Varför fysikens lagar inte finns på riktigt

Förbi Shankar Das Sarma

Jag läste nyligen en gammal artikel av strängteoretikern Robbert Dijkgraaf i Quanta Magazine berättigad “Det finns inga fysiklagar”. Du kanske tycker att det är lite konstigt av en fysiker att hävda att det inte finns några fysikens lagar, men jag håller med honom. Faktum är att jag inte bara håller med honom, utan jag tror att mitt område är bättre för det. Och jag hoppas kunna övertyga dig om det också.

För det första. Det vi ofta kallar fysikens lagar är egentligen bara sammanhängande matematiska teorier som verkar motsvara vissa delar av naturen. Detta är lika sant för Newtons rörelselagar som det är för Einsteins relativitetsteorierSchrödinger och Dirac ekvationer i kvantfysik eller ens strängteorin. De är därför egentligen inte lagar som sådana, utan snarare exakta och sammanhängande sätt att beskriva den verklighet som vi ser. Detta borde framgå av det faktum att dessa lagar inte är statiska; de utvecklas i takt med att vår empiriska kunskap om universum förbättras.

Så här är det. Även om många forskare ser det som sin roll att upptäcka dessa yttersta lagar, tror jag helt enkelt inte att de existerar.

För hundra år sedan skulle en sådan åsikt inte ha varit kontroversiell. Tidigare var de flesta av fysikens så kallade lagar alla direkt relaterade till konkreta aspekter av den naturliga världen, som t.ex. hook lag som beskriver kraften som krävs för att sträcka en fjäder eller Boyles lag om förhållandet mellan tryck, temperatur och volym hos en gas. Men det började förändras i början av 1900-talet när människor som Albert Einstein gav sig ut för att hitta det ultimata. teori om allt. Han tillbringade de sista 30 åren av sitt liv på att leta efter en utan resultat. Dirac trodde också på detta synsätt, efter att ha sagt att all kemi helt enkelt kunde härledas från hans ekvation – även om jag tror att just den kommentaren förmodligen är apokryfisk.

det finns runt omkring 86 miljarder neuroner i den mänskliga hjärnan. Det är mindre än antalet stjärnor i Vintergatan som bara är en liten del av det kända universum. Universum verkar nästan oändligt jämfört med den mänskliga hjärnans ändliga kapacitet, vilket ger oss kanske små chanser att förstå de ultimata lagarna. Vad som är fantastiskt är att vi kan förstå vissa aspekter av universum genom fysikens lagar. Kanske var det Richard Feynman som först sa att frågan inte är hur smarta vi människor är att förstå hur naturen fungerar, utan hur smart naturen är att följa våra lagar!

När vi lär oss om naturen kan vi förfina våra beskrivningar av den, men den är oändlig – som att skala en oändlig lök, ju mer vi skalar, desto mer finns det att skala.

Ta exemplet med strängteori. Det är en matematiskt mycket strikt och ganska magisk teori på det sätt som den behandlar gravitation och kvantmekanik lika, vilket matchar många av våra observationer av universum. Det visar mycket lovande, men har hittills kämpat för att ge konkreta testbara förutsägelser utöver vår nuvarande förståelse.

Den har också en ganska taggig stötesten känd som landskapsproblemet, där bokstavligen miljontals universum (cirka 10⁵⁰⁰, antalet är så stort att det verkar obscent) är acceptabla lösningar av teorin. Om strängteorin är korrekt kan vi utropa seger eftersom en av de där miljontals universum måste vara vårt universum, och allt vi behöver göra är att på något sätt hitta den lösningen speciell för att förstå vad fysikens lagar är för oss. Naturligtvis är detta en omöjlig uppgift på grund av det exceptionellt stora antalet möjliga universum som finns i landskapet, och alla med sina egna distinkta lagar.

Detta scenario kallas ofta multiversum. Alla möjliga lagar, tänkbara och otänkbara, är tillåtna i ett möjligt universum, och fysikens lagar är inte längre betydelsefulla eller unika i någon grundläggande mening, eftersom de helt beror på var man tittar i landskapet. Det är ironiskt att teorin om allt visade sig involvera en helhet som är exponentiellt större än något någon kunde ha föreställt sig tidigare.

En möjlig slutsats från detta är att det konventionella reduktionistiska förhållningssättet till partikelfysik, där naturlagarna alltmer fokuseras på mindre och mindre byggstenar (som molekyler, atomer och partiklar) och de fundamentala krafterna (som gravitation och elektromagnetism) som verkar mellan dem, är inte mer ett fruktbart sätt att se på den fysiska världen. 10⁵⁰⁰ universum, med endast en av dem som möjligen följer de lagar som är nödvändiga för att anpassa sig En vis man.

Vi är kvar med bara landskapet, där “lagarna” beror på det specifika universum som vi har att göra med. Det är så komplicerat att hela idén om naturlagar måste ändras. Det är ett till synes konstigt slut på en givande resa som började med atomer som de hypotetiska, odelbara beståndsdelarna i materien för 2 500 år sedan och som nyligen har sett en stor triumf i den experimentella upptäckten av Higgspartikel 2012. I slutändan är våra fysiska lagar inte alls inneboende, de beror helt på var vi befinner oss i landskapet.

Som teoretisk kondenserad materia-fysiker tycker jag inte att det här scenariot alls är nedslående, snarare tvärtom. Det faktum att det finns ett i princip oändligt antal möjliga lagar gör bara vetenskapen mer spännande, eftersom att utforska landskapet för alltid kommer att förbli en aktiv och kreativ aktivitet. Teoretisk fysik kan aldrig ta slut eftersom landskapet helt enkelt är för stort.

Jag vet från min 40 års erfarenhet av att arbeta med verkliga fysiska fenomen att hela idén med en yttersta lag baserad på en ekvation som endast använder byggstenarna och grundläggande krafter är orealiserbar och i grunden en fantasi. Vi vet aldrig exakt vilken ekvation som beskriver en viss laboratoriesituation. Istället måste vi alltid bygga modeller och approximationer för att beskriva varje fenomen, även när vi vet att ekvationen som styr det i slutändan är någon form av Schrödingers ekvation!

“Och kvantmekaniken?” du kanske frågar. I nästan 100 år har det varit oerhört framgångsrikt i att matcha alla våra erfarenheter till kvantskalan. Men kvantmekaniken är faktiskt mer som en uppsättning regler som vi använder för att uttrycka våra lagar snarare än en ultimat lag i sig. Till exempel är standardmodellen för partikelfysik, teorin om supraledning och teorin om atomspektra alla konstruerade med hjälp av kvantmekanikens regler, men de har lite med varandra att göra. Dessutom är rum och tid variabler som måste sättas för hand i teorin, medan rum och tid borde komma naturligt ur alla fysiska lagar. Det har förblivit det kanske största mysteriet inom fundamental fysik utan någon lösning i sikte.

Det är svårt att föreställa sig att fysiker om tusen år fortfarande kommer att använda kvantmekaniken som en grundläggande beskrivning av naturen. Något annat borde ersätta kvantmekaniken då, precis som kvantmekaniken själv ersatte den newtonska mekaniken. Jag har ingen aning om vad det där annat kan vara, men jag ser ingen speciell anledning till varför vår beskrivning av hur det fysiska universum verkar fungera plötsligt skulle nå sin topp i början av 2000-talet och för alltid förbli fast i kvantmekaniken. Det vore en riktigt deprimerande tanke!

Newtons lagar har varit utomordentligt framgångsrika i 300 år, men vi var tvungna att gå förbi dem när vi lärde oss mer om universum, och samma sak borde hända någon gång i framtiden med kvantlagar.

Varje ny okänd teori om framtiden måste bygga på och införliva kvantmekanikens fysik, precis som kvantmekaniken bygger på och införlivar klassisk mekanik. Vår förståelse av den fysiska världen måste fortsätta i det oändliga, obehindrat av sökandet efter yttersta lagar. Fysikens lagar utvecklas ständigt – de kommer aldrig att bli ultimata.

Shankar Das Sarma är en teoretisk fysiker baserad vid University of Maryland, College Park. Hans intressen är varierande, täckande materiens konstiga egenskaper hur informationen ska förstås i kvantriket.