نظریه میدان کوانتومی ممکن است موفق‌ترین نظریه علمی تمام دوران باشد که نتایج تجربی را با دقت خیره‌کننده پیش‌بینی می‌کند و مطالعه ریاضیات با ابعاد بالاتر را پیش می‌برد. با این حال، دلیلی نیز وجود دارد که باور کنیم چیزی از قلم افتاده است. استیون استروگاتز با دیوید تانگ، فیزیکدان نظری در دانشگاه کمبریج صحبت می کند تا سؤالات باز این نظریه معمایی را بررسی کند.

گوش دادن به پادکست های اپل, Spotify, پادکست های Google, Stitcher به, TuneIn یا برنامه پادکست مورد علاقه شما، یا می توانید آن را از کوانتوم.

رونوشت

استیون استروگاتز (00:03): من استیو استروگاتز هستم و این است شادی چرا، پادکستی از مجله کوانتومی که شما را به برخی از بزرگترین سوالات بی پاسخ در ریاضیات و علوم امروز می برد.

(00:12) اگر تا به حال فکر کرده اید که ما واقعاً از چه چیزی ساخته شده ایم، احتمالاً متوجه شده اید که در حال پایین رفتن از یک سوراخ خرگوش اکتشافات هستید. درست مانند سایر موجودات زنده، البته، ما از سلول ساخته شده ایم. و سلول ها به نوبه خود از مولکول ها و مولکول ها از اتم ها ساخته شده اند. حتی عمیق تر حفاری کنید و خیلی زود خود را در سطح الکترون ها و کوارک ها خواهید دید. اینها ذراتی هستند که به طور سنتی به عنوان انتهای خط، بلوک های سازنده اساسی ماده در نظر گرفته می شدند.

(00:39) اما امروز می دانیم که اینطور است واقعا اینطور نیست. در عوض، فیزیکدانان به ما می گویند که در عمیق ترین سطح، همه چیز از موجودات مرموز، موادی شبیه سیال تشکیل شده است که ما آنها را میدان های کوانتومی می نامیم. این میدان های نامرئی گاهی مانند ذرات عمل می کنند، گاهی مانند امواج. آنها می توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. آنها حتی می توانند، برخی از آنها، درست از میان ما جاری شوند. این نظریه میدان های کوانتومی می توان گفت موفق ترین نظریه علمی تمام دوران. در برخی موارد، پیش‌بینی‌هایی انجام می‌دهد که با آزمایش‌ها تا ۱۲ رقم اعشار حیرت‌انگیز مطابقت دارد. علاوه بر این، نظریه میدان کوانتومی نیز نور عظیمی را بر روی سؤالات خاصی در ریاضیات محض، به ویژه در مطالعه اشکال چهار بعدی و حتی فضاهای بعدی بالاتر، می اندازد. با این حال، دلیلی نیز وجود دارد که باور کنیم نظریه میدان کوانتومی چیزی را از دست داده است. به نظر می رسد از نظر ریاضی ناقص، ما را با سوالات بی پاسخ زیادی رها کرد.

(01:38) اکنون به من بپیوندید تا در مورد همه اینها بحث کنیم دیوید تانگ. دیوید یک فیزیکدان نظری در دانشگاه کمبریج است. تخصص او نظریه میدان کوانتومی است و همچنین به عنوان یک معلم و توضیح دهنده با استعداد استثنایی شهرت دارد. در میان افتخارات فراوان او، جایزه آدامز در سال 2008، یکی از معتبرترین جوایزی که دانشگاه کمبریج اعطا می کند، به او تعلق گرفت. او همچنین یک محقق سیمونز است، جایزه ای از بنیاد سیمونز به دانشمندان و ریاضیدانان برای مطالعه سوالات اساسی. بنیاد سیمونز نیز این پادکست را تامین مالی می کند. دیوید، از اینکه امروز به ما ملحق شدید بسیار متشکرم.

دیوید تانگ (02:15): سلام، استیو. خیلی ممنون که من را دارید

استروگاتز: من خوشحالم که فرصتی برای صحبت با شما دارم. من از خواندن سخنرانی های شما در اینترنت و تماشای برخی از سخنرانی های فوق العاده شما در یوتیوب لذت برده ام. بنابراین این یک درمان عالی است. بیایید با اصول اولیه شروع کنیم. امروز قرار است در مورد زمینه ها صحبت کنیم. به ما بگویید که منشأ آنها چه کسی است. معمولا مایکل فارادی اعتبار می گیرد. ایده او چه بود؟ و چه چیزی را کشف کرد؟

تانگ (02:37): همه چیز برمی گردد به مایکل فارادی. فارادی یکی از فیزیکدانان تجربی بزرگ تمام دوران بود، او یک فیزیکدان تجربی بود، نه یک نظریه پرداز. او در سن 14 سالگی مدرسه را ترک کرد. او اساساً ریاضیات نمی دانست. و با این حال، به طرز شگفت انگیزی، او این شهود را برای نحوه عملکرد جهان ایجاد کرد. این بدان معنی بود که او واقعاً یکی از مهم ترین کمک ها را به فیزیک نظری انجام داد. در طی یک دوره 25 ساله، او با ایده های الکتریسیته و مغناطیس بازی می کرد. داشت آهن ربا می گرفت و سیم مسی دور آنها می پیچید. او چند کار نسبتاً مهم مانند کشف القای الکترومغناطیسی و اختراع موتور الکتریکی انجام داد.

(03:19) و پس از حدود 20 سال از این ماجرا، او پیشنهاد بسیار جسورانه ای را ارائه کرد که تصاویری را که در ذهن خود ایجاد کرده بود تا نحوه کار کردن چیزها را توضیح دهد، در واقع توصیف درستی از کیهانی است که ما در آن زندگی می کنیم.

(03:33) بنابراین اجازه دهید برای شما مثالی بزنم. اگر چند آهن ربا بردارید و آنها را به هم فشار دهید تا دو قطب شمال به یکدیگر نزدیک شوند - این آزمایشی است که همه ما انجام داده ایم. و همانطور که این آهنرباها را به هم فشار می دهید، این نیروی اسفنجی را احساس می کنید که آنها را از هم جدا می کند. فارادی این پیشنهاد بسیار جسورانه را مطرح کرد که در واقع چیزی بین آهنرباها وجود دارد. شگفت‌انگیز است زیرا شما به آهن‌رباها نگاه می‌کنید، در آنجا فقط هوای رقیق است، به وضوح چیزی در آنجا نیست. اما فارادی گفت چیزی در آنجا وجود دارد، چیزی که ما اکنون آن را میدان مغناطیسی می نامیم وجود دارد، او آن را خط نیرو نامید. و اینکه این میدان مغناطیسی به اندازه خود آهنرباها واقعی بود.

(04:11) بنابراین این یک روش بسیار جدید برای تفکر در مورد جهانی بود که ما در آن زندگی می کنیم. او پیشنهاد کرد که نه تنها ذرات در جهان وجود دارد، بلکه علاوه بر این، این نوع دیگر از شی وجود دارد، یک نوع شی بسیار متفاوت میدانی که در همه جای فضا به یکباره وجود دارد. او گفت، اکنون به زبان امروزی می گوییم که در هر نقطه از جهان، دو بردار، دو پیکان وجود دارد. و این بردارها جهت و قدر میدان الکتریکی و مغناطیسی را به ما می گویند.

(04:43) بنابراین او این تصویر از جهان را برای ما گذاشت که در آن نوعی دوگانگی وجود دارد که دو جسم بسیار بسیار متفاوت وجود دارد. ذراتی وجود دارند که میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می کنند. و سپس خود این میدان های الکتریکی و مغناطیسی در حال تکان دادن و تکامل هستند و به نوبه خود به ذرات می گویند که چگونه حرکت کنند. بنابراین این نوع رقص پیچیده بین آنچه ذرات انجام می دهند و آنچه که میدان ها انجام می دهند وجود دارد. و واقعاً، سهم بزرگ او این بود که بگوید این میدان ها واقعی هستند، آنها واقعاً به اندازه ذرات واقعی هستند.

استروگاتز (05:12): پس چگونه مفهوم میدان ها پس از کشف مکانیک کوانتومی تغییر کرد؟

تانگ (05:18): بنابراین زمانی که مکانیک کوانتومی به وجود آمد، اکنون سال 1925 است. و ما چنین دیدگاه عجیبی از جهان داریم. بنابراین می دانیم که میدان های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد. و می دانیم که امواج این میدان های الکترومغناطیسی همان چیزی است که ما آن را نور می نامیم. اما علاوه بر این، به دلیل انقلاب کوانتومی، می دانیم که نور خود از ذرات، فوتون ها ساخته شده است.

(05:41) و بنابراین نوعی سوال مطرح می شود، و آن این است که چگونه باید به این رابطه بین میدان ها از یک سو و فوتون ها از سوی دیگر فکر کنید. و من فکر می‌کنم دو احتمال منطقی برای این کار وجود دارد، می‌تواند این باشد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را به‌عنوان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متشکل از تعداد زیادی فوتون در نظر بگیرید، به جای اینکه یک سیال از تعداد زیادی اتم تشکیل شده باشد. فکر کنید اتم ها شی بنیادی هستند. یا به طور متناوب، ممکن است برعکس باشد، ممکن است زمینه ها چیز اساسی باشند. و فوتون ها از امواج کوچک میدان ها می آیند. بنابراین آنها دو احتمال منطقی بودند.

(06:18) و پیشرفت بزرگ در، خوب، به نوعی از سال 1927 شروع می شود. اما 20 یا 30 سال طول می کشد تا این به طور کامل مورد توجه قرار گیرد. بنابراین، قدردانی بزرگ این است که این میدان‌ها هستند که واقعاً اساسی هستند، که میدان الکتریکی و مغناطیسی اساس همه چیز است. و موج‌های کوچک میدان الکتریکی و مغناطیسی به دسته‌های کوچکی از انرژی تبدیل می‌شوند که ما آن‌ها را فوتون می‌نامیم، به دلیل تأثیرات مکانیک کوانتومی.

(06:44) و گام بزرگ شگفت‌انگیز، یکی از گام‌های بزرگ وحدت‌بخش در تاریخ فیزیک، درک این موضوع است که همان داستان برای تمام ذرات دیگر نیز صادق است. اینکه چیزهایی که ما الکترون می نامیم و چیزهایی که ما کوارک می نامیم، خود اجسام اساسی نیستند. در عوض، چیزی به نام میدان الکترونی، دقیقاً مانند میدان های الکتریکی و مغناطیسی، در سراسر جهان پخش شده است. و ذراتی که ما آنها را الکترون می نامیم، امواج کوچک این میدان الکترونی هستند. و همین امر برای هر ذره دیگری که مایل به ذکر آن هستید نیز صادق است. یک میدان کوارکی وجود دارد - در واقع، شش میدان کوارکی مختلف در سراسر جهان وجود دارد. میدان های نوترینو، میدان هایی برای گلوئون ها و W بوزون ها و هر زمان که ذره جدیدی را کشف می کنیم که جدیدترین آنها بوزون هیگز است، می دانیم که مرتبط با آن میدانی است که زیربنای آن است و ذرات فقط امواج میدان هستند.

استروگاتز (07:33): آیا نام خاصی وجود دارد که باید آن را با این طرز تفکر مرتبط کنیم؟

تانگ (07:36): یک نفر است و او یک نفر است، او تقریباً از کتاب های تاریخ پاک شده است، زیرا او یکی از اعضای بسیار مشتاق حزب نازی بود. و قبل از اینکه حزب نازی به عضویت در حزب نازی خوانده شود، او یکی از اعضای حزب نازی بود. نام او پاسکال جردن است. و او یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی بود. او در اوراق اصلی با هایزنبرگ و دیگران بود. اما او واقعاً کسی بود که برای اولین بار قدردانی کرد که اگر با یک میدان شروع کنید، و قوانین مکانیک کوانتومی را به کار ببرید، در نهایت با یک ذره مواجه خواهید شد.

استروگاتز (08:06): خوب، خوب، خیلی خوب. اکنون، شما به همه این موارد متفاوت اشاره کردید - میدان الکترونی، کوارک، W و Z بوزون ها و بقیه کمی در مورد مدل استاندارد که در مورد آن زیاد می شنویم به ما بگویید.

تانگ (08: 18): مدل استاندارد is بهترین نظریه فعلی ما در مورد جهان ما در آن زندگی می کنیم. این نمونه ای از یک نظریه میدان کوانتومی است. اساساً همه ذراتی هستند که قبلاً فهرست کرده ایم. هر کدام از آن ها زمینه ای مرتبط با خود دارند. و مدل استاندارد فرمولی است که نحوه تعامل هر یک از آن فیلدها با دیگران را توضیح می دهد. زمین های مورد بازی سه میدان نیرو هستند. و بسته به نحوه شمارش 12 فیلد ماده، به روشی که من توضیح خواهم داد. بنابراین، سه میدان نیرو، الکتریسیته و مغناطیس هستند - از آنجایی که، در واقع تا حد زیادی به دلیل فارادی، متوجه می‌شویم که میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی دو روی یک سکه هستند، نمی‌توان یکی را بدون دیگری داشت. بنابراین ما، آنها را فقط به عنوان یک حساب می کنیم. و سپس دو میدان نیروی هسته ای وجود دارد، یکی به نام میدان گلوئون که به نیروی هسته ای قوی مرتبط است. این هسته ها را در داخل اتم ها و سایر میدان های مرتبط با نیروی هسته ای ضعیف را کنار هم نگه می دارد. به آنها می گویند W بوزون یا Z میدان های بوزون بنابراین ما سه میدان نیرو داریم.

[ویدئو را وارد کنید: مدل استاندارد: موفق ترین نظریه علمی تا کنون]

(09:20) و سپس ما یک دسته میدان ماده داریم، آنها در سه گروه چهار تایی قرار می گیرند. آشناترین آنها یک میدان الکترونی، دو میدان کوارکی مرتبط با کوارک بالا و پایین است. پروتون شامل - اوه مرد، امیدوارم که ما این را درست متوجه شویم - دو تا بالا و پایین و نوترون شامل دو پایین و یک بالا است، فکر می‌کنم، من این را درست متوجه شدم.

استروگاتز (09:41): در هر صورت می توانید مرا گول بزنید. من هرگز نمی توانم به یاد بیاورم.

تانگ (09:43): بله، اما شنوندگان خواهند دانست. و سپس یک میدان نوترینو. بنابراین مجموعه ای از چهار ذره در تعامل با سه نیرو وجود دارد. و سپس به دلیلی که ما واقعاً نمی‌دانیم، جهان تصمیم گرفت آن میدان‌های ماده را دو بار تکرار کند. بنابراین مجموعه دومی از چهار ذره به نام میون، جذابیت عجیب و نوترینوی دیگر وجود دارد. نام‌های خوب نوترینوها در ما تمام شد، بنابراین ما آن را نوترینو میون می‌نامیم. و سپس مجموعه دیگری از چهار را دریافت می کنید: تاو، کوارک بالا، کوارک پایین و دوباره، یک نوترینوی تاو. بنابراین طبیعت این روش را برای تکرار دارد. و هیچ کس واقعا نمی داند چرا. من فکر می کنم که این یکی از رازهای بزرگ باقی می ماند. اما مجموعه‌ای از 12 ذره که با سه نیرو در تعامل هستند، مدل استاندارد را تشکیل می‌دهند.

(09:43) اوه، و من یکی را از دست دادم. اونی که از دست دادم مهمه این بوزون هیگز است. بوزون هیگز به نوعی همه چیز را به هم گره می زند.

استروگاتز (10:37): بسیار خوب، این وسوسه انگیز است. شاید باید کمی بگوییم که بوزون هیگز چه می کند، چه نقشی در مدل استاندارد ایفا می کند.

تانگ (10:43): این کار نسبتاً خاصی انجام می دهد. به تمام ذرات دیگر جرم می دهد. من دوست دارم یک قیاس خوب داشته باشم تا توضیح دهم که چگونه جرم می دهد. من می توانم قیاس بدی بدهم، اما واقعاً قیاس بدی است. تشبیه بد این است که این میدان هیگز در تمام فضا پخش شده است، این یک جمله درست است. و تشبیه بد آن این است که کمی شبیه به کاسه یا ملاس عمل می کند. ذرات باید به نوعی از این میدان هیگز عبور کنند تا هر گونه پیشرفتی داشته باشند. و این به نوعی سرعت آنها را کاهش می دهد. آنها به طور طبیعی با سرعت نور حرکت می کنند و با حضور میدان هیگز سرعت آنها کاهش می یابد. و این مسئول پدیده ای است که ما آن را توده می نامیم.

(11:22) بخش بزرگی از آنچه که گفتم اساساً دروغ است. منظورم این است که به نوعی نشان می دهد که مقداری نیروی اصطکاک در بازی وجود دارد. و این درست نیست. اما این یکی از مواردی است که در آن معادلات در واقع به طرز شگفت آوری آسان هستند. اما به دست آوردن یک قیاس متقاعد کننده که آن معادلات را در بر می گیرد، نسبتاً سخت است.

استروگاتز (11:36): این جمله شگفت انگیزی است که شما گفتید، که بدون میدان هیگز یا برخی، گمان می کنم، مکانیزم مشابه، همه چیز با سرعت نور در حال حرکت است. درست شنیدم؟

تانگ (11:47): بله، به جز، مثل همیشه، این چیزها، بله، با یک اخطار. "اما" این است که اگر میدان هیگز خاموش شود، الکترون با سرعت نور حرکت می کند. بنابراین می دانید، اتم ها به ویژه پایدار نخواهند بود. نوترینو، که به هر حال تقریباً بدون جرم است، با سرعت نور حرکت می کند. اما پروتون یا نوترون، به نظر می رسد، اساساً همان جرمی خواهد داشت که اکنون دارند. می دانید، کوارک های درون آنها بدون جرم خواهند بود. اما جرم کوارک‌های درون پروتون یا نوترون در مقایسه با پروتون یا نوترون کاملاً بی‌اهمیت است - 0.1٪، چیزی شبیه به آن. بنابراین، پروتون یا نوترون در واقع جرم خود را از بخشی از نظریه میدان کوانتومی که ما کمترین آن را درک می کنیم، بدست می آورند، اما نوسانات وحشی میدان های کوانتومی، چیزی است که در داخل پروتون یا نوترون می گذرد و به آنها جرم می دهد. بنابراین ذرات بنیادی بی جرم می شوند - کوارک ها، الکترون ها - اما موادی که ما از آنها ساخته شده ایم - نوترون ها و پروتون ها - نمی شوند. آنها جرم خود را از این مکانیسم دیگر به دست می آورند.

استروگاتز (12:42): شما فقط پر از چیزهای جالب هستید. ببینیم می‌توانم در پاسخ به آن چه فکر می‌کنم، بگویم. و اگر کاملاً اشتباه کردم می توانید مرا اصلاح کنید. بنابراین من این کوارک‌های برهم کنش قوی را در داخل یک پروتون دارم. و من در ذهن خود نگه می دارم که حدس می زنم برخی وجود دارد E = mc² ارتباطی که در اینجا وجود دارد، که فعل و انفعالات قدرتمند با مقدار زیادی انرژی همراه است. و این به نوعی به جرم تبدیل می شود. آیا این است، یا اینکه ذرات مجازی در حال ایجاد و سپس ناپدید شدن هستند؟ و همه اینها باعث ایجاد انرژی و در نتیجه جرم می شود؟

تانگ (13:16): این هر دو موردی است که شما گفتید. بنابراین ما این دروغ را زمانی که در دبیرستان هستیم می گوییم - فیزیک همه چیز در مورد دروغ گفتن در جوانی است و متوجه می شود که با بزرگتر شدن همه چیز کمی پیچیده تر می شود. دروغی که ما می گوییم، و قبلاً هم گفتم، این است که در داخل هر پروتون و هر نوترون سه کوارک وجود دارد. و این درست نیست. گفته صحیح این است که در داخل یک پروتون صدها کوارک و آنتی کوارک و گلوئون وجود دارد. و بیان اینکه واقعاً سه کوارک وجود دارد، روش صحیح گفتن این است که در هر زمان معین، سه کوارک بیشتر از آنتی کوارک ها وجود دارد. بنابراین به نوعی سه مورد اضافی وجود دارد. اما این یک جسم فوق العاده پیچیده است، پروتون. این هیچ چیز خوب و تمیزی نیست. این شامل این صدها، احتمالاً حتی هزاران ذره مختلف است که به روشی بسیار پیچیده در تعامل هستند. می‌توانید در مورد این جفت‌های کوارک-آنتی کوارک به‌عنوان ذرات مجازی فکر کنید، چیزهایی که فقط از خلاء بیرون می‌آیند و دوباره به داخل پروتون بازمی‌گردند. یا راه دیگری برای فکر کردن در مورد آن این است که خود میدان ها به شکلی پیچیده در داخل پروتون یا نوترون که به اطراف کوبیده می شوند هیجان زده می شوند و این همان چیزی است که به آنها جرم می دهد.

استروگاتز (14:20): قبلاً اشاره کردم که این یک نظریه بسیار موفق است و چیزی در مورد 12 رقم اعشار ذکر کردم. می تونی راجع به آن به ما بگی؟ از آنجا که این یکی از پیروزی‌های بزرگ است، می‌توانم بگویم نه فقط در مورد نظریه میدان کوانتومی، یا حتی فیزیک، بلکه در مورد کل علم. منظورم این است که تلاش بشر برای درک جهان، این احتمالا بهترین کاری است که تا به حال انجام داده ایم. و از نقطه نظر کمی، ما به عنوان یک گونه.

تانگ (14:42): فکر می کنم دقیقاً درست است. این یک نوع خارق العاده است. باید بگویم که چند چیز وجود دارد که می‌توانیم فوق‌العاده خوب محاسبه کنیم، وقتی می‌دانیم داریم چه کار می‌کنیم، واقعاً می‌توانیم کاری تماشایی انجام دهیم.

استروگاتز (14:42): همین سوال در مورد اثربخشی نامعقول ریاضیات کافی است تا شما را در حالت فلسفی قرار دهد.

تانگ (14:52): بنابراین، شیء خاص یا کمیت خاص، که پوستر نظریه میدان کوانتومی است، زیرا ما می‌توانیم آن را به خوبی محاسبه کنیم، گرچه انجام این محاسبات چندین و چند دهه طول می‌کشد، آنها آسان نیستند. اما نکته مهم این است که ما می توانیم آن را به خوبی به صورت تجربی اندازه گیری کنیم. بنابراین یک عدد نامیده می شود g-2، در طرح کلان چیزها اهمیت خاصی ندارد، اما عدد زیر است. اگر یک الکترون بگیرید، آنگاه اسپین دارد. الکترون حول محورهایی می چرخد ​​که بی شباهت به چرخش زمین حول محور خود نیست. کوانتومی بیشتر از این است، اما تشبیه بدی نیست که در ذهن داشته باشید.

(14:59) و اگر الکترون را بگیرید و آن را در میدان مغناطیسی قرار دهید، جهت آن اسپین در طول زمان پردازش می‌شود، و این عدد g-2 فقط به شما می گوید که چقدر سریع پردازش می شود، -2 کمی عجیب است. اما شما ساده لوحانه فکر می کنید که این عدد 1 خواهد بود. و [پل] دیراک برنده جایزه نوبل تا حدی برای نشان دادن اینکه این عدد در واقع 2 به تقریب اول است. سپس [جولیان] شوینگر برنده جایزه نوبل شد، همراه با [ریچارد] فاینمن و [سین-ایتیرو] توموناگا، برای نشان دادن اینکه، می دانید، این 2 نیست، بلکه 2 نقطه-چیزی-چیزی-چیزی است. سپس با گذشت زمان، آن چیزی-چیزی-چیزی را با XNUMX مورد دیگر بعد از آن ساخته ایم. همانطور که گفتید، این چیزی است که ما اکنون از نظر تئوری بسیار خوب و از نظر تجربی بسیار خوب می دانیم. و دیدن این اعداد، رقم به رقم، که با یکدیگر همخوانی دارند، حیرت آور است. این یک چیز نسبتا خاص است.

(15:21) این یکی از چیزهایی است که شما را به آن سمت سوق می دهد این است که خیلی خوب است. این خیلی خوب است که این یک مدل برای جهان نیست، این به نوعی به دنیای واقعی، این معادله نزدیک تر است.

استروگاتز (16:31): پس با خواندن ستایش نظریه میدان کوانتومی، و شایسته تمجید است، باید بدانیم که این نظریه یا مجموعه ای از نظریه ها بسیار پیچیده و از جهاتی مشکل ساز است. و بنابراین در این بخش از بحث ما، نمی‌دانم آیا می‌توانید به ما کمک کنید تا بفهمیم چه رزروی باید داشته باشیم؟ یا مرز کجاست. مانند، گفته می شود که نظریه ناقص است. چه چیزی در مورد آن ناقص است؟ رازهای بزرگ باقی مانده در مورد نظریه میدان کوانتومی چیست؟

تانگ (17:01): می دانید، این واقعاً به آنچه مشترک هستید بستگی دارد. اگر شما یک فیزیکدان هستید و می خواهید این عدد را محاسبه کنید g-2، پس هیچ چیز ناقصی در مورد نظریه میدان کوانتومی وجود ندارد. وقتی آزمایش بهتر شد، می دانید، ما محاسبه می کنیم یا بهتر انجام می دهیم. شما واقعاً می توانید آنطور که می خواهید انجام دهید. چندین محور برای این وجود دارد. بنابراین اجازه دهید برای شروع روی یکی تمرکز کنم.

(17:22) مشکل زمانی پیش می آید که ما با دوستان ریاضیدان خالص خود صحبت می کنیم، زیرا دوستان ریاضیدان خالص ما افراد باهوشی هستند و ما فکر می کنیم که این نظریه ریاضی را داریم. اما آنها نمی فهمند که ما در مورد چه چیزی صحبت می کنیم. و تقصیر آنها نیست، تقصیر ماست. اینکه ریاضیاتی که ما با آن سر و کار داریم، چیزی نیست که روی پایه دقیق باشد. این چیزی است که ما به نوعی سریع و شل با ایده های مختلف ریاضی بازی می کنیم. و همانطور که این توافق با آزمایش‌ها نشان می‌دهد، کاملاً مطمئن هستیم که می‌دانیم چه می‌کنیم. اما مطمئناً در سطح سختگیری نیست که، خوب، مطمئناً ریاضیدانان با آن راحت باشند. و من فکر می کنم به طور فزاینده ای که ما فیزیکدانان نیز با آن احساس ناراحتی می کنیم.

(17:22) باید بگویم که این چیز جدیدی نیست. همیشه وقتی ایده‌های جدید، ابزارهای ریاضی جدید وجود دارد، این اتفاق می‌افتد که اغلب فیزیکدانان این ایده‌ها را می‌گیرند و فقط با آن‌ها اجرا می‌کنند، زیرا می‌توانند مسائل را حل کنند. و ریاضیدانان همیشه دوست دارند - آنها کلمه "سخت" را دوست دارند، شاید کلمه "Pedantry" بهتر باشد. اما اکنون، آنها به نوعی کندتر از ما پیش می روند. آنها من را نقطه می زنند و از T عبور می کنند. و به نوعی، با نظریه میدان کوانتومی، من احساس می‌کنم که، می‌دانید، آنقدر طولانی است، پیشرفت کمی صورت گرفته است که شاید ما به اشتباه در مورد آن فکر می‌کنیم. پس این یکی از نگرانی‌ها این است که نمی‌توان آن را از نظر ریاضی سخت‌گیرانه کرد. و این از طریق میل به تلاش نیست.

استروگاتز (18:33): خوب، بیایید سعی کنیم نقطه اصلی دشواری را درک کنیم. یا شاید تعداد آنها زیاد باشد. اما شما قبلا در مورد مایکل فارادی صحبت کردید. و در هر نقطه از فضا، یک بردار داریم، کمیتی که می‌توانیم آن را به‌عنوان یک فلش در نظر بگیریم، جهت و قدر دارد، یا اگر ترجیح می‌دهیم، می‌توانیم آن را سه عدد در نظر بگیریم، شاید مانند x، y. و جزء z هر بردار. اما در نظریه میدان کوانتومی، اشیاء تعریف شده در هر نقطه، به نظر من، پیچیده تر از بردارها یا اعداد هستند.

تانگ (18:33): آنها هستند. بنابراین، روش ریاضی برای گفتن این است که در هر نقطه، یک عملگر وجود دارد - برخی، اگر بخواهید، ماتریس ابعادی نامتناهی که در هر نقطه از فضا قرار می گیرد، و در فضای هیلبرت عمل می کند، که خود بسیار پیچیده و بسیار است. سخته تعریف کردن بنابراین ریاضیات پیچیده است. و تا حد زیادی به دلیل این موضوع است که جهان یک پیوستار است، ما فکر می کنیم که مکان و زمان، به ویژه فضا، پیوسته است. و بنابراین شما باید در هر نقطه واقعاً چیزی را تعریف کنید. و در کنار یک نقطه، بینهایت نزدیک به آن نقطه، نقطه دیگری با عملگر دیگر قرار دارد. بنابراین یک بی‌نهایت وجود دارد که وقتی به مقیاس‌های فاصله‌ای کوچک‌تر و کوچک‌تر نگاه می‌کنید، ظاهر می‌شود، نه یک بی‌نهایت که به بیرون می‌رود، بلکه یک بی‌نهایت به سمت داخل می‌رود.

(19:44) که راهی برای دور زدن آن پیشنهاد می کند. یکی از راه‌های دور زدن آن فقط تظاهر به این اهداف است که فضا پیوسته نیست. در واقع، ممکن است فضا پیوسته نباشد. بنابراین می توانید تصور کنید که به داشتن یک شبکه فکر کنید، چیزی که ریاضیدانان آن را شبکه می نامند. بنابراین به جای داشتن یک فضای پیوسته، به یک نقطه فکر می کنید، و سپس مقداری فاصله محدود از آن، یک نقطه دیگر. و مقداری فاصله محدود از آن، یک نقطه دیگر. بنابراین، به عبارت دیگر، فضا را گسسته می‌کنید، و سپس به چیزی فکر می‌کنید که ما آن را درجات آزادی می‌نامیم، چیزهایی که به جای زندگی در یک پیوستار، فقط روی این نقاط شبکه حرکت می‌کنند. این چیزی است که ریاضیدانان به مراتب بهتر از آن استفاده می کنند.

(19:44) اما اگر بخواهیم این کار را انجام دهیم مشکلی وجود دارد. و من فکر می کنم این یکی از عمیق ترین مشکلات در فیزیک نظری است، در واقع. این است که برخی از نظریه‌های میدان کوانتومی را نمی‌توانیم به این شکل گسسته کنیم. یک قضیه ریاضی وجود دارد که شما را از نوشتن یک نسخه گسسته از برخی نظریه های میدان کوانتومی منع می کند.

استروگاتز (20:41): اوه، ابروهای من با آن یکی بالا رفته است.

تانگ (20:43): قضیه را قضیه نیلسن-نینومیا می نامند. در میان دسته‌ای از نظریه‌های میدان کوانتومی که نمی‌توانید آن‌ها را گسسته کنید، نظریه‌ای است که جهان ما، یعنی مدل استاندارد را توصیف می‌کند.

استروگاتز (20:52): شوخی ندارم! وای.

تانگ (20:54): می دانید، اگر این قضیه را به صورت اسمی در نظر بگیرید، به ما می گوید که ما در ماتریکس زندگی نمی کنیم. روشی که شما هر چیزی را در رایانه شبیه سازی می کنید، ابتدا گسسته سازی آن و سپس شبیه سازی است. و با این حال، ظاهراً یک مانع اساسی برای گسسته ساختن قوانین فیزیک آنگونه که ما می شناسیم وجود دارد. بنابراین ما نمی توانیم قوانین فیزیک را شبیه سازی کنیم، اما این بدان معناست که هیچ کس دیگری نیز نمی تواند. بنابراین اگر واقعاً این قضیه را بخرید، پس ما در ماتریس زندگی نمی کنیم.

استروگاتز (21:18): من واقعاً از خودم لذت می برم، دیوید. این خیلی جالبه من هرگز فرصتی برای مطالعه نظریه میدان کوانتومی نداشتم. من توانستم مکانیک کوانتومی را از جیم پیبلز در پرینستون بگیرم. و این فوق العاده بود. و من از آن بسیار لذت بردم، اما هرگز ادامه ندادم. بنابراین نظریه میدان کوانتومی، من فقط در موقعیت بسیاری از شنوندگان ما در اینجا هستم، فقط به تمام شگفتی هایی که شما توصیف می کنید نگاه می کنم.

تانگ (21:41): می توانم کمی بیشتر در مورد جنبه دقیق مدل استاندارد به شما بگویم که شبیه سازی در رایانه را سخت یا غیرممکن می کند. یک شعار خوب وجود دارد، می توانم مانند یک شعار هالیوود اضافه کنم. شعار این است: "چیزهایی می توانند در آینه اتفاق بیفتند که نمی توانند در دنیای ما اتفاق بیفتند." در دهه 1950، چین شیونگ وو آنچه را که ما نقض برابری می نامیم کشف کرد. این جمله ای است که وقتی به چیزی که در مقابل شما اتفاق می افتد نگاه می کنید، یا به تصویر آن در آینه نگاه می کنید، می توانید تفاوت را تشخیص دهید، می توانید بگویید که آیا در دنیای واقعی اتفاق می افتد یا در آینه اتفاق می افتد. این جنبه از قوانین فیزیک است که آنچه در آینه اتفاق می افتد با آنچه در واقعیت اتفاق می افتد متفاوت است و مشکل ساز می شود. بر اساس این نظریه، این جنبه ای است که شبیه سازی آن دشوار یا غیرممکن است.

استروگاتز (22:28): درک دلیل منظورم سخت است، زیرا خود شبکه هیچ مشکلی برای مقابله با برابری نخواهد داشت. اما به هر حال، من مطمئن هستم که این یک قضیه ظریف است.

تانگ (22:36): می توانم سعی کنم کمی در مورد اینکه چرا هر ذره در جهان ما - الکترون ها، کوارک ها - به شما بگویم. آنها به دو ذره مختلف تقسیم می شوند. به آنها چپ دست و راست دست می گویند. و اساساً به نحوه تغییر چرخش آنها در حین حرکت مربوط می شود. قوانین فیزیک به گونه ای است که ذرات چپ دست نیرویی متفاوت از ذرات راست دست احساس می کنند. این همان چیزی است که منجر به این نقض برابری می شود.

(22:59) اکنون، معلوم می شود که نوشتن نظریه های ریاضی که سازگار هستند و دارای این ویژگی هستند که ذرات چپ و ذرات راست دست، نیروهای متفاوتی را تجربه کرده اند، چالش برانگیز است. نوعی حفره وجود دارد که باید از آنها عبور کنید. در نظریه میدان کوانتومی به آن ناهنجاری یا لغو ناهنجاری می گویند. و این ظرافت‌ها، این حفره‌ها که از آن‌ها سرچشمه می‌گیرند، حداقل در روش‌های خاصی برای محاسبه این واقعیت که فضا پیوسته است، این حفره‌ها را فقط در هنگام فضاها می‌بینید، یا این نیازها را زمانی که فضا پیوسته است. بنابراین شبکه هیچ چیز در این مورد نمی داند. شبکه هیچ چیز در مورد این ناهنجاری های فانتزی نمی داند.

(23:36) اما شما نمی توانید یک نظریه ناسازگار را روی شبکه بنویسید. بنابراین، به نوعی، شبکه باید پشت خود را بپوشاند، باید مطمئن شود که هر آنچه به شما می دهد یک نظریه ثابت است. و روشی که این کار را انجام می دهد تنها با اجازه ندادن به نظریه هایی است که در آن ذرات چپ دست و راست نیروهای متفاوتی را احساس می کنند.

استروگاتز (23:50): بسیار خوب، فکر می کنم طعم آن را می فهمم. چیزی شبیه به این است که توپولوژی اجازه می دهد تا برای برخی از پدیده ها، این ناهنجاری ها که برای دیدن آنچه در مورد نیروی ضعیف می بینیم، مورد نیاز است، که یک فضای گسسته اجازه نمی دهد. اینکه چیزی در مورد پیوستگی کلیدی است.

تانگ (24:06): در واقع تو بهتر از من گفتی. همه اینها به توپولوژی مربوط می شود. دقیقا همینطوره. آره

استروگاتز (24:11): بسیار خوب. خوب در واقع این یک اتفاق بسیار خوب برای ما است، به جایی که من امیدوار بودم بتوانیم به مرحله بعدی برسیم، یعنی صحبت در مورد آنچه نظریه میدان کوانتومی برای ریاضیات انجام داده است، زیرا این یکی دیگر از داستان های موفقیت بزرگ است. اگرچه، می دانید، برای فیزیکدانانی که به جهان اهمیت می دهند، این شاید یک نگرانی اولیه نباشد، اما برای افرادی که در ریاضیات هستند، ما بسیار سپاسگزاریم و همچنین از کمک های بزرگی که با تفکر در مورد اشیاء صرفاً ریاضی انجام شده است، بسیار متشکریم. ، گویی با بینش هایی از نظریه میدان کوانتومی به آنها اطلاع می دهند. آیا می توانید کمی در مورد برخی از آن داستان که مثلاً در دهه 1990 شروع شد، برای ما توضیح دهید؟

تانگ (24:48): بله، این واقعاً یکی از چیزهای شگفت انگیزی است که از نظریه میدان کوانتومی بیرون آمده است. و در اینجا طنز کوچکی وجود ندارد. می دانید، طعنه آمیز این است که ما از این تکنیک های ریاضی استفاده می کنیم که ریاضیدانان به شدت به آن مشکوک هستند، زیرا آنها فکر نمی کنند که آنها سختگیرانه نیستند. و با این حال، در همان زمان، ما به نوعی می‌توانیم ریاضیدان‌ها را کنار بگذاریم و تقریباً آنها را در بازی خودشان در شرایط خاص شکست دهیم، جایی که می‌توانیم برگردیم و نتایجی را که به آن‌ها علاقه‌مند هستند، در حوزه خودشان ارائه کنیم. تخصص و نتایجی که در برخی شرایط برخی از حوزه های ریاضیات را به کلی دگرگون کرده است.

(25:22) بنابراین من می توانم سعی کنم در مورد نحوه کارکرد این کار به شما کمی درک کنم. نوعی از ریاضیات که این بیشتر در آن مفید بوده است، ایده‌های مربوط به هندسه است. این تنها یکی نیست. اما فکر می کنم این همان چیزی است که ما به عنوان فیزیکدان در مورد آن بیشتر پیشرفت کرده ایم. و البته هندسه همیشه به قلب فیزیکدانان نزدیک بوده است. نظریه نسبیت عام انیشتین واقعاً به ما می گوید که فضا و زمان خود یک شی هندسی هستند. بنابراین کاری که ما انجام می دهیم این است که چیزی را که ریاضیدانان منیفولد می نامند، در نظر بگیریم، این یک فضای هندسی است. در ذهن خود می توانید ابتدا به سطح توپ فوتبال فکر کنید. و سپس شاید اگر سطح یک دونات، که در آن یک سوراخ در وسط وجود دارد. و سپس به سطح چوب شور تعمیم دهید، جایی که چند سوراخ در وسط آن وجود دارد. و سپس قدم بزرگ این است که همه اینها را بردارید و آن را به ابعاد بالاتر فشار دهید و به جسمی با ابعاد بالاتر فکر کنید که روی خودش با سوراخ هایی با ابعاد بالاتر پیچیده شده است و غیره.

(26:13) و بنابراین انواع سؤالاتی که ریاضیدانان از ما می‌پرسند تا اجسام را به این شکل طبقه‌بندی کنیم، بپرسیم در مورد اجسام مختلف چه چیز خاصی است، چه نوع سوراخ‌هایی می‌توانند داشته باشند، ساختارهایی که می‌توانند روی آنها داشته باشند، و غیره. و ما به عنوان فیزیکدان، به نوعی با شهود اضافی می آییم.

(26:28) اما علاوه بر این، ما این سلاح مخفی نظریه میدان کوانتومی را داریم. ما به نوعی دو سلاح مخفی داریم. ما نظریه میدان کوانتومی داریم. ما یک بی اعتنایی عمدی به سختگیری داریم. این دو کاملاً، بسیار زیبا با هم ترکیب می شوند. و بنابراین ما سؤالاتی از این قبیل خواهیم پرسید که یکی از این فضاها را بردارید و یک ذره روی آن قرار دهید و بپرسیم که آن ذره چگونه به فضا پاسخ می دهد؟ اکنون با ذرات یا ذرات کوانتومی، اتفاق بسیار جالبی رخ می دهد زیرا موجی از احتمال دارد که در فضا پخش می شود. و بنابراین به دلیل این ماهیت کوانتومی، این امکان را دارد که به نوعی از ماهیت جهانی فضا مطلع شود. می تواند یک جورهایی تمام فضا را به یکباره حس کند و بفهمد که سوراخ ها کجا هستند، دره ها کجا و قله ها کجا هستند. و بنابراین ذرات کوانتومی ما می توانند کارهایی مانند گیرکردن در سوراخ های خاص را انجام دهند. و به این ترتیب، چیزی در مورد توپولوژی فضاها به ما بگویید.

(27:18) بنابراین تعدادی از موفقیت‌های بسیار بزرگ در کاربرد نظریه میدان کوانتومی برای این یکی از بزرگترین موفقیت‌های اوایل دهه 1990 بود، چیزی به نام تقارن آینه‌ای، که انقلابی در ناحیه‌ای به نام هندسه ساده. یکمی بعد [ناتان] سیبرگ و [ادوارد] ویتن یک نظریه میدان کوانتومی چهار بعدی خاص را حل کرد و بینش جدیدی در مورد توپولوژی فضاهای چهار بعدی داد. این واقعاً یک برنامه فوق‌العاده مثمر ثمر بوده است، جایی که آنچه که برای چندین دهه در حال وقوع است این است که فیزیکدانان ایده‌های جدیدی از نظریه میدان کوانتومی ارائه خواهند کرد، اما به دلیل این عدم دقت، به طور معمول قادر به اثبات آنها نیستند. و سپس ریاضیدانان از راه می رسند، اما این فقط نقطه چین کردن چشم ها و عبور از T نیست، آنها معمولاً ایده ها را می گیرند و آنها را به روش خود ثابت می کنند و ایده های جدیدی را معرفی می کنند.

(28:02) و آن ایده های جدید سپس به نظریه میدان کوانتومی بازخورد می دهند. و بنابراین این توسعه هماهنگ واقعا شگفت انگیز بین ریاضیات و فیزیک وجود دارد. همانطور که مشخص است، ما اغلب سوالات یکسانی می‌پرسیم، اما از ابزارهای بسیار متفاوتی استفاده می‌کنیم و با صحبت کردن با یکدیگر، پیشرفت بسیار بیشتری نسبت به آنچه در غیر این صورت انجام می‌دادیم، داشته‌ایم.

استروگاتز (28:18): من فکر می کنم تصویر شهودی که شما ارائه کردید بسیار مفید است که به نوعی در مورد این مفهوم از یک میدان کوانتومی به عنوان چیزی که محلی سازی شده است فکر کنید. می دانید، به جای ذره ای که ما آن را نقطه مانند می پنداریم، شما این جسم را دارید که در کل فضا و زمان پخش می شود، اگر در تئوری زمان وجود داشته باشد، یا اگر فقط هندسه انجام دهیم، حدس می زنم که ما فقط به آن فکر می کنم که در کل فضا پخش می شود. همانطور که گفتید این میدان های کوانتومی برای تشخیص ویژگی های جهانی بسیار مناسب هستند.

(28:47) و این یک روش استاندارد برای تفکر در ریاضیات نیست. ما عادت کرده ایم به یک نقطه و همسایگی یک نقطه فکر کنیم، همسایگی بینهایت کوچک یک نقطه. اون دوست ماست ما به‌عنوان ریاضی‌دانان شبیه نزدیک‌بین‌ترین موجودات هستیم، در حالی که فیزیکدان‌ها عادت کرده‌اند به این اجسام حسگر جهانی خودکار فکر کنند، این میدان‌هایی که می‌توانند، همانطور که شما می‌گویید، خطوط، دره‌ها، قله‌ها، کل سطوح را استشمام کنند. از اشیاء جهانی

تانگ (29:14): بله، دقیقاً همین طور است. و بخشی از بازخورد به فیزیک بسیار مهم بوده است. بنابراین درک این توپولوژی واقعاً زیربنای بسیاری از روش‌های تفکر ما در نظریه میدان کوانتومی است که باید در نظریه میدان کوانتومی و همچنین در هندسه به صورت جهانی فکر کنیم. و، می دانید، برنامه هایی وجود دارد، به عنوان مثال، برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی و یکی از بهترین، خوب، شاید این یکی از خوش بینانه ترین راه ها برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی باشد.

(29:34) اما اگر بتوان آن را به کار انداخت، یکی از قوی‌ترین راه‌های ساخت یک کامپیوتر کوانتومی استفاده از ایده‌های توپولوژیکی نظریه میدان کوانتومی است، جایی که اطلاعات در یک نقطه محلی ذخیره نمی‌شوند، اما در سطح جهانی ذخیره می‌شوند. فضا. مزیت آن این است که اگر آن را در یک نقطه به حرکت در آورید، اطلاعات را از بین نمی برید زیرا در یک نقطه ذخیره نمی شوند. در همه جا به یکباره ذخیره می شود. بنابراین همانطور که گفتم، واقعاً این تعامل فوق العاده بین ریاضیات و فیزیک وجود دارد که در حال صحبت کردن ما اتفاق می افتد.

استروگاتز (30:01): خوب، بیایید برای آخرین بار از ریاضیات به فیزیک برگردیم، و شاید حتی کمی کیهان شناسی. بنابراین با توجه به داستان موفقیت تئوری فیزیکی، بیشتر مجموعه تئوری هایی که ما آن را نظریه میدان کوانتومی می نامیم، ما اخیراً این آزمایش ها را در سرن انجام داده ایم. آیا این همان جایی است که برخورد دهنده بزرگ هادرون است، درست است؟

تانگ (30:01): درست است. در ژنو است.

استروگاتز (30:04): باشه. شما در مورد کشف هیگز که مدت‌ها چیزی در حدود 50، 60 سال پیش پیش‌بینی می‌کرد، اشاره کردید، اما درک من این است که فیزیکدانان به این موضوع رسیده‌اند - خوب، کلمه درست چیست؟ ناامید، ناراحت، متحیر. اینکه برخی از چیزهایی که آنها امیدوار بودند در آزمایش‌های برخورد دهنده بزرگ هادرونی ببینند، محقق نشده است. ابرتقارن، مثلا یکی بودن. کمی از آن داستان برایمان بگویید. کجا امیدواریم از آن آزمایش‌ها بیشتر ببینیم؟ در مورد ندیدن بیشتر چه احساسی باید داشته باشیم؟

تانگ (30:53): امیدوار بودیم بیشتر ببینیم. من نمی دانم چه احساسی باید داشته باشیم، چیزی که ندیده ایم. من می توانم، می توانم داستان را برای شما تعریف کنم.

تانگ (31:00): بنابراین LHC ساخته شد. و با این توقع ساخته شد که بوزون هیگز را کشف کند، که انجام شد. بوزون هیگز آخرین بخش از مدل استاندارد بود. و دلایلی وجود داشت که فکر کنیم وقتی مدل استاندارد را تکمیل کردیم، بوزون هیگز نیز دریچه ای خواهد بود که ما را به آنچه بعداً می آید، لایه بعدی واقعیت که بعد از آن می آید، هدایت می کند. و استدلال‌هایی وجود دارد که می‌توانید بیان کنید، که وقتی هیگز را کشف می‌کنید، باید در همان محله، همان مقیاس انرژی هیگز، برخی از ذرات دیگر که به نوعی بوزون هیگز را تثبیت می‌کنند، کشف کنید. بوزون هیگز خاص است. این تنها ذره در مدل استاندارد است که نمی چرخد. تمام ذرات دیگر، اسپین های الکترون، اسپین های فوتون، چیزی است که ما آن را قطبش می نامیم. بوزون هیگز تنها ذره ای است که نمی چرخد. به نوعی، این ساده ترین ذره در مدل استاندارد است.

(31:00) اما استدلال های نظری وجود دارد که می گویند ذره ای که نمی چرخد ​​باید جرم بسیار سنگینی داشته باشد. وسایل بسیار سنگین تا بالاترین مقیاس انرژی ممکن است. این استدلال ها استدلال های خوبی هستند. ما می‌توانیم از نظریه میدان کوانتومی در بسیاری از موقعیت‌های دیگر، در موادی که توسط نظریه میدان کوانتومی توضیح داده شده است، استفاده کنیم. این همیشه درست است که اگر ذره ای نچرخد، به آن ذره اسکالر می گویند. و جرم سبکی دارد. دلیلی وجود دارد که چرا آن نور انبوه است.

(32:25) و بنابراین ما انتظار داشتیم دلیلی وجود داشته باشد که چرا بوزون هیگز دارای جرمی است که دارد. و ما فکر می کردیم که عقل با ذرات اضافی همراه خواهد بود که به محض ظهور هیگز ظاهر می شوند. و شاید فوق تقارن بود و شاید چیزی به نام تکنیکالر. و تئوری های بسیاری وجود داشت. و ما کشف کردیم که هیگز و LHC - فکر می‌کنم اضافه کردن این نکته مهم است - در مورد عملکرد ماشین و آزمایش‌ها و حساسیت آشکارسازها از همه انتظارات فراتر رفته است. و این افراد قهرمانان مطلق هستند که در حال انجام آزمایش هستند.

(32:56) و پاسخ این است که در مقیاس انرژی که در حال حاضر در حال بررسی آن هستیم، چیز دیگری وجود ندارد. و این یک پازل است. برای من یک پازل است. و برای خیلی های دیگر یک معما است. ما آشکارا در اشتباه بودیم. ما آشکارا در مورد این انتظار که باید چیز جدیدی کشف کنیم اشتباه بودیم. اما نمی دانیم چرا اشتباه می کنیم. می دانید، ما نمی دانیم که این استدلال ها چه اشکالی داشت. آنها هنوز احساس خوبی دارند، آنها هنوز هم احساس خوبی نسبت به من دارند. بنابراین چیزی وجود دارد که ما در مورد نظریه میدان کوانتومی از دست داده ایم، که هیجان انگیز است. و می دانید، خوب است که در این زمینه علم اشتباه کنید، زیرا تنها زمانی که اشتباه می کنید، می توانید در نهایت در مسیر درست قرار بگیرید. اما منصفانه است که بگوییم ما در حال حاضر مطمئن نیستیم که چرا اشتباه می کنیم.

استروگاتز (33:32): این یک نگرش خوب است، درست است که پیشرفت زیادی از این پارادوکس ها حاصل شده است، از آنچه در آن زمان احساس ناامیدی می کرد. اما زندگی کردن از طریق آن و حضور در یک نسل - یعنی خوب، نمی‌خواهم بگویم تا زمانی که این موضوع مشخص شود، ممکن است از بین برود، اما این یک چشم‌انداز ترسناک است.

تانگ (33:50): شستن خوب است. اما من دوست دارم زنده باشم

استروگاتز (33:56): بله، حتی با گفتن آن احساس بدی داشتم.

از کوچک به بزرگ، چرا به برخی از مسائل کیهانی فکر نمی کنیم. زیرا برخی از اسرار بزرگ دیگر، چیزهایی مانند ماده تاریک، انرژی تاریک، جهان اولیه. بنابراین شما به عنوان یکی از مناطق مورد علاقه خود مطالعه می کنید، زمانی که دقیقاً پس از انفجار بزرگ، زمانی که ما هنوز ذره ای نداشتیم. ما فقط میدانهای کوانتومی داشتیم؟

تانگ (34:22): زمانی پس از بیگ بنگ به نام تورم وجود داشت. بنابراین زمانی بود که در آن جهان بسیار بسیار سریع منبسط شد. و زمانی که این اتفاق می افتاد، میدان های کوانتومی در جهان وجود داشت. و چیزی که من فکر می کنم واقعاً یکی از شگفت انگیزترین داستان ها در کل علم است این است که این میدان های کوانتومی دارای نوساناتی هستند. آنها همیشه به بالا و پایین می پرند، فقط به دلیل لرزش های کوانتومی، می دانید. همانطور که اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می گوید که یک ذره نمی تواند، نمی تواند در یک مکان خاص باشد زیرا حرکت نامحدودی خواهد داشت، بنابراین می دانید، همیشه مقداری عدم قطعیت وجود دارد. که برای این رشته ها هم همینطور است. این میدان‌های کوانتومی نمی‌توانند دقیقاً صفر یا دقیقاً مقداری باشند. آنها همیشه از طریق عدم قطعیت کوانتومی بالا و پایین می‌روند.

(35:02) و آنچه در این چند ثانیه اول اتفاق افتاد - ثانیه ها خیلی طولانی است. چند اول 10^-30 فرض کنید در ثانیه های بیگ بنگ، جهان به سرعت گسترش یافته است. و این میدان‌های کوانتومی به نوعی گرفتار شدند، که در حال نوسان بودند، اما سپس جهان آنها را به مقیاس وسیعی از هم جدا کرد. و آن نوسانات در آنجا گیر کرد. اساساً به دلایل علیت دیگر نمی‌توانستند نوسان داشته باشند، زیرا اکنون آنقدر پخش شده بودند که می‌دانید، یک قسمت از نوسان نمی‌دانست آن دیگری چه می‌کند. بنابراین این نوسانات در سراسر کیهان کشیده می‌شوند، در همان روز.

(35:43) و داستان شگفت انگیز این است که ما می توانیم آنها را ببینیم، اکنون می توانیم آنها را ببینیم. و ما از آنها عکس گرفته ایم. بنابراین عکس نام وحشتناکی دارد. این تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی نامیده می شود. این عکس را می دانید، موج های آبی و قرمز است. اما این عکسی از گلوله آتشین است که 13.8 میلیارد سال پیش جهان را پر کرده است و امواجی در آن وجود دارد. و امواجی که می‌توانیم ببینیم توسط این نوسانات کوانتومی در چند کسری از ثانیه اول پس از انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند. و ما می توانیم محاسبه را انجام دهیم، شما می توانید محاسبه کنید که نوسانات کوانتومی چگونه به نظر می رسند. و می توانید به طور تجربی نوسانات CMB را اندازه گیری کنید. و آنها فقط موافق هستند. بنابراین این یک داستان شگفت انگیز است که می توانیم از این نوسانات عکس بگیریم.

(36:30) اما در اینجا نیز سطحی از ناامیدی وجود دارد. نوساناتی که ما می بینیم نسبتاً وانیلی است، آنها فقط آنهایی هستند که از مزارع رایگان دریافت می کنید. و اگر می‌توانستیم اطلاعات بیشتری به دست آوریم، خوب است، اگر بتوانیم ببینیم - نام آماری این است که نوسانات گاوسی هستند. و بسیار خوب است که مقداری غیر گاوسی را ببینیم، که به ما در مورد تعاملات بین میدان ها در دوران بسیار بسیار اولیه جهان می گوید. و باز هم، ماهواره پلانک پرواز کرده است، و یک عکس فوری از CMB با جزئیات واضح تری گرفته است، و غیر گاوسی هایی که در آنجا وجود دارد، اگر اصلا وجود داشته باشد، کوچکتر از پلانک هستند. ماهواره می تواند تشخیص دهد.

(36:52) بنابراین امیدی برای آینده وجود دارد که آزمایش‌های CMB دیگری نیز وجود داشته باشد، همچنین این امید وجود دارد که این غیر گاوسی‌ها ممکن است در نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها ظاهر شوند، توزیع آماری کهکشان‌ها در سراسر جهان نیز خاطره‌ای از این موارد دارد. نوساناتی که ما می دانیم درست است، اما شاید بتوانیم اطلاعات بیشتری از آنجا به دست آوریم. بنابراین واقعاً باورنکردنی است که بتوانید این نوسانات را برای 14 میلیارد سال ردیابی کنید، از مراحل اولیه تا نحوه توزیع کهکشان ها در جهان اکنون،

استروگاتز (37:36): خب، این بینش زیادی به من داد که قبلاً در مورد تأثیر این نوسانات کوانتومی در پس زمینه مایکروویو کیهانی نداشتم. من همیشه تعجب کرده بودم شما اشاره کردید که این نظریه آزاد است، به این معنی که - چه، به ما بگویید "رایگان" دقیقاً به چه معناست؟ چیزی نیست درسته؟ منظورم این است که این خود خلاء است؟

تانگ (37:45): این فقط خلاء نیست، زیرا این میدان ها با انبساط جهان هیجان زده می شوند. اما این فقط میدانی است که با هیچ میدان دیگری یا حتی با خودش در تعامل نیست، اساساً مانند یک نوسانگر هارمونیک بالا و پایین می‌چرخد. هر نقطه مانند فنر به بالا و پایین می پرد. بنابراین این به نوعی خسته کننده ترین زمینه ای است که می توانید تصور کنید.

استروگاتز (38:11): و این بدان معناست که ما مجبور نبودیم هیچ میدان کوانتومی خاصی را در ابتدای جهان فرض کنیم. فقط، این چیزی است که شما می گویید، وانیل.

تانگ (38:19): این وانیل است. بنابراین بهتر بود به این موضوع رسیدگی کنیم که این فعل و انفعالات اتفاق می‌افتد، یا این تعاملات اتفاق می‌افتد، یا میدان دارای این ویژگی خاص بود. و به نظر نمی رسد - شاید در آینده، اما در حال حاضر، ما هنوز آنجا نیستیم.

استروگاتز (38:32): پس شاید ما باید به امیدهای شخصی شما ببندیم. آیا اگر بخواهید چیزی را مشخص کنید که دوست دارید شخصاً در چند سال آینده حل شود یا برای آینده تحقیقات در نظریه میدان کوانتومی، مورد علاقه شما چیست؟ اگر می توانستی خواب ببینی

تانگ (38:48): تعداد زیادی وجود دارد -

استروگاتز: می توانید بیشتر انتخاب کنید.

تانگ: چیزهایی در جنبه ریاضی وجود دارد. بنابراین، من دوست دارم از جنبه ریاضی، بیشتر در مورد این قضیه نیلسن-نینومیا بفهمم، این واقعیت که شما نمی توانید تئوری های میدان کوانتومی خاصی را گسسته سازی کنید. و آیا خلأهایی در قضیه وجود دارد؟ آیا فرضیاتی وجود دارد که بتوانیم آنها را کنار بگذاریم و به نحوی در انجام آن موفق شویم؟

(39:07) می دانید، قضایا در فیزیک، معمولاً به آنها قضایای «ممنوع» می گویند. شما نمی توانید این کار را انجام دهید. اما آن‌ها اغلب نشانه‌هایی هستند درباره اینکه کجا باید نگاه کنید، زیرا یک قضیه ریاضی، بدیهی است که درست است، اما بنابراین، با مفروضات بسیار دقیقی همراه است. و بنابراین شاید بتوانید این فرض یا آن فرض را کنار بگذارید و روی آن پیشرفت کنید. بنابراین از جنبه ریاضی است، من دوست دارم پیشرفت در آن را ببینم.

(39:28) در جنبه تجربی، هر یک از چیزهایی که در مورد آنها صحبت کرده ایم - برخی از ذرات جدید، نکات جدیدی از آنچه فراتر از آن نهفته است. و ما به طور نسبتاً منظم نکاتی را می بینیم. جدیدترین مورد این است که جرم از W بوزون در سمت شما از اقیانوس اطلس با جرم آن متفاوت است W بوزون در سمت من از اقیانوس اطلس و آن، عجیب به نظر می رسد. نکاتی در مورد ماده تاریک یا ماده تاریک. هر چه هست از میدان های کوانتومی ساخته شده است. در این شکی نیست.

(39:53) و انرژی تاریکی که شما به آن اشاره کردید که پیش‌بینی‌هایی وجود دارد، کلمه بسیار قوی است، اما پیشنهادهایی از نظریه میدان کوانتومی وجود دارد. در تمام آن نوسانات میدان های کوانتومی باید باعث انبساط جهان شود. اما به نوعی بزرگتر از چیزی است که ما واقعاً می بینیم.

(40:07) بنابراین، پس همان پازلی که در مورد هیگز وجود دارد. چرا هیگز اینقدر سبک است؟ همچنین با انرژی تاریک وجود دارد. چرا شتاب کیهانی جهان در مقایسه با آنچه ما فکر می کنیم اینقدر کم است. بنابراین وضعیت کمی عجیب است. منظورم این است که ما این نظریه را داریم. این کاملا شگفت انگیز است. اما همچنین واضح است که چیزهایی وجود دارد که ما واقعاً نمی‌فهمیم.

استروگاتز (40:26): من فقط می خواهم از شما، دیوید تانگ، برای این گفتگوی واقعاً گسترده و جذاب تشکر کنم. خیلی ممنون که امروز به من ملحق شدید.

تانگ (40:33): خوشحالم. خیلی ممنون.

گوینده (40:39): اگر دوست دارید شادی چرا، بررسی کنید پادکست علمی مجله Quantaبا مجری گری من سوزان والوت یکی از تهیه کنندگان این برنامه. همچنین این پادکست را به دوستان خود بگویید و ما را لایک کنید یا جایی که گوش می دهید دنبال کنید. این به مردم کمک می کند تا پیدا کنند شادی چرا پادکست

استیو استروگاتز (41: 03): شادی چرا یک پادکست از مجله Quanta، یک نشریه مستقل که توسط بنیاد سیمونز پشتیبانی می شود. تصمیمات تأمین مالی توسط بنیاد سیمونز هیچ تأثیری بر انتخاب موضوعات، مهمانان یا سایر تصمیمات سرمقاله در این پادکست یا در مجله Quanta. شادی چرا 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 [ایمیل محافظت شده]. متشکرم که گوش دادید.