no energy, no stuff, or anything like that, you can solve the equation, Einstein’s equation, and you find flat space-time, which we call Minkowski space-time, this is just the arena where special relativity lives.

(32:12) The next simplest thing you can do is add energy to it, but add only vacuum energy, energy of empty space itself. So there’s no particles or photons or anything like that. There’s just empty space, it has energy. We think that space does have energy now, we discovered this with the accelerating universe, in 1998. And the equations were solved back in 1917 by Willem de Sitter, a Dutch astrophysicist. So, if you have a positive amount of energy in empty space, you get a cosmological solution called de Sitter space. And that is basically where our real universe is evolving to, as we expand and the galaxies move further and further away.

(32:52) If you just flip the sign to make the vacuum energy have a negative amount, you’re allowed to do that. And it’s called anti-de Sitter space. It’s just a flip of the sign in the math. And the great news is that this anti-de Sitter space — again, it’s a pure — all that should drive home to you that this is not the real world. Not only is it empty, but the vacuum energy is negative rather than positive. It’s a completely thought-experiment kind of thing. But what Maldacena showed is that gravity, quantum gravity, string theory he was thinking of in particular, inside anti-de Sitter space can be related to a theory of quantum field theory without gravity, that you can think of as living on the boundary infinitely far away.

(33:36) So if there’s a boundary to anti-de Sitter space infinitely far away, it’s one dimension less. Because it’s kind of like, you know, the event horizon of a black hole, it’s wrapped around the anti-de Sitter space. It is itself flat space-time. There’s no gravity there, you can define quantum field theory on it, you have no conceptual issues with quantizing it. It’s good old, well-defined quantum field theory. And Maldacena argued that it is the same theory as quantum gravity in the interior, in what we call the bulk of anti-de Sitter space. There’s a relationship between these two theories that is a one-to-one correspondence. And it’s hard to prove that. But there’s an enormous amount of evidence that it’s true.

(34:14) And then, subsequent to that, people like Mark Van Raamsdonk and Brian Swingle and others pointed out that if you take the theory on the boundary, the theory that we understand, the quantum field theory without gravity, and all you do is you twiddle the amount of entanglement between different parts of the quantum field theory on the boundary, the geometry of the anti-de Sitter space inside responds. It changes in response to that. In some sense, the geometry of that emergent anti-de Sitter space, holographically emergent, is very sensitive to the amount of entanglement on the boundary. So this is the sense in which, in this case, geometry is emerging from entanglement.

(34:57) So, to compare that to what I’m doing, I am not in anti-de Sitter space. I’m here on Earth, both literally and conceptually. I am in the limit where space-time is almost flat, right, where gravity is weak. Like the solar system, even though the sun is very big, gravity is still weak, it’s nowhere near being a black hole. So there’s no holography, everything is pretty local, as we were talking about before, everything is, you know, bumping up against other things right next to each other, right here in space.

(35:24) The holographic limit, that’s kind of the opposite. Holography kicks in where gravity is strong, where you either have a black hole or a cosmological horizon or something like that. And that’s when the information seems like it’s in one dimension less. What you need in the full theory, which nobody has, is both at once.

(35:47) There’s a huge number of people working on AdS/CFT. CFT because the particular kind of field theory you have on the boundary is what is called a conformal field theory. So C-F-T, conformal field theory. So, there’s a huge number of people working on that. And it’s fun, and it’s well-defined, there’s a lot of math, there’s a lot of physics, full employment, whereas what I’m doing is much less well-defined, because we don’t have this well-defined boundary where everything doesn’t involve gravity, and therefore you can solve all your equations.

(36:16) But, you know, I think that you’re going to need both at the end of the day. I think that the AdS/CFT approach doesn’t really illuminate what goes on in the solar system very well. It illuminates what goes on cosmologically pretty well. So I think that they’re compatible ways of sort of coming at the problem from different approaches.

Strogatz (36:32):You know, I’m glad you mentioned Van Raamsdonk and Swingle, because that’s another very seminal paper in this whole, I want to say “space” of emergent space-time. Thinking, you know, looking ahead, these ideas of emergent space-time, do you think they’ll have impact on our current models in physics?

Carroll (36:50):Well, I think there’s still, certainly, a lot to do just in terms of understanding the proposal, right? I mean, really going from these incomplete ideas about entanglement and emergent geometry to a full theory like, “Oh, this is why things have three dimensions of space. This is the kind of laws of physics that let this happen in the first place,” you know, and so on. And so there’s just, like, a lot of very basic groundwork remaining to be done. The ideal thing, the wonderful thing that would be amazing, is to make an experimental prediction from all this.

(37:25) And it’s not completely wacky to imagine that is possible. For the following reason:You know, it goes back to what we said about space and time not being quite on an equal footing. We’re using them in different ways. So the technical term for this is we’re violating Lorentz invariance. It’s this symmetry that was handed down by Lorentz, a famous Dutch physicist, a mentor of Einstein’s, that says it doesn’t matter how you look at space and time, everyone’s perspective is equal.

That’s not quite right, in our point of view. It might not be right. So, it’s possible that there is an experimental prediction for a tiny violation of Lorentz invariance. And this might show up in, you know, how photons propagate across the universe or something like that, or some very delicate, precise laboratory experiment we can do here on Earth. We don’t know. I don’t have that prediction yet for you. But I think that is something that is plausible within this framework.

Strogatz (38:21):That’s a wild idea. Because a lot of people think of the Lorentz invariance, basically, this principle of relativity, taken very seriously, as a deep inviolable principle in physics, and you’re saying it may be itself an emergent-like approximation. It’s almost like a spurious symmetry that comes out from looking at the emergent theory rather than the fundamental theory.

Carroll (38:43):Yeah, that’s exactly right. And again, maybe, as we have both been saying. It’s a low-probability, high-impact question to ask. So I think — it’s worth spending some of your time on questions like that.

Strogatz (38:55):I feel like you’ve been a very brave and generous person in sharing these speculations with us. I mean, you’ve been so honest about the tentative nature of science, which for all of us who actually do science and math, know that that’s how it really is. But I think it’s, it’s very healthy for our listeners to appreciate this, that we’re all sticking our necks out all the time and we kind of like it, and it’s what makes it such an adventure.

Carroll (39:20):Well, I do think that and, you know, I think that there’s a school of thought that says that scientists should not talk about their results until they’re completely established and refereed and everyone agrees they’re right. And not only do I think that that’s implausible, because even results that are refereed and published could be wrong, I think it’s very antithetical to the spirit of how science is, you know, and I want to emphasize that science is not just a set of results that are handed down from on high, it’s a process. We could be wrong. We’re making suppositions and hypotheses and guesses, and we’re going to figure out whether or not they work. And that’s not a bug, it’s a feature. That’s, that’s how science works. So I’m very willing to talk about tentative things as long as I try to emphasize that they are tentative things.

Strogatz (40:09):Yep. Thank you and bravo. And that we are trying to be rational. We’re looking for evidence, we’re willing to admit when we’re wrong, when we are wrong.

Carroll (40:17):Yeah, actually, I think that it would increase trust in science if we were more honest about the fact that we can be wrong all the time. Because we are going to be wrong some of the time, and if we pretend that we’re never wrong, then it’s going to hurt our credibility when we’re wrong.

Strogatz (40:32):Okay, amen, Sean. Thank you so much for joining us in a really delightful conversation today.

Carroll (40:37):It’s my pleasure. Thanks very much for having me on.

Announcer (40:43):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or a follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.

Strogatz (41:05):The Joy of Why is a podcast from Quanta Magazine , an editorially independent publication supported by the Simons Foundation. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin, with support by Matt Carlstrom, Annie Melchor, and Leila Sloman. Our theme music was composed by Richie Johnson. Our logo is by Jackie King, and artwork for the episodes is by Michael Driver and Samuel Velasco. I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected] Thanks for listening.