Khung cảnh chuỗi có thể là một ý tưởng hấp dẫn mà đầy tiềm năng lý thuyết, nhưng nó không dự đoán bất cứ điều gì chúng ta có thể quan sát được trong Vũ trụ của chúng ta. Ý tưởng về cái đẹp này, được thúc đẩy bằng cách giải quyết các vấn đề không tự nhiên, không đủ để tự mình vươn lên đến mức cần thiết cho khoa học. (Đại học Cambridge)

Là vật lý lý thuyết lãng phí tâm trí sống tốt nhất của chúng ta về vô nghĩa?

Ở đó, không có gì giống như một lý thuyết cho rằng, quá đẹp là sai, nếu nó không đồng ý với thử nghiệm.

Lịch sử vật lý chứa đầy những ý tưởng tuyệt vời mà bạn đã nghe nói, như Mô hình chuẩn, Vụ nổ lớn, Thuyết tương đối rộng, v.v. Nhưng nó cũng chứa đầy những ý tưởng tuyệt vời mà có lẽ bạn đã từng nghe nói, như Mô hình Sakata, lý thuyết Technolor, Mô hình trạng thái ổn định. và vũ trụ học plasma. Ngày nay, chúng ta có những lý thuyết rất thời trang, nhưng không có bất kỳ bằng chứng nào cho chúng: siêu đối xứng, thống nhất lớn, lý thuyết dây và đa vũ trụ.

Bởi vì cách thức lĩnh vực được cấu trúc, sa lầy trong một loạt các ý tưởng, sự nghiệp trong vật lý năng lượng cao lý thuyết tập trung vào các chủ đề này thường thành công. Mặt khác, chọn các chủ đề khác có nghĩa là đi một mình. Ý tưởng về vẻ đẹp của người Hồi giáo hay sự tự nhiên của người Hồi giáo là một nguyên tắc chỉ đạo trong vật lý trong một thời gian dài và đã đưa chúng ta đến điểm này. Trong cuốn sách mới của mình, Lost In Math, Sabine Hossenfelder lập luận một cách thuyết phục rằng việc tiếp tục tuân thủ nguyên tắc này chính xác là những gì mà Lôi dẫn chúng ta lạc lối.

Cuốn sách mới, Lost In Math, đã giải quyết một số ý tưởng cực kỳ lớn, bao gồm quan niệm rằng vật lý lý thuyết bị sa lầy trong nhóm và không có khả năng đối đầu với ý tưởng của họ với ánh sáng khắc nghiệt của thực tế, cho đến nay (không có) bằng chứng để sao lưu chúng . (Sabine Hossenfelder / Sách cơ bản)

Hãy tưởng tượng bạn đã đưa ra một vấn đề giả thuyết về việc chọn hai tỷ phú ra khỏi danh sách và ước tính sự khác biệt về giá trị ròng của họ. Hãy tưởng tượng họ có thể ẩn danh và bạn đã giành được một số người biết giá trị của mình, nơi họ xếp hạng trong danh sách tỷ phú của Forbes, hoặc một trong hai người thực sự có giá trị vào lúc này.

Chúng ta có thể gọi người đầu tiên là A, người thứ hai B và sự khác biệt giữa họ C, trong đó A - B = C. Ngay cả khi không có bất kỳ kiến ​​thức nào khác về họ, có một điều quan trọng bạn có thể nói về C: rất khó có khả năng đó là sẽ rất nhiều, nhỏ hơn nhiều so với A hoặc B. Nói cách khác, nếu cả A và B đều có hàng tỷ đô la, thì có khả năng C cũng sẽ có hàng tỷ, hoặc ít nhất là trong hàng trăm triệu.

Khi bạn có hai số lớn, nói chung và lấy sự khác biệt của chúng, sự khác biệt sẽ có cùng độ lớn với số lượng ban đầu trong câu hỏi. (E. Siegel / dữ liệu từ Forbes)

Ví dụ: A có thể là Pat Stryker (# 703 trong danh sách), có giá trị, hãy để nói, $ 3,592,327,960. Và B có thể là David Geffen (# 190), trị giá $ 8,467,103,235. Sự khác biệt giữa chúng, hoặc A - B, sau đó là - $ 4,874,775,275. C có 50/50 lần bắn là dương hoặc âm, nhưng trong hầu hết các trường hợp, nó sẽ có cùng độ lớn (trong phạm vi 10 hoặc hơn) của cả Aand B.

Nhưng nó đã thắng được luôn. Ví dụ, hầu hết trong số hơn 2.200 tỷ phú trên thế giới trị giá dưới 2 tỷ đô la, và có hàng trăm trị giá từ 1 tỷ đến 1,2 tỷ đô la. Nếu bạn tình cờ chọn hai người trong số họ một cách ngẫu nhiên, điều đó sẽ khiến bạn vô cùng ngạc nhiên nếu sự khác biệt về giá trị ròng của họ chỉ là vài chục triệu đô la.

Các doanh nhân Tyler Winklevoss và Cameron Winklevoss thảo luận về bitcoin với Maria Bartiromo tại FOX Studios vào ngày 11 tháng 12 năm 2017. Tỷ phú bitcoin đầu tiên trên thế giới, giá trị ròng của họ thực sự giống hệt nhau, nhưng có một lý do cơ bản đằng sau lý do. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Tuy nhiên, điều đó có thể làm bạn ngạc nhiên nếu sự khác biệt giữa chúng chỉ là vài nghìn đô la, hoặc bằng không. Thật không thể tin được Nhưng nó có thể không phải là tất cả những gì không thể xảy ra sau tất cả.

Rốt cuộc, bạn không biết những tỷ phú nào trong danh sách của bạn. Bạn có bị sốc khi biết cặp song sinh Winklevoss - Cameron và Tyler, tỷ phú Bitcoin đầu tiên - có giá trị ròng giống hệt nhau không? Hay rằng anh em nhà Collison, Patrick và John (đồng sáng lập của Stripe), có giá trị tương đương trong vòng vài trăm đô la?

Không. Điều này sẽ không gây ngạc nhiên, và nó phơi bày một sự thật về số lượng lớn: nói chung nếu A lớn và B lớn, thì A - B cũng sẽ lớn, nhưng sẽ không có lý do gì mà A và B rất gần nhau. Sự phân phối của các tỷ phú là hoàn toàn ngẫu nhiên, bạn thấy, và do đó, có thể có một số lý do cơ bản cho hai điều dường như không liên quan này thực sự có liên quan. (Trong trường hợp của Collisons hoặc Winklevoss, theo nghĩa đen!)

Các khối lượng của quark và lepton của mô hình tiêu chuẩn. Hạt mô hình tiêu chuẩn nặng nhất là hạt quark trên cùng; phi neutrino nhẹ nhất là electron. Bản thân neutrino nhẹ hơn ít nhất 4 triệu lần so với electron: sự khác biệt lớn hơn so với tồn tại giữa tất cả các hạt khác. Tất cả các cách ở đầu kia của thang đo, thang đo Planck dao động ở mức 10 GeV.Hitoshi Murayama của http: //hitoshi.ber siêu.edu /)

Tính chất tương tự này là đúng trong vật lý. Electron, hạt nhẹ nhất tạo nên các nguyên tử mà chúng ta tìm thấy trên Trái đất, có khối lượng nhỏ hơn 300.000 lần so với hạt quark trên cùng, hạt Mô hình Chuẩn nặng nhất. Các neutrino nhẹ hơn ít nhất bốn triệu lần so với electron, trong khi khối Planck - thang đo năng lượng được gọi là tự nhiên của Vũ trụ đối với Vũ trụ - nặng hơn khoảng 10¹⁷ (hoặc 100.000.000.000.000.000) so với quark trên cùng.

Nếu bạn không biết về bất kỳ lý do cơ bản nào tại sao những khối lượng này lại khác nhau như vậy, thì bạn sẽ cho rằng có một số lý do cho điều đó. Và có lẽ có một. Kiểu suy nghĩ này được biết đến như là một đối số tinh chỉnh hoặc tự nhiên tinh vi. Ở dạng đơn giản nhất, nó nói rằng phải có một số loại giải thích vật lý cho lý do tại sao các thành phần của Vũ trụ với các tính chất rất khác nhau phải có những khác biệt giữa chúng.

Khi các đối xứng được khôi phục (ở đỉnh của tiềm năng), sự thống nhất xảy ra. Tuy nhiên, sự phá vỡ các đối xứng, ở dưới cùng của ngọn đồi, tương ứng với Vũ trụ chúng ta có ngày nay, hoàn thành với các loại hạt lớn mới. Ít nhất, đối với một số ứng dụng. (Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Vật lý tự nhiên 7, 2 Từ3 (2011))

Trong thế kỷ 20, các nhà vật lý đã sử dụng các lập luận tự nhiên để có hiệu quả tuyệt vời. Một cách để giải thích sự khác biệt lớn về quy mô là áp đặt sự đối xứng ở những năng lượng cao, và sau đó nghiên cứu hậu quả của việc phá vỡ nó ở mức năng lượng thấp hơn. Một số ý tưởng tuyệt vời đã xuất hiện từ lý do này, đặc biệt là trong lĩnh vực vật lý hạt. Các boson đo trong lực điện yếu xuất phát từ dòng suy nghĩ này, cũng như cơ chế Higgs và, như đã được xác nhận chỉ vài năm trước, boson Higgs. Toàn bộ Mô hình Chuẩn được xây dựng dựa trên các loại đối số và đối số tự nhiên này, và tự nhiên đã xảy ra để đồng ý với các lý thuyết tốt nhất của chúng tôi.

Các hạt và phản hạt của Mô hình Chuẩn giờ đây đã được phát hiện trực tiếp, với lần giữ cuối cùng, hạt Higgs Boson, rơi tại LHC vào đầu thập kỷ này. (E. Siegel / Vượt xa thiên hà)

Một thành công lớn khác là lạm phát vũ trụ. Vũ trụ cần phải được tinh chỉnh ở một mức độ lớn trong giai đoạn đầu để tạo ra Vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay. Sự cân bằng giữa tốc độ mở rộng, độ cong không gian và lượng vật chất và năng lượng bên trong nó phải là phi thường; nó có vẻ không tự nhiên Lạm phát vũ trụ là một cơ chế được đề xuất để giải thích nó, và từ đó đã có nhiều dự đoán được xác nhận, như:

  • một phổ biến gần như bất biến quy mô,
  • sự tồn tại của quá khổ và quá mức,
  • với sự không hoàn hảo về mật độ đáng tin cậy trong tự nhiên,
  • và giới hạn trên của nhiệt độ đạt được trong Vũ trụ Big Bang thời kỳ đầu.
Các biến động lượng tử xảy ra trong quá trình lạm phát được kéo dài trên toàn vũ trụ và khi lạm phát kết thúc, chúng trở thành biến động mật độ. Điều này, theo thời gian, dẫn đến cấu trúc quy mô lớn trong Vũ trụ ngày nay, cũng như sự dao động nhiệt độ quan sát được trong CMB. (E. Siegel, với các hình ảnh có nguồn gốc từ ESA / Planck và lực lượng đặc nhiệm liên ngành DoE / NASA / NSF về nghiên cứu CMB)

Nhưng bất chấp những thành công của những lập luận tự nhiên này, họ vẫn luôn gặt hái thành quả.

Có một số lượng nhỏ vi phạm CP bất thường trong các phân rã mạnh. Giải pháp đề xuất (một đối xứng mới được gọi là đối xứng Peccei-Quinn) đã không có dự đoán mới nào được xác nhận. Sự khác biệt về quy mô khối lượng giữa hạt nặng nhất và thang đo Planck (vấn đề phân cấp) là động lực cho siêu đối xứng; một lần nữa, nó đã không có dự đoán nào được xác nhận. Sự không tự nhiên của Mô hình Chuẩn đã dẫn đến các đối xứng mới dưới dạng Grand Unified và gần đây hơn, Lý thuyết chuỗi, (một lần nữa) không có dự đoán nào được xác nhận. Và giá trị thấp bất thường nhưng không bằng không của hằng số vũ trụ đã dẫn đến những dự đoán về một loại đa vũ trụ cụ thể thậm chí không thể được kiểm tra. Điều này cũng vậy, tất nhiên, chưa được xác nhận.

Các hạt Mô hình Chuẩn và các đối tác siêu đối xứng của chúng. Hơi dưới 50% các hạt này đã được phát hiện và chỉ hơn 50% chưa bao giờ cho thấy dấu vết chúng tồn tại. Sau hậu quả của Run I và II tại LHC, phần lớn không gian tham số thú vị cho SUSY đã biến mất, bao gồm cả các phiên bản đơn giản nhất đáp ứng tiêu chí ‘WIMP Miracle. (Claire David / Cern)

Tuy nhiên, không giống như trong quá khứ, những ngõ cụt này tiếp tục đại diện cho các lĩnh vực mà các nhà lý thuyết và thực nghiệm hàng đầu tập hợp để điều tra. Những con hẻm mù này, không mang lại kết quả cho hai thế hệ các nhà vật lý, tiếp tục thu hút tài trợ và sự chú ý, mặc dù có thể hoàn toàn bị ngắt kết nối với thực tế. Trong cuốn sách mới của mình, Lost In Math, Sabine Hossenfelder đối đầu một cách khéo léo với cuộc khủng hoảng này, phỏng vấn các nhà khoa học chính thống, những người đoạt giải Nobel và những người tương đối (không phải là crackpot). Bạn có thể cảm thấy sự thất vọng của cô ấy, và cũng là sự tuyệt vọng của nhiều người mà cô ấy nói chuyện. Cuốn sách trả lời câu hỏi của chúng tôi có để chúng ta suy nghĩ mơ hồ về những bí mật mà thiên nhiên giữ cho sự phán xét của chúng ta không?

Sự bất đối xứng giữa các boson và chống boson phổ biến đối với các lý thuyết thống nhất lớn như sự thống nhất SU (5) có thể tạo ra sự bất cân xứng cơ bản giữa vật chất và phản vật chất, tương tự như những gì chúng ta quan sát được trong Vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, độ ổn định thực nghiệm của proton loại trừ các GUT SU (5) đơn giản nhất. (E. Siegel)

Cuốn sách này là một cuốn sách hoang dã, sâu sắc, kích thích tư duy sẽ khiến bất kỳ người hợp lý nào trong lĩnh vực mà vẫn có khả năng tự nghi ngờ nội tâm. Không ai thích đối mặt với khả năng lãng phí cuộc sống của mình để theo đuổi một ý tưởng phũ phàng, nhưng đó là điều mà một nhà lý luận là tất cả. Bạn thấy một vài mảnh ghép chưa hoàn chỉnh và đoán xem bức tranh đầy đủ thực sự là gì; Hầu hết các lần, bạn sai. Có lẽ, trong những trường hợp này, tất cả những dự đoán của chúng tôi đã sai. Trong cuộc trao đổi yêu thích của tôi, cô ấy phỏng vấn Steven Weinberg, người rút ra kinh nghiệm rộng lớn về vật lý của mình để giải thích tại sao các lập luận tự nhiên là hướng dẫn tốt cho các nhà vật lý lý thuyết. Nhưng anh ta chỉ thuyết phục được chúng tôi rằng họ là những ý tưởng tốt cho các lớp vấn đề mà trước đây họ đã thành công trong việc giải quyết. Không có gì đảm bảo họ sẽ là hướng dẫn tốt cho các vấn đề hiện tại; trong thực tế, họ đã không được.

Phép chiếu 2 chiều của đa tạp Calabi-Yau, một phương pháp phổ biến để thu gọn các kích thước phụ, không mong muốn của Lý thuyết chuỗi. Giả thuyết của Maldives nói rằng không gian chống Sitter là toán học kép đối với các lý thuyết trường tuân thủ trong một chiều ít hơn. Điều này có thể không có bất kỳ liên quan cho vật lý của vũ trụ của chúng ta. (Bữa trưa của người dùng Wikimedia Commons)

Nếu bạn là nhà vật lý hạt lý thuyết, nhà lý thuyết dây hoặc nhà hiện tượng học - đặc biệt nếu bạn bị bất đồng về nhận thức - bạn sẽ không thích cuốn sách này. Nếu bạn là một người tin tưởng thực sự vào tự nhiên như là ánh sáng dẫn đường của vật lý lý thuyết, cuốn sách này sẽ làm bạn khó chịu vô cùng. Nhưng nếu bạn là một người không ngại hỏi câu hỏi lớn đó là chúng ta đã làm sai, thì câu trả lời có thể là một câu hỏi lớn, khó chịu, vâng. Những người trong chúng ta là những nhà vật lý trung thực về trí tuệ đã sống cùng sự khó chịu này trong nhiều thập kỷ nay. Trong cuốn sách Sabine, Lost In Math, sự khó chịu này hiện được tiếp cận với phần còn lại của chúng ta.

* - Tiết lộ đầy đủ: Ethan Siegel nhận được bản đánh giá của Lost In Math miễn phí.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan đã là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.