Mari Gel-Man
O lepoti i istini u fizici
Znamo dosta o ove četiri sile. Mora ih biti mnogo više, ali one su na veoma, veoma malim daljinama i još uvek nismo zaista interagovali sa njima puno. Glavna stvar o kojoj želim da pričam je sledeće: da mi imamo ovo predivno iskustvo u oblasti fundamentalne fizike da je lepota veoma uspešan kriterijum za odabir ispravne teorije. Zašto bi to tako bilo?
Pa, evo primera iz mog sopstvenog iskustva. Veoma je dramatično, zapravo, da vam se ovo dogodi. Troje ili četvoro nas, 1957. godine, postavilo je delom kompletnu teoriju o jednoj od ovih sila, ovoj slaboj sili. I ona se nije slagala sa sedam – sedam, prebrojte ih, sedam eksperimenata. Eksperimenti su bili pogrešni.
I mi smo to objavili pre nego što smo to znali, zato što smo shvatili da zato što je tako lepo, mora biti ispravno! Eksperimenti su morali biti pogrešni i bili su. Naš prijatelj tamo, Albert Ajnštajn, obraćao je vrlo malo pažnje na ono što su ljudi govorili, „Znate, postoji čovek sa eksperimentom koji se izgleda ne slaže sa specijalnom relativnošću. DC Miler. Šta je sa tim?“ On bi rekao:“O, to će nestati.“
Sada, zbog čega takve stvari rade? To je pitanje. Sada, da, šta mi smatramo lepim? To je jedna stvar. Pokušaću to da objasnim – delom objasnim. Zašto bi to radilo i da li to ima neke veze sa ljudskim bićima? Daću vam svoj odgovor na ovo poslednje, a to je da, ovo nema nikakve veze sa ljudskim bićima. Negde na nekoj drugoj planeti, obrćući se oko neke jako daleke zvezde, možda u drugoj galaksiji, mogli bi biti entiteti koji su najmanje inteligentni koliko i mi i zainteresovani su za nauku. Nije nemoguće; ja mislim da ih verovatno ima mnogo.
Vrlo verovatno, nijedni nisu dovoljno blizu da bi nas kontaktirali. Ali mogli bi biti tamo, vrlo lako. I pretpostavimo da oni imaju, znate, veoma različit čulni aparat i tako dalje. Imaju sedam pipaka i 14 malih smešnih spojenih očiju i mozak u obliku perece. Da li bi oni zaista imali drugačije zakone? Mnogi ljudi veruju u to, a ja smatram da je to potpuna koještarija. Mislim da tamo negde postoje zakoni i da ih mi, naravno, ne razumemo u bilo kom trenutku vrlo dobro – ali pokušavamo. I pokušavamo da priđemo sve bliže i bliže.
I jednog dana, mi bismo mogli zapravo otkriti fundamentalnu ujedinjenu teoriju čestica i sila, što ja nazivam „fundamentalnim zakonom“. Možda čak nismo užasno daleko od njega. Ali čak i da ne naletimo na njega za vreme naših života, i dalje možemo smatrati da postoji tamo negde, a mi pokušavamo da priđemo bliže i bliže. Mislim da je to glavna poenta za izneti. Mi izražavamo ove stvari matematički. I kada je matematika veoma jednostavna – kada u smislu neke matematičke notacije možete zapisati teoriju na malo prostora, bez mnogo komplikacija – to je suštinski ono što mi smatramo lepotom ili elegancijom.
Evo šta sam govorio o zakonima. Oni su zaista tamo. Njutn je svakako verovao u to. On je rekao:“Posao je filozofije prirode da pronađe te zakone“. Osnovni zakon, recimo – evo pretpostavke. Pretpostavka je da osnovni zakon zaista uzima oblik ujedinjene teorije o svim česticama. Sada, neki ljudi to nazivaju teorijom svega. To je pogrešno, jer je ta teorija kvantna mehanička. I ja neću ići i gomilu stvari o kvantnoj mehanici i kakva je ona i tako dalje. Čuli ste dosta pogrešnih stvari o njoj u svakom slučaju. Ima čak i filmova o njoj sa mnogo pogrešnih stvari.
Ali glavna stvar ovde je da ona predviđa verovatnoće. Sad, ponekad su te verovatnoće blizu sigurnosti. I u mnogo poznatih slučajeva, one to zaista jesu. Ali u nekim drugim prilikama nisu i imate samo verovatnoće za različite izlaze. Ono što to, dakle, znači je da istorija Univerzuma nije određena samo fundamentalnim zakonom. To su fundamentalni zakon i ovaj neverovatno dugački niz slučajnosti, ili mogućih rezultata, koji su tu sabrani.
Fundamentalna teorija ne uključuje te moguće rezultate; oni su tu uzgredno. Dakle, to nije teorija svega. Zapravo, ogromna količina informacija u Univerzumu oko nas dolazi iz tih slučajnosti i ne samo iz fundamentalnih zakona. Sada, često je rečeno da je približavanje fundamentalnim zakonima izučavanjem fenomena na malim energijama i onda višim energijama i zatim višim energijama ili manjim rastojanjima i zatim manjim rastojanjima, a onda još manjim rastojanjima i tako dalje, jeste poput ljuštenja luka. I mi nastavljamo to da radimo i izgrađujemo moćnije mašine, akceleratore čestica. Posmatramo dublje i dublje strukturu čestica i time se verovatno približavamo sve više i više ovom fundamentalnom zakonu.
Sada, ono što se dešava je da dok to radimo, dok ljuštimo ove slojeve luka i približavamo se zakonu ispod, mi vidimo da svaki sloj ima nešto zajedničko sa prethodnim i sa sledećim. Zapišemo ih matematički i vidimo da koriste veoma sličnu matematiku. Oni zahtevaju veoma sličnu matematiku. Ovo je apsolutno fascinanto i čini centralnu crtu onoga što pokušavam da kažem danas. Njutn je to nazivao – to je Njutn, uzgred – onaj tamo.
Ovaj je Albert Ajnštajn. Zdravo, Al! I u svakom slučaju, on je rekao „priroda dosledna sama sebi“ – personifikujući prirodu kao žensko. Dakle, ono što se dešava je da novi fenomeni, novi slojevi, unutrašnji slojevi malo manjih slojeva luka na koje nailazimo, liče na one malo veće. Ona vrsta matematike koja nam je trebala za prethodni sloj je gotovo ista ona koja nam treba za naredni sloj. I to je razlog što jednačine izgledaju tako jednostavno. Zato što koriste matematiku koju već imamo.
Trivijalan primer je ovaj: Njutn je pronašao zakon gravitacije, koji ide poput jedan kroz kvadrat rastojanja između stvari koje se privlače. Kulon, u Francuskoj, pronašao je isti zakon za naelektrisanja. Eto ga primer sličnosti. Pogledate gravitaciju, vidite određeni zakon. Zatim pogledate elektricitet. Dovoljno. Isto pravilo. To je veoma jednostavan primer. Postoji još mnogo sofisticiranijih primera. Simetrija je veoma važna u ovoj diskusiji. Znate šta to znači. Krug, na primer, simetričan je pod rotacijama oko svog centra. Rotirate ga oko centra kruga, krug ostaje nepromenjen. Uzmete sferu, u tri dimenzije, rotirate je oko centra sfere i sve te rotacije čine samo sferu. To su simetrije sfere. Pa mi kažemo generalno da postoji simetrija pod određenim operacijama, ako te operacije ostavljaju fenomen ili njegov opis nepromenjen.
Maksvelove jednačine su, naravno, simetrične pod rotacijama celog prostora. Nije bitno da li obrnemo ceo prostor za neki ugao, to ne ostavlja – ne menja fenomene elektriciteta ili magnetizma. Postojala je nova notacija u 19. veku koja je izražavala ovo, i ukoliko koristite tu notaciju, jednačine postaju jednostavnije. Zatim je Ajnštajn, sa svojom specijalnom teorijom relativnosti, pogledao ceo niz simetrija Maksvelovih jednačina, koje se nazivaju specijalnom relativnošću. I te simetrije, zatim, čine jednačine još kraćim, još lepšim.
Pogledajmo. Ne morate znati šta ove stvari znače, ne čini nikakvu razliku. Ali možete samo pogledati izgled. Možete pogledati izgled. Vidite gore, na vrhu, nalazi se duga lista jednačina sa tri komponente za tri pravca u prostoru: x, y i z. Zatim, koristeći vektorsku analizu, koristite rotacionu simetriju, te dobijate sledeći skup. Zatim koristite simetriju specijalne relativnosti i dobijate još jednostavniji skup tamo dole, pokazujući da se simetrije pokazuju sve bolje i bolje. Što više simetrija imate, bolje ćete izraziti jednostavnost i elegantnost teorije.
Poslednje dve, prva jednačina govori da naelektrisanja i električne struje stvaraju sva električna i magnetna polja. Sledeća – druga – jednačina kaže da nema magnetizma van toga. Jedini magnetizam dolazi od naelektrisanja i električnih struja. Nekog dana ćemo možda naći sitnu rupu u tom članu. Ali za sada, to je slučaj.
Sada, ovde je veoma zanimljiv razvoj za koji mnogi ljudi nisu čuli. Trebalo bi da su čuli za to, ali je malo mučno objasniti to sa tehničkim detaljima, pa to neću uraditi. Samo ću spomenuti. Ali Čen Ning Jang, koga smo zvali „Frenk“ Jang i Bob Mils postavili su, pre 50 godina, ovu generalizaciju Maksvelovih jednačina, sa novom simetrijom. Potpuno novom simetrijom. Matematika je veoma slična, ali je tu cela nova simetrija. Nadali su se da će ovo doprineti nekako fizici čestica – nije. Nije, samo po sebi, doprinelo fizici čestica.
Ali onda su neki od nas ovo uopštili još više. I tada jeste! I dalo je veoma lep opis jake sile i slabe sile. Dakle ovde kažemo, ponovo, ono što smo rekli ranije: svaki sloj luka pokazuje sličnosti sa susednim slojevima. Dakle, matematika susednih slojeva je veoma slična onome što nam je potrebno za novi sloj. I zbog toga izgleda lepo. Zato što već znamo kako to da zapišemo na divni, koncizni način.
Evo sadržaja. Verujemo da postoji ujedinjena teorija ispod svih zakonitosti. Koraci ka ujedinjenju ispoljavaju jednostavnost. Simetrija ispoljava jednostavnost. Zatim su tu i samosličnosti duž skala – drugim rečima, od jednog sloja luka do drugog. Približna samosličnost. I to objašnjava ovaj fenomen. To će objasniti zašto je lepota uspešan kriterijum za odabir ispravne teorije.
Evo šta je Njutn rekao: „Priroda je vrlo skladna i saglasna samoj sebi“. Jedna od stvari na koje je mislio je ono što većina nas danas uzima zdravo za gotovo, ali u njegovim danima to nije bilo uzimano zdravo za gotovo. Postoji priča, za koju nije potpuno sigurno da je tačna, ali mnogi ljudi su je ispričali. Četiri izvora su je ispričala. Kada se kuga pojavila u Kembridžu i kada je on otišao na farmu svoje majke – jer je univerzitet bio zatvoren – video je jabuku da pada sa drveta ili na njegovu glavu ili tako nešto. I on je shvatio odjednom da bi sila koja je privukla jabuku dole ka zemlji mogla biti ista kao sila koja regulište kretanje planeta i meseca.
To je bilo veliko ujedinjenje za te dane, iako danas to uzimamo zdravo za gotovo. To je ista teorija gravitacije. Pa je on rekao da je ovaj princip prirode, harmonija: „Ovaj princip prirode daleko je od shvatanja filozofa, te sam se suzdržavao da ga opišem u toj knjizi, jer bih mogao biti smatran za ekstravagantnog čudaka…“ I to je ono na šta svi moramo da pazimo. Naročito na ovom okupljanju. „… i tako stvoriti predrasude svojih čitalaca protiv svih onih stvari koje su bile glavne ideje knjige.“
Sad, ko bi danas tvrdio da je to puka uobrazilja ljudskog uma? Da je sila koja izaziva pad jabuke na zemlju ista sila koja je uzrok kruženja planeta i meseca, i tako dalje? Svako to zna. To je osobina gravitacije. To nije nešto u ljudskom umu. Ljudski um može, naravno, to poštovati i uživati, koristiti, ali to nije – to ne vuče korenje iz ljudskog uma. To vuče korenje iz osobina gravitacije. I to je istina za sve stvari o kojima pričamo. One su osobine fundamentalnog zakona. Fundamentalni zakon je takav da različiti slojevi luka liče jedan na drugi i tako matematika jednog sloja dozvoljava da se izraze lepota i jednostavnost fenomena sledećeg sloja.
Kažem ovde da je Njutn uradio dosta stvari te godine: gravitacija, zakoni kretanja, kalkulus, belo svetlo sastoji se od svih boja duge. Mogao je napisati dosta u eseju na temu „Šta sam radio na letnjem raspustu“. Dakle ne moramo posmatrati ove principe kao odvojene metafizičke postulate. Oni proizlaze iz fundamentalne teorije. Oni su ono što zovemo proizlazećim osobinama. Nije vam potrebno – nije vam potrebno nešto više da biste dobili nešto više. To je ono što proizlaženje znači.
Život može proizići iz fizike i hemije, plus mnogo slučajnosti. Ljudski um može proizići iz neurobiologije i mnogo slučajnosti, načinom na koji hemijske veze proizlaze iz fizike i određenih slučajnosti. To ne umanjuje značaj ovih predmeta da se zna da oni proizlaze iz fundamentalnijih stvari, plus slučajnosti. Postoji opšte pravilo i veoma je važno da se to shvati. Nije vam potrebno nešto više da biste dobili nešto više. Ljudi nastavljaju da postavljaju pitanja kad pročitaju moju knjigu, „Kvark i Jaguar“. Oni kažu:“Nema li nečeg više iza onoga što imate tamo?“ Po svoj prilici, oni misle na nešto natprirodno. U svakom slučaju, nema ga. Nije vam potrebno nešto više da biste objasnili nešto više. Hvala vam puno.
. . .
Tekst preuzet sa predavanja na TED konferenciji. Originalno video izlaganje možete videti ovde.