یک نظریه برای توضیح همه چیز در علم فیزیک نظری
اوه پسر. این معادله های پیچیده رو نگاه کن . زیباست در واقع در طول ۱۸ دقیقه پبش رو، من میخواهم آنچه در توان دارم را بکار بگیرم تا زیبایی فیزیک هسته ای را بدون استفاده از معادلات بیان کنم به نظر میاد که ما خیلی میتونیم از مرجان ها یاد بگیریم مرجان یک موجود عجیب و زیباست هر بازوی مرجان از هزاران بازوی ریز تشکیل شده و هر کدام از این بازوها بصورت مستمر انشعاب یافته اند و بصورت ژنتیکی مانند همسایه خود هستند اگر فرض کنیم که یک مرجان شبکه ای هوشمند در اختیار داریم، می توانیم از هر یک از اجزایش به صورت جداگانه سوالی منطقی بپرسیم می توانیم بپرسیم چگونه در این مکان به خصوص، با توجه به همسایه هایش بوجود آمده آیا شانس یا سرنوشت و یا چه چیزی بوده؟
پس از اعتراض به افزایش دمای آب به ما میگه که سوال ما به کلی احمقانه بوده این مرجان ها یک مفهومی را میخواهند برسونند و من میتوانم آن را ثابت کنم. این بازوی مرجان در ادامه میگه که همسایه اش یک نسخه کاملا همسان از اونه در اصل خود اون در تمام مکانهای دیگر حضور داره اما اگر بصورت مجزا آنها را در نظر بگیریم برای یک مرجان که به انشعابهای یکسان کپی شده یک فرایند کاملا طبیعی در جهان است
بر خلاف ما یک مرجان هوشمند مکانیک کوانتم را خوب میفهمه ریاضیات مکانیک کوانتم خیلی دقیق است و توضیح میده که جهان ما چگونه کار میکنه و به ما میگه که واقعیت ما در حال تکثیر و انشعاب به احتمالات گوناگون است درست مانند مرجان برای ما انسانها چیز عجیبی و ذهنمون را پریشون میکنه چون ما تنها یک احتمال زیستن را تجربه کردیم اولین بار این عجایب کوانتمی بوسیله اروین شرودینگر و گربه اش توضیح داده شد گربه، این نسخه را بیشتر دوست دارد. (خنده) در این مثال شرودینگر در جعبه است با یک نمونه رادیواکتیو که با قوانین مکانیک کوانتمی به حالتهای مختلف تقسیم میشه در حالت انتشار رادیواکتیو و حالتی که منتشر نشه (خنده) در حالتی که نمونه منتشر بشه ماشه رها شده و سم آزاد میشه و [گربه‌ی] شرودینگر میمیره اما در وضعیت دیگر زنده میمونه این واقعیت ها توسط اشخاص مختلف آزمایش شده. تا آنجایی که هر کدام از ما بگه دیگری وجود نداره.
این به نظر ما عجیبه چون هر کدام از ما یک زندگی را تجربه کردیم، و سایر انشعابها رو ندیدیم. مثل این است که هر کدام از ما، مانند شرودینگر، یک نوع مرجان هستیم و به احتمالات فراوان تکثیر می شویم. مکانیک کوانتم به ما میگفت که جهان در ابعاد خیلی کوچک اینگونه کار میکنه. و میتوان در یک جمله گفت: هر چیز که امکان بودن داره بوجود میاد. این مکانیک کوانتمی است. اما این بدان معنی نیست که همه چیز رخ میده. بقیه فیزیک برای توصیف اونه که چه چیزهای میتونه رخ بده و چه رخ نمیده. چیزی که فیزیک میگه اینه که همه چیز به هندسه و نقاط بر میگرده و تعامل این ذرات بنیادین. و چیزی اتفاق میافته اگر این تعاملات کاملا منطبق باشه.
حالا من جلوتر میرم و توضیح میدم که ما درباره ذرات زیر اتمی چه میدانیم، اینکه آنها چه هستند و این همخوانی چگونه شکل گرفته. در این دستگاه یک پرتو پروتون و یک ضد پروتون نزدیک به سرعت نور شتاب داده شده اند و با برخورد به یکدیگر یک انرژی خالص پدید میاورند این انرژی بلافاصله به ذرات زیر اتمی تبدیل میشود، توسط کامپیوترها و آشکار سازهایی که برای تشخیص نوع آنها بکار گرفته میشود. این ماشین عظیم — برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن (ژنو) محیطی برابر حدودا ۲۷ کیلومتر دارد و هنگامی که کار میکند ۵ برابر کل توان شهر مونتری مصرف برق دارد ما دقیقا نمیتوانیم تخمین بزنیم چه ذراتی در هر برخورد ایجاد میشود. مکانیک کوانتمی به ما همه احتمالات ممکن را میدهد. اما فیزیک نمیگه چه ذراتی می تواند تولید شود. این ذرات به اندازه جرم و انرژی پروتون و ضد پروتون هستند.
هر ذره ایی که از این حد انرژی بیشتر باشد تولید نمیشود و از دید ما مخفی است. برای همین است که این شتاب دهنده اینقدر هیجان انگیز است. این سطح انرژی را ۷ برابر فراتر از قبل می برد، بنابراین ما به زودی ذرات جدیدتری مشاهده میکنیم.(قبل از مشاهده هیگز سال ۲۰۱۲. مترجم)
اما قبل از آنکه درباره اینکه چه مشاهده میکنیم صحبت کنم، اجازه دهید که ذراتی که تا به حال میشناسیم را توصیف کنم. یک جنگل از ذرات ریز اتمی وجود دارد. ما بیشتر با الکترون آشنا هستیم. خیلی از افراد در این سالن زندگی خوبی با استفاده از انها برای خود ساخته اند. (خنده) اما الکترون همچنین یک شریک خنثی به اسم نوترینو دارد، بدون بار و با جرم اندک. در مقابل کوارک های بالا و پایین جرم خیلی زیادی دارند، و این سه تشکیل پروتون و نوترون را در داخل اتم میدهند. تمام این ذرات ماده به انواع دست چپی و دست راستی تقسیم می شوند، و شرکای ضد ماده دارند که دارای بار مخالف میباشند. این ذرات آشنا همچنین ذرات نا آشنای نسل دوم و سومی دارند که همان بار اولی را دارند اما جرمشان بیشتر است. این ذرات ماده با ذرات نیرو تعامل دارند. نیروی الکترومغناطیس با مواد باردار از طریق ذراتی بنام فوتون در تعامل است. همچنین یک نیروی هسته ای ضعیف وجود دارد، نیروی ضعیف که با مواد دست چپی در تعامل است. نیروی هسته ای قوی بین کوارک ها که بارهای مختلفی به اسم بار رنگی دارند برقرار است، و به سه رنگ قرمز، سبز و آبی تقسیم میشود. شما میتونید موری جلمن را برای این نامها سرزنش کنید تقصیر اونه. در اخر یک نیروی جاذبه است که با ماده از طریق جرم و چرخش در تعامل است.
مهمترین چیزی که اینجا میشه فهمید اینه که یک نوع دیگر بار با هر یک از این نیروها مرتبط است. این چهار نیروی متفاوت با ماده برطبق بارهای منطبق با هر یک از ذرات، در تعاملند. یک ذره ای که تا کنون رویت نشده اما ما کاملا مطمئن هستیم وجود دارد، ذره هیگز است که به هر ذره جرم میبخشد. هدف اصلی شتاب‌دهنده بزرگ هادرون، مشاهده این ذره هیگز است و ما تقریبا مطمئن هستیم که اینطور خواهد شد. اما بزرگترین چالش اینه که ما چه چیز دیگری ممکن است ببینیم. و من یک احتمال زیبا رو تا انتهای سخنانم میخوام بهتون نشون بدم
حال اگر تمام این ذرات را بشماریم با استفاده از بارها و چرخش آنها ۲۲۶ ذره وجود دارد این تعداد خیلی زیادی برای دنبال کردن است. و به نظر عجیب میاد که طبیعت اینهمه ذره دارد. اما چنانچه بر اساس بار آنها را رسم کنیم، تصاویر زیبایی خلق میشه آشناترین آنها بار الکترون است. الکترون بار الکتریکی منفی دارد، و کوارکها بار الکتریکی یک سوم دارند. بنابراین وقتی دو کوارک بالا و یک کوارک پایین برای ساختن پروتن جمع میشوند یک بار مثبت میسازند. این ذرات، پادذره هم دارند که بار مخالف دارد. بنابراین بار الکتریکی مجموع دو بار دیگر است بار قوی و ضعیف. اگر ما بار قوی و ضعیف را جدا کنیم و در محیط دو بعدی فضا – بار رسم کنیم، بار الکتریکی جایی است که این ذرات جا میگیرند در طول جهت عمودی. نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف با ماده در تعاملند بر اساس بار قوی و ضعیف آنها، که این الگو را میسازد مدل یکپارچه الکتروضعیف نامیده میشود این کار در سال ۱۹۶۷ صورت گرفت
دلیل اینکه بیشتر ما تنها با بار الکتریکی آشنا هستیم و نه دو نوع بار بخاطر ذره هیگز است. هیگز در اینجا در سمت چپ یک جرم زیاد دارد و تقارن این الگوی الکتروضعیف را میشکند. باعث ضعیف شدن نیروی هسته ای ضعیف با افزودن جرم آنها میشود. از آنجایی که هیگز سنگین در جهت افقی جا گرفته در این نمودار فوتونهای الکترومغناطیس بدون جرم باقی میمانند و با بارهای الکتریکی جهت عمودی در این فضای بار تعامل دارند. بنابراین نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف با این نمودار دو بعدی توضیح داده شدن. میتوانیم نیروی هسته ای قوی را بگنجانیم با رسم دو جهت بار آن از ذرات نیرو در کوارک در امتداد این جهت ها. بار تمام ذرات ناشناخته در فضای چهاربعدی بار – مکان که در دو بعد نگاشت شده میبینیم.
هر گاه ذرات تعامل میکنند طبیعت انها را در توازن کامل حفظ میکند در طول هر کدام از این چهار جهت. اگر ذرات و ضد ذرات برخورد کنند انرژی آزاد میشود و برایند بار صفر پدید میاید. در این نقطه هر چیزی که ممکن است امکان بوجود آمدنش میباشد با همان انرژی و برایند بار صفر. برای مثال این ذره نیروی ضعیف و ضد آن در این برخورد میتواند ایجاد شود. در تعاملات بعدی بارها باید متوازن باشند. یکی از ذرات ضعیف میتواند به یک الکترون و یک ضد نوترینو تنزل کند، و این سه هنوز برایند بار صفر دارند. طبیعت همیشه یک توازن کامل برقرار میکند. بنابراین این اشکال بار نه تنها زیبا هستند بلکه به ما میگویند که چه تعاملاتی امکان وقوع دارند و ما میتوانیم این فضای چهار بعدی را بچرخانیم تا تعاملات هسته ای قوی را بهتر ببینیم که این توازن هشت گانه زیبا را نشان میدهد. در تعاملات هسته ای قوی یک ذره نیروی قوی مانند این یکی با کوارک رنگی مانند این سبز رنگ تعامل داره تا یک کوارک با رنگ متفاوت مانند این قرمز بدهد و تعاملات هسته ای قوی میلیون ها بار در هر ثانیه در هر اتم بدن ما رخ میدهد، و هسته اتم را به هم میچسباند.
اما این چهار بار که با این سه نیرو منطبق هستند پایان ماجرا نیست. ما میتوانیم دو بار الکتریکی دیگر اضافه کنیم که بر جاذبه منطبق هستند. وقتی ما اینها را لحاظ میکنیم هر ذره ماده شامل دو چرخش بار بالا و پایین متفاوت میشود. بنابراین آنها همه تقسیم شده و یک الگوی زیبا را در فضای ۶ بعدی پدید میاورد ما میتوانیم این نمودار را در ۶ جهت بچرخانیم و ببینیم که چه زیباست در حال حاضر این الگو با اطلاعات فعلی ما منطبق است و اینکه چطور طبیعت در ابعاد ریز از ذرات بنیادین ساخته شده. این چیزی است که ما با اطمینان میدانیم بعضی از این ذرات در مرز آنچه که میتوانستیم به وسیله آزمایش برسیم هستند از این الگو ما فیزیک ذرات در ابعاد کوچک را میشناسیم. کار طبیعت در این ابعاد کوچک بسیار زیبا است.
اما الان من میخواهم در مورد ایده های قدیمی و جدید صحبت کنم درباره چیزهایی که هنوز نمیدانیم. ما میخواهیم این الگو را تنها بر اساس ریاضیات گسترش دهیم، و ببینیم که میتونیم به اون برسیم. میخواهیم تمام نیروها و ذرات را پیدا کنیم که یک تصویر کامل از دنیا میسازد. و این تصویر را برای پیش بینی ذرات جدید بکار بگیریم وقتی آزمایشات به سطوح بالاتر انرژی میرسند.
یک نظریه قدیمی در فیزیک ذرات هست که این الگوی بار شناخته شده که خیلی متقارن نیست، از یک الگوی کاملتر شکسته شده نشئت گرفته مانند ذره هیگز که الگوی الکتروضعیف را شکست تا الکترومغناطیس ایجاد شود. برای انجام چنین کاری باید نیروهای جدید معرفی کنیم با جهت بار جدید. وقتی جهت جدیدی معرفی میکنیم باید حدس بزنیم چه بارها و ذراتی در این امتداد هستند، سپس با دیگران میتوان آنها را چرخاند. اگر خوب حدس بزنیم میتوانیم بارهای استاندارد رو در شش بعد متوازن از مدل کاملتر هفت بعدی بسازیم.
این انتخاب به تئوری یکتایی بزرگ منجر میشه که توسط پتی و سلام در ۱۹۷۳ ارائه شد وقتی ما به این الگوی یکسان جدید مینگریم، مشاهده میکنیم که چند جای خالی برای ذرات وجود دارد. نظریه یکتایی بدین صورت کار میکند به عنوان یک فیزیکدان بدنبال تصویری متقارن تر هستیم که شامل الگوهای ثبت شده در یک زیرمجموعه باشد. تصویر بزرگتر به ما اجازه میده که وجود ذراتی که دیده نشده اند را پیش بینی کنیم. مدل یکتایی، وجود این دو را پیش بینی میکند ذرات نیروی جدید که مانند نیروی ضعیف عمل میکند، کمی ضعیفتر.
حال میتوانیم این مجموعه بارها را بچرخانیم و یک حقیقت عجیب درباره ذرات ماده را دریابیم: که نسل دوم و سوم آنها همان بار یکسان را در مدل شش بعدی دارند نسبت به نسل اول. این ذرات توسط این شش بار کاملا متمایز نمیشوند. آنها در مدل استاندارد بر روی یکدیگر قرار میگیرند. اما اگر در فضای هشت بعدی کار کنیم، میتوانیم بارهای جدیدی به ذرات اختصاص بدهیم. سپس میتوانیم آنرا در هشت بعد بچرخانیم، و ببینیم که کل شکل چگونه به نظر میرسد. در اینجا میتوانیم نسل دوم و سوم ماده را ببینیم نسبت به نسل اول با تقارنی که “سه گانگی” نامگذاری شده.
این شکل منحصر به فرد بارها در هشت بعد یکی از زیباترین اشکال هندسی در ریاضیات بحساب میاید الگویی از گروه E8 را شامل میشود. این گروه افقی یک شکل صاف و خمیده با ۲۴۸ بعد دارد هر نقطه در این شکل به یک تقارن زیبا و پیچیده منتهی میشود یک قسمت کوچک گروه E8 برای توصیف نمودار فضا زمان نسبیت عام انیشتین بکار میرود توصیف جاذبه و مکانیک کوانتمی. هندسه آن میتواند هر چیزی را و اینکه جهان چگونه کار میکند را در مقیاس کوچک توضیح دهد. اینکه جهان چگونه کار میکند را در مقیاس کوچک توضیح دهد. الگوی این شکل که در فضای بار هشت بعدی قرار دارد شدیدا زیباست، و هزاران واکنش ممکن را در این ذرات بنیادین خلاصه کرده که هر کدام یک بند از این شکل پیچیده است.
وقتی آنرا میچرخانیم میتوانیم صورت پیچیده دیگری در آن بیابیم. و با یک چرخش منحصر به فرد، ما میتوانیم به این الگو نگاه کنیم در طول محور متقارن آن در هشت بعد و تمام ذرات را یکباره ببینیم. این شئ بسیار زیباست و با هر اتحاد، مکانهایی که ذرات جدید نیاز است را میتوان یافت. در این شکل ۲۰ جای خالی وجود دارد که باید ذرات جدیدی در آنها باشد، ۲ تای آن توسط پتی و سلام پُر شدند. از مکانشان در این جا پیداست که این ذرات میدان‌های بی جهت مانند ذرات هیگز هستند، اما بارهای رنگی دارند و با نیروی قوی در تعاملند. پر کردن این جاهای خالی شکل کامل E8 را میدهد
این شکل E8 ریشه های ریاضی عمیقی دارد و خیلی ها آنرا زیباترین ساختار در ریاضیات میدانند. چشم اندازی بسار زیباست که این شکل با این زیبایی ریاضی آن میتواند حقیقت تعامل ذرات را توضیح دهد در کوچکترین مقیاس ممکن. این نظریه که طبیعت توسط ریاضیات بیان شده اصلا تازگی ندارد. در سال ۱۶۲۳ گالیله نوشت: کتاب بزرگ طبیعت که همیشه پیش روی ماست، به زبان ریاضی نوشته شده است. کلمات آن مثلث دایره و دیگر شکلهای هندسی هستند، که بدون آنها هیچ بشری امکان درکش را ندارد. حتی یک کلمه. بدون آن ما در تاریکی محض پرسه میزنیم.
من باور دارم که این درست است و من سعی کردم راه گالیله را در توصیف ریاضیات اشکال هندسی، در فیزیک هسته ای با استفاده از مثلث، دایره و سایر اشکال هندسی بپیمایم. مشخصا وقتی من یا دیگر همکارانم در این زمینه ها کار میکنیم ریاضی مانند یک هزارتوی تاریک است اما مطمئن هستیم که در قلب آن زیبایی محض نهفته است. همراه با مکانیک کوانتمی، این ریاضیات جهان ما را بصورت یک مرجان E8 توصیف می کند با ذراتی که در هر مکان با تمام احتمالات در روبرو هستند بر اساس یک الگوی زیبا. و هر چه الگوهای بیشتری دیده میشوند با ماشینهای جدیدتری همچون LHC میتوان دریافت که طبیعت از این الگوی E8 پیروی میکند یا متفاوت است
این مرحله از اکتشاف بسیار ماجراجویانه و زیباست که در آن شرکت کنیم اگر LHC ذره ای را که این الگوی E8 در آن گنجانده میشود بیابد، خیلی عالی خواهد بود. اگر ذرات جدیدی پیدا کند که در این الگو یافت نشود همچنان جالب است اما برای E8 بد خواهد بود و مطمئنا برای شخص من (خنده) حالا چقدر بد خواهد بود؟ خُب، خیلی بد. (خنده)
اما پیشبینی اینکه طبیعت چگونه کار میکند خیلی بازی خطرناکی است این تئوری و دیگر تئوریها احتمال موفقیت کمی دارند. کسانی کلی وقت میگذارند و بیشتر ایده ها در آینده درست از آب در نمی آید. این همان فیزیک نظری است: کلی شکست در کار است. در مقایسه، تئوریهای جدید مانند شرکتهای نو پا هستند. که با هر سرمایه گذاری بزرگ بسیار سخت خواهد بود که هر خط تولید رو که جواب نمیده متوقف کنیم. اما در علم اگر چیزی جواب نده باید آنرا دور بریزیم و چیز جدیدی را آغاز کنیم.
حال تنها راه حفظ سلامت و شادمانی در این میان رعایت توازن در چشم انداز زندگی است. و من سعی کردم این توازن را حفظ کنم. (خنده) سعی کردم بین فیزیک، عشق و موج سواری توازن را رعایت کنم. سه جهت بار شخصیم! (خنده) به این ترتیب اگر در فیزیک به هیچ موفقیتی دست نیابم، حداقل میدانم که زندگی خوبی داشته ام. و سعی میکنم در مکانهای زیبا زندگی کنم برای ۱۰ سال گذشته در جزیره مائوئی زندگی کردم، یک مکان بسیار زیبا. حال این یکی از بزرگترین عجایب جهان برای والدین من است که چگونه بدون یک کار تمام وقت میتوانم زندگی را مدیریت کنم. (خنده)
میخوهم رمز کارم را به شما بگویم. این نمایی از دفتر کارم در مائوئی هست. و این یکی دیگر و میتونید ببینید که این نماهای زیبا شبیه به هم است اما در مکانهای متفاوتی است. بخاطر اینکه این خانه و دفتر کار من در مائوئی بود. (خنده) من یک زندگی غیر متعارف را انتخاب کردم. اما نگران اجاره نیستم و میتوانم وقتم را طوری که میپسندم صرف کنم. این چادرنشینی گاهی دشوار است اما اجازه میده که در مکانهای زیبا زندگی کنم و یک توازنی در زندگی من برقرار میکند که من راضیم. اجازه میده بیشتر وقتم را با مرجانهای فوق هوشمند سپری کنم. اما من از اینکه با آدمهای هوشمند باشم هم خوشم میاد. برای همین از TED برای دعوت من به اینجا خوشحالم. خیلی ممنون. (تشویق)
کریس اندرسون: من احتمالا ۲ درصد اینها را فهمیدم خیلی خوشم امد. اما سوالم شاید احمقانه به نظر بیاد. این تئوری همه چیز
گرت لیسی: من از مرجانها مثال زدم.
کریس: درسته دلیل اینکه چند نفر حداقل هیجان زده شدند، اینه که اگر حق با تو باشه تئوری کوانتم و جاذبه را به هم پیوند میده. بنابراین تو میگی ما باید درباره جهان و کوچکترین اعضایش اینطور فکر کنیم که یک امکان با شی E8 مانند است؟ منظورم اینه که ابعادی در کوچکترین بعد میشه متصور شد یا …؟
گرت: در حال حاضر الگویی که من نشان دادم منطبق بر آنچه ما درباره ذرات فیزیک میدانیم است که خود منطبق بر یک شکل بسیار زیباست. و این چیزی است که ما با اطمینان میدانیم. و این شکل شباهتهای بی نظیری دارد و مدلی که الگوی E8 میده. و این نقاط میتواند بقیه ماجرا باشد در حقیقت تقارن این شئی چند بعدی را معرفی میکند که در حال حرکت رقص و پیچش در طول فضا – زمان است. و این تمام آنچه ما در مورد ذرات بنیادین میدانیم را توضیح میدهد.
کریس: اما یک تئوریسین نظریه ریسمان، آنطور که من درک میکنم الکترون را بصورت ریسمانهای بسیار کوچک لرزان توصیف میکند میدانم شما تئوری ریسمان با لرزش درونی را دوست ندارید. چگونه باید در مورد یک الکترون در مدل E8 فکر کرد؟
گرت: نه، این یکی از تقارنهای شکل E8 خواهد بود. اتفاقی که میافته اینه که وقتی بر شکل در فضا-زمان حرکت میکنیم، میپیچد و جهت ان نیز در حرکت میپیچد این ذراتی است که میبینیم بنابراین باید…
کریس اندرسون: اندازه شکل E8 چگونه به الکترون مرتبط میشه؟ برای خودم میخواهم بدونم، آیا بزرگتره یا کوچکتر؟
گرت: تا آنجایی که ما میدانیم الکترون ها ذرات نقطه ای هستند، بنابراین به کوچکترین ابعاد مرتبط هستند. اینها در تئوری میدانی کوانتم توضیح داده شده همه احتمالات ممکن موجود است. و به خاطر همین من به شباهت ان به مرجان اشاره کردم. و در مدل E8 شکلی است که هر نقطه را در فضا-زمان متصل میکند. و همانطور که گفتم طوری که شکل میپیچد، و جهتی که در حال پیچش است در طول میسر منحنی همان چیزی است که ذرات بنیادین هستند. بنابراین در میدان کوانتم خودشان را بصورت نقاط آشکار میکنند. نمیدونم واقعا چیزی روشن تر شد یا نه! (خنده)
کریس: مهم نیست. حس کنجکاویم را تحریک کرد و قطعا میخواهم بیشتر درباره اش بدانم. اما ممنون برای اینکه حضور به هم رساندید و خیلی جالب بود. (تشویق)
