Гаррет Лиси — теория всего

Гаррет Лиси (Garrett Lisi), физик и сёрфер, представляет новую модель вселенной. Возможно в ней найдутся решения для нерешенных проблем, возможно нет. Однако по меньшей мере, это самая красивая восьмимерная модель элементарных частиц и взаимодействий, которую вы когда-либо видели.



Перевод выступления

Йоу, чувак! Зацени эти улетные уравнения! Шикарно! В течение следующих восемнадцати минут я сделаю все возможное, чтобы описать красоту квантовой механики вообще без уравнений. Мы можем узнать много нового, изучая кораллы. Коралл — очень красивое и необычное животное; каждый риф состоит из тысяч отдельных полипов. Полипы постоянно почкуются и ответвляются, в результате у них образуются генетически идентичные соседи. Представим себе, что кораллы умеют мыслить, и мы можем поговорить с каждым полипом. Мы бы спросили одного из них, как он оказался на определенном месте относительно своих соседей — был ли это слепой случай, судьба, или что-то еще?

Поругав нас за то, что мы включили отопление, он ответил бы, что наш вопрос совершенно глуп. Видите ли, кораллы довольно грубы, и у меня даже есть шрамы в доказательство этого. Полип объяснил бы нам, что его соседи являются идентичными копиями его самого, и он существует везде, где существуют его соседи, хоть и воспринимает их как отдельную сущность. Для него распочковываться на совершенно идентичные копии — самая естественная в мире вещь.

В отличие от нас, гипотетический разумный коралл очень хорошо подготовлен к осознанию принципов квантовой механики. Математические принципы квантовой механики крайне точно описывают, как работает наша вселенная. Согласно этим принципам, наша действительность постоянно ветвится на различные её варианты, как коралл. Человеку очень сложно понять этот процесс, поскольку мы наблюдаем только один вариант действительности. Впервые странность квантового мира была описана Эрвином Шрёдингером и его кошкой. Кошке больше нравится эта версия. (Смех в зале) В этой модели Шрёдингер находится в ящике с радиоактивной пробой. Согласно законам квантовой механики она одновременно находится в состоянии, в котором она излучает и в состоянии, в котором она не излучает. (Смех в зале) Если проба излучает, то коробка заполняется ядовитым газом и Шрёдингер умирает. В другой ветви реальности ученый остается живым. Каждая из ветвей воспринимается участниками независимо, и они считают, что другой ветви не существует.

Нам кажется это странным, поскольку каждый из нас воспринимает лишь одну из реальностей, а других ее ветвей мы не видим. Как будто каждый из нас, подобно Шрёдингеру, похож на коралл и ветвится на разные варианты реальности. Математические основы квантовой механики показывают, что в микромасштабах наш мир устроен именно так. Можно обобщить все это в одно утверждение: всё, что может произойти, происходит. Вот так работает квантовая механика. Но это не означает, что может произойти вообще все, что угодно. Остальная физика занимается описанием того, что может произойти, и того, что не может. Физикам известно, что любой процесс можно свести к геометрическим построениям и взаимодействию элементарных частиц. Любые процессы могут произойти только если это взаимодействие идеально отлажено.

А теперь я хотел бы рассказать о том, что мы знаем про эти частицы — что они из себя представляют и как сбалансированы. Внутри этой машины пучок протонов и антипротонов ускоряется до скорости, близкой к скорости света. Затем два пучка сталкиваются, что приводит к выбросу энергии. Энергия мгновенно преобразуется в поток субатомных частиц, а специальные датчики и компьютеры затем вычисляют их свойства. Длина контура этого огромного устройства, большого адронного коллайдера, построенного в CERN, в Женеве, составляет двадцать семь километров, а рабочая мощность в пять раз выше, чем у всего Монтерея. Мы не можем точно предсказать,какие именно частицы возникнут в результате каждого столкновения. И хотя принципы квантовой механики утверждают, что всё возможно, физики указывают набор реализуемых частиц. У них должно быть столько же энергии и такая же масса, как у протона и антипротона. Любые частицы, лежащие за этим энергетическим лимитом, не реализуются, и мы не способны их увидеть. Новый ускоритель частиц чрезвычайно интересен, поскольку он увеличит энергетический лимит в семь раз относительно существующего, так что очень скоро мы узнаем о новых частицах.

Однако перед тем как рассказать вам о том, что нам предстоит узнать, я опишу уже известные нам частицы. Тут целый зоопарк субатомных частиц. Каждый знаком с электронами, и многие люди в этом зале зарабатывают неплохие деньги, гоняя их туда-сюда. (Смех в зале) Но у электрона есть нейтральная пара под названием нейтрино — с очень маленькой массой и без заряда. У u- и d-кварков, наоборот, очень большие массы. Они объединяются в тройки и создают протоны и нейтроны внутри атомов. Все эти частицы бывают правовинтовыми и левовинтовыми; у них также есть античастицы с противоположными зарядами. Знакомые нам частицы порождают менее знакомые вторые и третьи поколения, с теми же зарядами, но бóльшими массами. Частицы вещества взаимодействуют с частицами поля. Электромагнитная сила взаимодействует с заряженной материей посредством частиц, называемых фотонами. Также существует слабое взаимодействие, которое называется достаточно тривиально: «слабое взаимодействие». Оно влияет исключительно на левовинтовые частицы. Сильное взаимодействие работает между кварками, которые переносят иной вид заряда, называемый цветовым. Он бывает трех типов: красный, зеленый и синий. За эти названия следует винить Мюррея Гелл-Манна — это он их придумал. Наконец, существуют гравитационные силы, взаимодействующие с веществом через массу и спин.

Самое главное — понять, что существуют разные виды зарядов, связанные с каждой из перечисленных сил. Четыре силы взаимодействуют с веществом в соответствии с типом заряда, который несет каждая из частиц. Есть еще частица, которую никто не наблюдал, но в существовании которой мы уверены. Она называется бозоном Хиггса и придает массы всем остальным частицам. Основной задачей большого адронного коллайдера является обнаружение бозона Хиггса, и мы почти уверены, что он его обнаружит. Главная загадка — что еще мы там увидим, и я расскажу об одной интересной гипотезе до конца своей презентации.

Если мы пересчитаем все различные по спину и заряду частицы, мы получим 226 штук. Немало частиц, и кажется странным, что природа создала такое количество элементарных частиц. Но если мы расположим их в соответствии с зарядами, то можно наблюдать интересные закономерности. Самый знакомый нам заряд — электрический. У электрона есть электрический заряд, минус один, а у кварков он выражается в третьих долях. Таким образом, когда два u-кварка и один d-кварк объединяются и создается протон, его электрический заряд равен плюс единице. У частиц также есть античастицы с противоположными зарядами. Оказывается, что на самом деле электрический заряд является комбинацией двух других типов зарядов: гиперзаряда и слабого заряда. Если мы изобразим гиперзаряд и слабый заряд отдельно, и нарисуем схему зарядов частиц в двумерном пространстве, то изменение электрического заряда будет видно по вертикали. Слабое и электромагнитное взаимодействия действуют на вещество в соответствии с его слабым и гипер- зарядами, которые вы видите на этой диаграмме. Все это называется теорией электрослабого взаимодействия, она была создана в 1967 году.

Из-за бозона Хиггса большинство из нас знает о существовании исключительно электрического заряда. Частица Хиггса, вот она, слева, обладает большой массой и разрушает симметрию нашей диаграммы электрослабости. Бозон Хиггса уменьшает влияние слабого взаимодействия, придавая слабым частицам бóльшую массу. Поскольку на этой диаграмме бозон Хиггса действует по горизонтали, у фотонов не образуется массы и в пространстве зарядов они взаимодействуют с электрическим зарядом по вертикали. Электромагнитная и слабая силы описываются этой картиной зарядов в двумерном пространстве. Мы можем включить сюда сильное взаимодействие, нанеся по этим направлениям два вида зарядов кварков по этим направлениям. Заряды всех известных частиц могут быть изображены в четырехмерном пространстве и спроецированы на плоскость, чтобы мы могли их увидеть.

Когда частицы взаимодействуют, природа балансирует взаимодействие по всем четырем направлениям. Когда сталкиваются частица и античастица, происходит выброс энергии с полным нулевым зарядом по всем четырем направлениям. На этом этапе могут возникать новые частицы с той же энергией и полным нулевым зарядом. Например, могут быть созданы частица со слабым зарядом и вот эта античастица. И дальше все заряды должны сохраняться. Одна из слабых частиц может превратиться в электрон и антинейтрино, что в сумме все равно даст нулевой заряд. В природе все всегда сбалансировано. Таким образом эти картины зарядов не просто красивы, они объясняют, какие взаимодействия могут произойти. Мы можем повернуть картину в четырех измерениях и посмотреть на сильное взаимодействие, тут видно красивые шестиугольники. Во время сильного взаимодействия одна из частиц, например эта, взаимодействует с цветным кварком, например зеленым, сообщая кварку заряд другого цвета — например, красный. Каждую секунду происходят миллионы сильных взаимодействий, в каждом атоме наших тел, не давая ядрам разлететься.

Однако четыре заряда и три силы еще не конец нашего рассказа. Мы можем вспомнить о двух дополнительных зарядах, связанных с гравитационной силой. Теперь у каждой материальной частицы появилось два спина — верхний и нижний. Все частицы разделились, создав красивый узор в шестимерном пространстве зарядов. Мы можем покрутить этот узор в шести измерениях, это довольно красиво. Сейчас этот узор отражает наше представление о том, как работает природа в масштабах этих элементарных частиц. Это мы знаем наверняка. Некоторые из этих частиц находятся на пределе того, что мы можем определить экспериментально. Благодаря этому узору, мы знаем физику элементарных частиц в микромире. Природа очень красиво работает на этих масштабах.

Однако я хочу поговорить о некоторых старых и новых теориях относительно того, чего мы еще не знаем. Мы хотим расширить узор, используя исключительно математику, и посмотреть, не удастся ли нам воссоздать полную картину. Мы хотим найти все частицы и силы, формирующие нашу вселенную. Мы также хотим, чтобы узор предсказал те частицы, которые мы увидим при экспериментах на высоких энергиях.

Одна из более старых теорий утверждает, что этот не слишком симметричный набор частиц мог возникнуть из более стройного набора, разрушенного чем-то, как бозон Хиггса разрушает модель электрослабости, что дает нам электромагнитные силы. Для этого придется ввести новые силы с новыми направлениями заряда. Когда мы вводим новое направление, нам нужно угадать, какие заряды будут у частиц по этому направлению, и тогда мы сможем вращать их вместе с остальными. Если мы будем угадывать умно, то сможем построить стандартные заряды по шести направлениям как нарушение более красивого узора по семи направлениям заряда.

Этот выбор значений соответствует модели великого объединения, предложенной Пати и Саламом в 1973 году. Когда мы смотрим на новый узор, то видно пару пробелов, где нет частиц. Так работают теории объединения. Физики ищут более широкие и симметричные узоры, в которые нынешний узор входит в качестве подмножества. Бóльший узор помогает предсказать существование частиц, которых никто не видел. Модель объединения предсказывает существование вот этих частиц, которые должны работать как слабое взаимодействие, только слабее.

Теперь мы можем вращать этот набор зарядов в семи направлениях и подумать о странном факте относительно частиц вещества: их второе и третье поколения обладают теми же зарядами в шестимерном пространстве, что и первое. Эти частицы неоднозначно определяются шестью зарядами. Они сидят одна на другой в стандартном пространстве зарядов. Но если бы мы работали в восьмимерном пространстве, мы могли бы назначить уникальный тип заряда каждый из них. Теперь мы можем повращать узор в восьми измерениях и посмотреть, как выглядит все вместе. Теперь мы видим, что второе и третье поколения относятся к первому тройственно симметрично.

Такая картина заряда в восьми измерениях является частью одной из самых красивых геометрических структур в математике. Это схема самой большой группы Ли — Е8. Эта группа Ли представляет собой гладкую фигуру в 248 измерениях. Каждая точка в узоре соответствует типу симметрии этой сложной и красивой фигуры. С помощью небольшой части группы Е8 можно описать пространство-время теории относительности Эйнштейна, объясняющее гравитацию. Геометрия этой фигуры и принципы квантовой механики могли объяснить функционирование вселенной в микромасштабах. Её узор в восьмимерном пространстве невероятно прекрасен и объясняет тысячи возможных вариантов взаимодействия между элементарными частицами, каждый из которых является гранью этой сложнейшей фигуры.

Вращая ее, мы наблюдаем множество замысловатых узоров, содержащихся внутри. Повернув фигуру по-особому, мы можем взглянуть на этот узор по оси симметрии внутри восьми измерений и увидеть все частицы одновременно. Это прекрасный объект, и как в случае любой стандартизации, мы увидим места, где для симметрии нехватает новых частиц. Есть 20 мест, где должны быть частицы; два из них были заполнены частицами Пати и Салама. Исходя из их местоположения внутри узора, мы знаем, что они должны быть полем скалярных величин, но обладать цветным зарядом и способностью к сильному взаимодействию. Добавление этих частиц завершает узор, и составляет полную группу Е8.

Ее математика очень сложна. Эта структура считается многими самой красивой во всей математике. Факт того, что этот объект чрезвычайной математической красоты может описать взаимодействия частиц в микромире, открывает перед нам огромные перспективы. Мысль о том, что природа может быть описана математически, совсем не нова. В 1623 году Галилей написал следующее: «Великая книга природы, открытая нашим изумленным взглядам, написана на языке математики. Ее буквы — треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человеку не под силу понять ни единого слова из книги; без них остается лишь блуждать в темном лабиринте».

Мне кажется, это правда. Я попытался последовать завету Галилея и описать матосновы физики элементарных частиц с помощью треугольников, кругов и других геометрических фигур. Разумеется, когда физики работают с теорией, математика может напоминать темный лабиринт. Однако успокаивает, что в самом сердце нашей математики лежит чистая геометрия. Вместе с квантовой механикой, она описывает нашу вселенную как растущий коралл Е8, с взаимодействующими между собой частицами, и все это укладывается в великолепный узор. С течением времени наши машины, типа БАКа, помогут нам расширить наши представления об узоре, и мы поймем, использует ли природа узор Е8, или какой-то другой.

Этот процесс познания — чудесное приключение. Если БАК обнаружит частицы, подходящие для Е8, это будет очень, очень круто. Если БАК обнаружит новые частицы, но они не войдут в узор, это будет очень интересно, но плохо для последователей теории Е8, и, разумеется, для меня лично. (Смех в зале) Насколько же это будет плохо? Довольно-таки неслабо плохо. (Смех в зале)

Однако предсказывать как работает природа — рискованная игра. И у этой теории и у других подобных мало шансов на успех. Люди работают, зная, что большинство их идей вероятно не имеют отношения к действительности. Такова теоретическая физика: часто валишься с доски. В этом смысле новые физические теории похожи на стартапы. Как и с любыми инвестициями, эмоционально сложно оставить какие-нибудь исследования, если они не срабатывают. Но в науке, если что-то не срабатывает, то приходится отбрасывать это и заниматься чем-то еще.

Единственный способ остаться в своем уме с учетом постоянного чувства неуверенности — это найти баланс в жизни. Я сделал все что мог, чтобы вести сбалансированную жизнь. (Смех в зале) Я пытаюсь организовать свое бытие между физикой, любовью и серфингом — тремя моими направлениями зарядов. (Смех в зале) Так, даже если теория, над которой я работаю, окажется пустышкой, я все равно буду знать, что прожил хорошую жизнь. Еще я стараюсь жить в красивых местах. Последние десять лет я почти целиком прожил на острове Мауи, очень красивом. Кстати, для моих родителей это одна из самых больших тайн вселенной: как мне удалось прожить все это время, не занимаясь ничем, что бы подходило под формулу «полный рабочий день». (Смех в зале)

Я открою вам этот секрет. Это — вид из моего домашнего офиса на Мауи. Вот еще один. И еще. Вы, наверное, обратили внимание, что эти прекрасные виды похожи, но все же слегка отличаются. Это потому, что мой дом и офис на Мауи выглядел так. (Смех в зале) Я избрал весьма необычную жизнь. Но так как мне не надо думать об арендной плате, я могу тратить время на то, что люблю. Вести кочевую жизнь бывало непросто, но зато я смог пожить в красивых местах и сохранить гармонию, чем я очень доволен. Я смог провести кучу времени, тусуясь с крайне умными кораллами. Но компания крайне умных людей мне также очень симпатична. Так что я очень, что меня сюда сегодня пригласили. Большое спасибо. (Аплодисменты)

Крис Андерсон: Я, пожалуй, понял процента два, но все равно в полном восторге. Так что я могу сморозить глупость. Твоя Теория Всего...

Гаррет Лиси: я предпочитаю говорить о кораллах.

К. А.: Да, верно, и некоторое количество людей от нее по меньшей мере в восхищении, потому что, если ты прав, она сводит воедино гравитацию и квантовую теорию. То есть ты утверждаешь, что вселенная по сути, в микромасштабе, может являться объектом Е8? Думаешь ли ты, что это мыслимый предел возможности, или...?

Г. Л.: Ну, на данный момент структура, которую я показал, описывающая то, что мы знаем о физике элементарных частиц, и сама соответствует очень красивой модели. Это то, что, как я сказал, мы знаем наверняка. И у этой модели есть замечательные сходства, и она вписывается в группу E8, которая может дать полную картину. И эти структуры точек, которые я показал, действительно представляют собой симметрии этого многоразмерного объекта, который может двигаться, меняться, плясать в наблюдаемом нами пространстве-времени. И тогда это объяснит все элементарные частицы, которые мы видим.

К. А.: Но сторонник теории струн, если я ее правильно понимаю, представляет электрон как колебания струн много меньших размеров... (я знаю, что ты не любишь теорию струн) ...вибрирующих внутри него. Как мы представим себе электрон в этой модели E8?

Г. Л.: Ну, это будет одна из симметрий структуры E8. То есть происходит вот что: когда структура движется в пространстве-времени, она поворачивается, и наблюдаемая частица — это направление этого изменения. Так что, это...

К. А.: Размер этой структуры E8, как он соотносится с размером электрона? Чтобы я мог лучше представить себе эту картину. Она больше или меньше?

Г. Л.: Ну, насколько мы себе это представляем, электроны — безразмерные частицы, так что речь идет о предельно малых масштабах. Таким образом, в теории квантового поля это все объясняется тем, что все возможности развития существуют одновременно. Именно поэтому я использую аналогию с кораллами. И тогда можно представить, что структура E8 существует в каждой точке пространства-времени, И, как я сказал, когда эта структура поворачивается, направление, в котором она поворачивается, двигаясь по этой неровной поверхности, и дает нам ту или иную элементарную частицу. И согласно теории квантового поля, они проявляются как точки и взаимодействуют как точки. Не уверен, что могу объяснить это понятнее. (Смех в зале)

К. А.: Ну и ладно. Здесь чувствуется какое-то волшебство, и я безусловно хочу узнать об этом побольше. Так что большое спасибо за абсолютно потрясающий рассказ. (Аплодисменты)

Translated into Russian by Dima Neiaglov
Reviewed by tedxru

Источник: TED