|
"Twistor" teori genantænder den seneste superstreng revolution
Skæbnens enkle snoning(twist): En gammel ide fra Roger Penrose ophidser strengteoretikere
George Musser
Sidst i 1960'erne kom den navnkundige University of Oxford fysiker Roger Penrose med en radikal ny måde at udvikle en forenet teori om fysik på. I stedet for at søge at forklare, hvordan partikler bevæger sig og vekselvirker indenfor rum og tid, foreslog han, at selve rummet og tiden er sekundære konstruktioner, der dukker ud af et dybere virkelighedsniveau. Men hans såkaldte twistor teori fængede aldrig og begrebsmæssige problemer lagde hindringer i vejen for dens få fortalere. Som så mange andre forsøg på at forene fysikken, blev twistorer anset for døde.
I oktober 2003 kom Roger Penrose forbi Institute for Advanced Study i Princeton, N.J. for at besøge Edward Witten, nestor for vore dages ledende indfaldsvinkel til forening, strengteori. Da han forventede, at Witten ville revse ham for at have kritiseret strengteori som en grille, blev Penrose overrasket over, at Witten ønskede at tale med ham om hans glemte indfald.
Nogle få måneder senere udgav Witten en tætskrevet, 97-siders afhandling, der bandt twistorer og strenge sammen - bragte twistorer tilbage til livet og gjorde indtryk på selv de hårdeste kritikere af strengteori. I de sidste par år har teoretikerne bygget på Wittens arbejde og omtænkt, hvad rum og tid er. De har allerede udtænkt beregningsteknikker, der gør de vanskeligste opgaver i almindelig partikelfysik til en barneleg. "Jeg har aldrig været mere opildnet om fysik i hele mit liv," siger strengteoretikeren Nima Arkani-Hamed, som fornylig flyttede til instituttet fra Harvard University, for at dykke ned i det opdukkende felt. "Det udvikler sig med rasende fart lige nu, hvor en gruppe på 15 folk rundt omkring i verden arbejder på det dag og nat.
Før Wittens arbejde bevægede twistorianere og strengteoretikere sig i forskellige cirkler og talte med, hvad der ligeså godt kunne have været, forskellige sprog. Hvor Penrose og hans kolleger var blevet kendt ved at studere Einsteins almene relativitetsteori, sporer strengteoretikere deres afstamning til partikelfysik. Lionel Mason fra Oxford siger, at da han og Roger Penrose besøgte Syracuse University i 1987, sprang de over en forelæsning om strengteori der, i bagklogskabens lys, kunne have givet dem de spor, de behøvede. "Vi gik ikke til et seminar om partikelfysik - vi var relativister," siger han.
Penroses oprindelige mål var at genoverveje, hvordan kvanteprincipper anvendes på rum og tid. Almindeligt vedtaget visdom hævder, at rumtidens geometri burde fluktuere på kvanteskalaer og ændre hvordan begivenheder står i forhold til hinanden. Men hvis det er tilfældet, forårsager en begivenhed, der skulle forårsage en anden, det måske ikke mere og skaber paradokser som dem, man finder i fortællinger om tidsrejser. I twistor teori er kausale rækkefølger primære og fluktuerer ikke. (Teorien får sit navn fra, hvad kausale relationer ligner omkring en spinnende partikel, som vist.) I stedet fluktuerer placeringen og tidtagningen af begivenheder. Men twistorianere kunne ikke få denne ide gjort præcis - indtil strengteoretikerne viste dem, at en begivenhed af tilfældig placering og tid ikke er mere eller mindre end en streng.
Stengteoretikerne havde, for deres del, en lovende ide om rummets skabelse, som de ikke kunne få til at virke. I 1997 gættede de på, at partikler, der farer rundt i fire dimensioner, kan opføre sig ligesom strenge, der vekselvirker i fem dimensioner. Den ny dimension materialiserer sig som figurerne i en pop-up bog. Men dette gættede trick frembragte kun en enkelt rumdimension af yderst krumt rum. Ved brug af twistorbegreber har teoretikerne nu vist, hvordan alle det almindelige rums dimensioner - og selv tid - kan poppe ud.
Mange teoretikere finder det helt naturligt, at rumtiden skulle være afledt. Andrew Hodges fra Oxford peger på, at vi ikke opfatter rumtiden direkte; vi ræsonerer os frem til, at hændelser sker på bestemte steder og til bestemte tider ud fra den information, der kommer til os. "Denne ide med at rumtidens punkter er primære objekter er kunstig," siger han. Faktisk bryder begrebet om adskilte positioner og tider sammen, på grund af den gravitationelle forvrængning af rumtiden og de notorisk spøgelsesagtige forbindelser mellem kvantepartikler.
Om det så lykkes for dem at omgøre rum og tid eller ej, så har twistorianere og strengteoretikere vundet partikelfysikernes hengivenhed. Selv temmelig enkle partikelkollisioner kræver ligninger, der indeholder titusinder af led, som skrives efter en strategi angivet af den berømte fysiker Richard Feynman i 1940'erne. Næsten alle disse led ender med at udligne sig, men man ved ikke i forvejen, hvilke der vil udligne sig, så man skal kæmpe sig igennem dem alle. En alternativ strategi, inspireret af twistorer og strenge, fanger symmetrier, som Feynmans indfaldsvinkel ikke gør, så den skiller sig af med den overskydende matematiske bagage fra begyndelsen. Beregninger, som matematikgenier engang gav op overfor, tager nu kun et par uger. "Jeg er temmelig sikker på, at Feynman ville være helt fornøjet, hvis han så, hvad vi kan gøre," siger Zvi Bern fra University of California, Los Angeles.
Den opdukkende teori om rumtiden er stadig meget prøvende og matematisk kompakt, så selv de fysikere, der er direkte involverede, indrømmer, at de knap kan følge med i, hvad der foregår. Teoretikerne mangler endnu at forklare , hvorfor, hvis rumtiden kun er en konstruktion, den ikke desto mindre forekommer os så virkelig. Den må på en eller anden måde tage form meget på samme måde, som livet udspringer fra livløst stof. Hvad end processen er, kan den ikke kun foregå på subatomare skalaer, fordi selve størrelsesbegrebet skal dukke op. Det burde være indlysende på alle skalaer, overalt omkring os, hvis bare vi vidste, hvor vi skulle lede.
Fra "Twistor" Reignites the Latest Superstring Revolution," Scientific American online og juni 2010.
|
