Het snaarlandschap is misschien een fascinerend idee dat vol zit met theoretisch potentieel, maar het voorspelt niets dat we in ons universum kunnen waarnemen. Dit idee van schoonheid, gemotiveerd door het oplossen van ‘onnatuurlijke’ problemen, is op zichzelf niet voldoende om het niveau te bereiken dat de wetenschap vereist. (Universiteit van Cambridge)

Verspilt theoretische fysica onze beste levende geest aan onzin?

Er bestaat niet zoiets als een theorie die te mooi is om fout te zijn, als deze niet overeenkomt met een experiment.

De geschiedenis van de natuurkunde is gevuld met geweldige ideeën waar je ooit van hebt gehoord, zoals het standaardmodel, de oerknal, algemene relativiteit en ga zo maar door. Maar het zit ook vol met briljante ideeën waar je waarschijnlijk nog nooit van hebt gehoord, zoals het Sakata-model, de Technicolor-theorie, het Steady State-model. en plasmacosmologie. Tegenwoordig hebben we theorieën die zeer in de mode zijn, maar zonder enig bewijs daarvoor: supersymmetrie, grootse eenwording, snaartheorie en het multiversum.

Vanwege de manier waarop het veld is gestructureerd, verstrikt in een systeem van ideeën, zijn carrières in theoretische hoge-energiefysica die zich op deze onderwerpen concentreren vaak succesvol. Aan de andere kant betekent kiezen voor andere onderwerpen het alleen doen. Het idee van 'schoonheid' of 'natuurlijkheid' is al lang een leidraad in de natuurkunde en heeft ons tot dit punt geleid. In haar nieuwe boek, Lost In Math, beweert Sabine Hossenfelder overtuigend dat het blijven volgen van dit principe precies is wat ons op een dwaalspoor brengt.

Het nieuwe boek, Lost In Math, pakt een aantal ongelooflijk grote ideeën aan, waaronder het idee dat theoretische fysica verstrikt zit in groepsdenken en het onvermogen om hun ideeën te confronteren met het harde licht van de realiteit, dat (tot nu toe) geen bewijs biedt om ze te ondersteunen . (Sabine Hossenfelder / Basic Books)

Stel je voor dat je een hypothetisch probleem hebt gekregen om twee miljardairs uit een lijst te halen en het verschil in hun nettowaarde te schatten. Stel je voor dat ze anoniem zijn en dat je niet weet welke meer waard is, waar ze op de Forbes-miljardairslijst staan, of hoeveel ze op dit moment eigenlijk waard zijn.

We kunnen de eerste A, de tweede B noemen, en het verschil tussen hen C, waarbij A - B = C. Zelfs zonder enige andere kennis over hen, is er een belangrijk ding dat je over C kunt zeggen: het is zeer onwaarschijnlijk dat het zal veel, veel kleiner zijn dan A of B. Met andere woorden, als A en B beide in de miljarden dollars zijn, dan is het waarschijnlijk dat C ook in de miljarden zal zijn, of althans in de honderden miljoenen.

Wanneer u in het algemeen twee grote getallen hebt en hun verschil neemt, zal het verschil van dezelfde orde van grootte zijn als de oorspronkelijke getallen in kwestie. (E. Siegel / gegevens van Forbes)

A kan bijvoorbeeld Pat Stryker (# 703 op de lijst) zijn, laten we zeggen $ 3.592.327.960. En B is misschien David Geffen (# 190), ter waarde van $ 8.467.103.235. Het verschil tussen hen, of A - B, is dan - $ 4.874.775.275. C heeft een 50/50 opname van positief of negatief, maar in de meeste gevallen zal het van dezelfde orde van grootte zijn (binnen een factor 10 of zo) van beide Aand B.

Maar dat zal niet altijd zo zijn. De meeste van de meer dan 2.200 miljardairs in de wereld zijn bijvoorbeeld minder dan $ 2 miljard waard, en er zijn er honderden met een waarde tussen $ 1 miljard en $ 1,2 miljard. Als u toevallig twee van hen willekeurig zou kiezen, zou het u niet verbazen als het verschil in vermogen slechts enkele tientallen miljoenen dollars was.

Ondernemers Tyler Winklevoss en Cameron Winklevoss bespreken bitcoin met Maria Bartiromo op FOX Studios op 11 december 2017. De eerste ‘bitcoin miljardairs’ ter wereld, hun vermogen is vrijwel identiek, maar er is een onderliggende reden waarom. (Astrid Stawiarz / Getty Images)

Het zou je echter verbazen als het verschil tussen hen slechts een paar duizend dollar was, of nul was. "Hoe onwaarschijnlijk," zou je denken. Maar het is misschien toch niet zo onwaarschijnlijk.

Je weet tenslotte niet welke miljardairs op je lijst stonden. Zou je geschokt zijn als je zou horen dat de tweeling Winklevoss - Cameron en Tyler, de eerste Bitcoin-miljardairs - identieke vermogenswaarden hadden? Of dat de gebroeders Collison, Patrick en John (mede-oprichters van Stripe), hetzelfde bedrag waard waren binnen een paar honderd dollar?

Nee. Dit zou niet verwonderlijk zijn en het onthult een waarheid over grote getallen: in het algemeen als A groot is en B groot, dan zal A - B ook groot zijn ... maar dat is niet zo als er een reden is dat A en B liggen heel dicht bij elkaar. De verdeling van miljardairs is niet helemaal willekeurig, ziet u, en dus is er misschien een onderliggende reden voor deze twee schijnbaar niet-gerelateerde dingen om daadwerkelijk gerelateerd te zijn. (In het geval van de Collisons of Winklevosses, letterlijk!)

De massa van de quarks en leptonen van het standaardmodel. Het zwaarste standaardmodeldeeltje is het bovenste kwark; de lichtste niet-neutrino is het elektron. De neutrino's zelf zijn minstens 4 miljoen keer lichter dan het elektron: een groter verschil dan tussen alle andere deeltjes. Helemaal aan het andere uiteinde van de schaal zweeft de Planck-schaal op een onheilspellende 10¹⁹ GeV.Hitoshi Murayama van http://hitoshi.berkeley.edu/)

Dezelfde eigenschap geldt in de natuurkunde. Het elektron, het lichtste deeltje dat de atomen vormt die we op aarde vinden, is meer dan 300.000 keer minder massief dan het bovenste quark, het zwaarste standaardmodeldeeltje. De neutrino's zijn minstens vier miljoen keer lichter dan het elektron, terwijl de Planck-massa - de zogenaamde "natuurlijke" energieschaal voor het heelal - ongeveer 10¹⁷ (of 100.000.000.000.000.000) keer zwaarder is dan de top-quark.

Als je je niet bewust was van een onderliggende reden waarom deze massa's zo verschillend zouden moeten zijn, zou je aannemen dat er een reden voor was. En misschien is er een. Dit soort denken staat bekend als een fine-tuning of "naturalness" argument. In zijn eenvoudigste vorm stelt het dat er een soort fysieke verklaring zou moeten zijn voor waarom componenten van het Universum met zeer verschillende eigenschappen die verschillen daartussen zouden moeten hebben.

Wanneer symmetrieën worden hersteld (bovenaan het potentieel), vindt unificatie plaats. Het breken van symmetrieën, aan de onderkant van de heuvel, komt echter overeen met het universum dat we vandaag hebben, compleet met nieuwe soorten massieve deeltjes. Tenminste, voor sommige toepassingen. (Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011))

In de 20e eeuw gebruikten natuurkundigen veel natuurlijkheidsargumenten. Een manier om grote verschillen in schaal te verklaren is om een ​​symmetrie op te leggen bij hoge energieën en dan de gevolgen van het breken met een lagere energie te bestuderen. Een aantal goede ideeën kwamen voort uit deze redenering, met name op het gebied van deeltjesfysica. De dieptebosonen in de electroweak-kracht kwamen voort uit deze gedachtegang, net als het Higgs-mechanisme en, zoals slechts een paar jaar geleden werd bevestigd, het Higgs-boson. Het hele standaardmodel was gebaseerd op dit soort symmetrieën en natuurlijkheidsargumenten, en de natuur kwam toevallig overeen met onze beste theorieën.

De deeltjes en antideeltjes van het standaardmodel zijn nu allemaal direct gedetecteerd, waarbij de laatste holdout, het Higgs Boson, eerder dit decennium op de LHC viel. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Een ander groot succes was kosmische inflatie. Het universum moest in de vroege stadia in hoge mate nauwkeurig zijn afgestemd om het universum te produceren dat we vandaag zien. De balans tussen de expansiesnelheid, de ruimtelijke kromming en de hoeveelheid materie en energie erin moet buitengewoon zijn geweest; het lijkt onnatuurlijk te zijn. Kosmische inflatie was een voorgesteld mechanisme om het uit te leggen en heeft sindsdien veel van zijn voorspellingen bevestigd, zoals:

  • een bijna schaal-invariant spectrum van schommelingen,
  • het bestaan ​​van super-horizon over- en onderlagen,
  • met dichtheidsimperfecties die adiabatisch van aard zijn,
  • en een bovengrens van de temperatuur die werd bereikt in het vroege post-Big Bang Universum.
De kwantumfluctuaties die tijdens inflatie optreden, worden over het heelal uitgerekt en wanneer inflatie eindigt, worden ze dichtheidsschommelingen. Dit leidt in de loop van de tijd tot de grootschalige structuur in het heelal vandaag, evenals de temperatuurschommelingen die worden waargenomen in de CMB. (E. Siegel, met afbeeldingen afkomstig van ESA / Planck en de DoE / NASA / NSF-taskforce voor CMB-onderzoek)

Maar ondanks de successen van deze natuurlijkheidsargumenten werpen ze niet altijd hun vruchten af.

Er is een onnatuurlijk kleine hoeveelheid CP-overtreding in het sterke verval. De voorgestelde oplossing (een nieuwe symmetrie bekend als de Peccei-Quinn-symmetrie) heeft nul van zijn nieuwe voorspellingen bevestigd. Het verschil in massaschaal tussen het zwaarste deeltje en de Planck-schaal (het hiërarchieprobleem) was de motivatie voor supersymmetrie; nogmaals, het heeft nul van zijn voorspellingen bevestigd. De onnatuurlijkheid van het standaardmodel heeft geleid tot nieuwe symmetrieën in de vorm van Grand Unification en, meer recent, String Theory, die (opnieuw) geen van hun voorspellingen hebben bevestigd. En de onnatuurlijk lage maar niet-nul waarde van de kosmologische constante heeft geleid tot de voorspellingen van een specifiek type multiversum dat niet eens kan worden getest. Ook dit is natuurlijk niet bevestigd.

De deeltjes van het standaardmodel en hun supersymmetrische tegenhangers. Iets minder dan 50% van deze deeltjes is ontdekt en iets meer dan 50% heeft nooit een spoor aangetoond dat ze bestaan. In de nasleep van Runs I en II bij de LHC is veel van de interessante parameterruimte voor SUSY verdwenen, inclusief de eenvoudigste versies die voldoen aan de criteria voor 'WIMP Miracle'. (Claire David / CERN)

Maar anders dan in het verleden, blijven deze doodlopende wegen de velden vertegenwoordigen waarop de toonaangevende theoretici en experimentalisten zich bundelen om te onderzoeken. Deze doodlopende steegjes, die letterlijk twee generaties fysici geen vruchten hebben afgeworpen, blijven financiering en aandacht trekken, hoewel ze mogelijk volledig van de realiteit zijn losgekoppeld. In haar nieuwe boek, Lost In Math, confronteert Sabine Hossenfelder deze crisis op een handige manier met interviews met reguliere wetenschappers, Nobelprijswinnaars en (non-crackpot) contrarians. Je kunt haar frustratie voelen, en ook de wanhoop van veel van de mensen met wie ze spreekt. Het boek beantwoordt de vraag "laten we wishful thinking over welke geheimen de natuur ons oordeel vertroebelen?" Met een volmondig "ja!"

Een asymmetrie tussen de bosonen en anti-bosonen die gebruikelijk zijn in grote verenigde theorieën zoals SU (5) eenwording zou kunnen leiden tot een fundamentele asymmetrie tussen materie en antimaterie, vergelijkbaar met wat we in ons universum waarnemen. De experimentele stabiliteit van het proton sluit echter de eenvoudigste SU (5) GUT's uit. (E. Siegel)

Het boek is een wilde, diepe, tot nadenken stemmende lezing die elke redelijke persoon in het veld die nog steeds in staat is tot zelfreflectie, aan zichzelf twijfelt. Niemand confronteert graag de mogelijkheid dat ze hun leven hebben verspild aan het achtervolgen van een fantasma van een idee, maar daar draait het om als theoreticus. Je ziet een paar stukjes van een onvolledige puzzel en raadt wat het volledige plaatje echt is; meestal heb je het mis. Misschien zijn in deze gevallen al onze gissingen verkeerd geweest. In mijn favoriete uitwisseling interviewt ze Steven Weinberg, die gebruik maakt van zijn enorme ervaring in de natuurkunde om uit te leggen waarom natuurlijke argumenten goede richtlijnen zijn voor theoretische fysici. Maar hij slaagt er alleen in ons te overtuigen dat het goede ideeën waren voor de klassen van problemen die ze eerder wisten op te lossen. Er is geen garantie dat ze goede wegwijzers zijn voor de huidige problemen; in feite zijn ze dat aantoonbaar niet geweest.

Een 2D-projectie van een Calabi-Yau-spruitstuk, een populaire methode om de extra, ongewenste dimensies van String Theory te comprimeren. Het vermoeden van Maldacena zegt dat anti-de Sitter-ruimte wiskundig tweevoudig is naar conforme veldtheorieën in één dimensie minder. Dit is mogelijk niet relevant voor de fysica van ons universum. (Wikimedia Commons-gebruiker Lunch)

Als je een theoretische deeltjesfysicus, een snaartheoreticus of een fenomenoloog bent - vooral als je lijdt aan cognitieve dissonantie - zul je dit boek niet leuk vinden. Als je een echte gelovige bent in natuurlijkheid als het leidende licht van de theoretische fysica, zal dit boek je enorm irriteren. Maar als je iemand bent die niet bang is om die grote vraag te stellen "doen we het allemaal verkeerd", dan is het antwoord misschien een grote, ongemakkelijke "ja". Degenen onder ons die intellectueel eerlijke natuurkundigen zijn, leven samen met dit ongemak nu al vele decennia. In Sabine's boek Lost In Math wordt dit ongemak nu toegankelijk gemaakt voor de rest van ons.

* - Volledige openbaarmaking: Ethan Siegel ontving gratis een recensie-exemplaar van Lost In Math.

Starts With A Bang is nu op Forbes en opnieuw gepubliceerd op Medium dankzij onze Patreon-supporters. Ethan heeft twee boeken geschreven, Beyond The Galaxy en Treknology: The Science of Star Trek van Tricorders to Warp Drive.