ทฤษฎีสตริงเป็นตัวเลือกที่รู้จักกันดีที่สุดสำหรับทฤษฎีของทุกสิ่งทุกอย่าง ซึ่งเป็นกรอบทางคณิตศาสตร์ที่จะรวมโลกของสิ่งเล็ก ๆ เข้าด้วยกัน บรรยายโดยและใหญ่มากตามที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายไว้-
จนถึงขณะนี้ทั้งสองทฤษฎียังไม่สอดคล้องกันและปัญหาก็มาจาก- ในความพยายามที่จะบูรณาการแรงโน้มถ่วง (ซึ่งอ่อนแอในระดับเล็ก ๆ โดยที่แรงพื้นฐานอีกสามแรงนั้นแข็งแกร่ง)สมมุติฐานว่าจักรวาลประกอบด้วยเส้นเล็กๆ หนึ่งมิติ ซึ่งการสั่นสะเทือนทำให้เกิดอนุภาคที่เราเห็น
ปัญหาอยู่ที่การทำนายของทฤษฎีสตริงหลายอย่าง เช่น มีเรื่องใหญ่โตและที่เราอาศัยอยู่ฉายออกมาจากสุดขอบจักรวาล จนถึงขณะนี้ยังคงพิสูจน์ไม่ได้อย่างดื้อรั้น สิ่งนี้ทำให้ Peter Woit นักวิจารณ์ทฤษฎีชิ้นสำคัญกล่าวหาทฤษฎีนี้ว่า "ไม่ผิดด้วยซ้ำ"
แต่คำอธิบายของเขายุติธรรมหรือไม่? เพื่อหารือเกี่ยวกับทฤษฎีสตริง ผลกระทบของมันต่อจักรวาลของเรา สถานที่ที่สามารถทดสอบได้ และคุณประโยชน์ที่ทฤษฎีนี้มีต่อคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ เราได้นั่งคุยกับมาริกา เทย์เลอร์ที่วิธีTheLightGetsInเทศกาลในลอนดอน เทย์เลอร์เป็นรองอธิการบดีและเป็นหัวหน้าวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพแห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมในสหราชอาณาจักร และงานวิจัยของเธอมุ่งเน้นไปที่การใช้ทฤษฎีสตริงและการสังเกตการณ์หลุมดำเพื่อสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม นี่คือสิ่งที่เธอต้องพูด:
เบน เทิร์นเนอร์: ทฤษฎีสตริงคืออะไร และเหตุใดจึงสำคัญ
มาริกา เทย์เลอร์:ทฤษฎีสตริงเป็นทฤษฎีที่รวมพลังแห่งธรรมชาติทั้งหมดเข้าด้วยกัน และจะทำให้เราสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงได้
เหตุใดจึงสำคัญ? ฉันหมายถึง อย่างแรกเลย คุณสามารถพูดได้ว่ามนุษยชาติ ตั้งแต่กาลเริ่มต้น พยายามอธิบายโลกธรรมชาติรอบตัวเรา นั่นคือสิ่งที่ชักนำผู้คนตั้งแต่สมัยโบราณให้เริ่มเขียนคำอธิบายเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ ในแง่หนึ่ง นี่คือขั้นตอนสุดท้าย ซึ่งเป็นทฤษฎีของทุกสิ่งทุกอย่าง
ดังนั้นจึงมีความอยากรู้อยากเห็นของมนุษย์ที่ขับเคลื่อนสิ่งนั้น แต่มีการสังเกต ปรากฏการณ์ทางกายภาพ มากมาย ซึ่งเราไม่สามารถอธิบายได้จริงโดยใช้ทฤษฎีที่มีอยู่ และนั่นผลักดันเราไปสู่การสร้างทฤษฎีขั้นสูงสุดที่อธิบายทุกสิ่ง
BT: แล้วอะไรคือหลักสำคัญของทฤษฎีสตริง? แล้วมันแตกต่างจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างไร?
มอนแทนา:สมมติฐานพื้นฐานประการหนึ่งสำหรับเราคือทฤษฎีจำเป็นต้องลดเหลือทฤษฎีที่เป็นที่รู้จักและประสบความสำเร็จในด้านต่างๆ ที่ [ใช้] จึงต้องลดเหลือทฤษฎีของไอน์สไตน์ซึ่งทฤษฎีของไอน์สไตน์ใช้ได้ดีจริงๆ
แต่ในระดับพื้นฐาน ฉันคิดว่าสมมุติฐานบางประการอาจเป็นได้ว่า มันเป็นทฤษฎีที่มีการวิวัฒนาการของเวลาที่คาดเดาได้ ดังนั้น หากคุณทราบสถานะของจักรวาลในคราวเดียว นั่นก็จะเป็นตัวกำหนดสถานะของจักรวาลอย่างไม่ซ้ำใครในภายหลัง
นอกเหนือจากนั้น เป็นการยากที่จะอธิบายทฤษฎีสตริง เพราะในบางแง่ มันไม่ได้เป็นเพียงทฤษฎีเดียวเท่านั้น แต่จริงๆ แล้วมันคือภูมิทัศน์ ดังนั้นในบางระบอบการปกครอง คุณอาจซ้อนสมมุติฐานในแง่ของพฤติกรรมที่แท้จริงของสตริง สมมุติฐานพื้นฐานก็คือว่าจริงๆ แล้วอนุภาคทุกตัวเป็นเส้นเล็กๆ และด้วยการกระตุ้นที่ต่างกัน ลูป [ของเส้นเหล่านั้น] จะสอดคล้องกับอนุภาคที่ต่างกัน
BT: เหตุใดจึงมีทฤษฎีสตริงที่แตกต่างกันมากมาย?
มอนแทนา:เป็นเพราะมีหลายวิธีในการดูปรากฏการณ์ทางกายภาพเดียวกัน ในช่วง 20 ถึง 30 ปีที่ผ่านมา คุณมักจะได้ยินวลีความเป็นคู่ [ในสนาม] คำนั้นสะท้อนถึงความจริงที่ว่ามีคำอธิบายทางเลือกอื่นของปรากฏการณ์ทางกายภาพเดียวกัน
เราเคยคิดว่าแรงโน้มถ่วงและฟิสิกส์ของอนุภาคมีความแตกต่างกันจริงๆ ตอนนี้เราเห็นแล้วว่า จริงๆ แล้ว คุณอาจมีปรากฏการณ์แบบเดียวกัน โดยที่มันสามารถใช้แทนกันได้ ขึ้นอยู่กับขนาดของปัญหาและขั้นตอนของเวลา
BT: ไม่นานหลังจากตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไอน์สไตน์เสนอการทดสอบคลาสสิกสามครั้งสำหรับทฤษฎีของเขาที่นักวิทยาศาสตร์ได้แสดง เหตุใดทฤษฎีสตริงจึงไม่ทำการทดสอบที่คล้ายกัน
มอนแทนา:ดังนั้นฉันคิดว่าสิ่งนี้กลับไปสู่คำถามที่ว่า [เราสามารถค้นหา] ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงและฟิสิกส์ของอนุภาคที่เป็นหนึ่งเดียวได้ที่ไหน และประเด็นสำคัญสองประการที่เราต้องพิจารณาคือ ประการแรก จักรวาลยุคแรกสุด — สิบยกกำลัง [กำลังของ] ลบ 30 วินาที — และประการที่สอง พื้นผิวและภายในของ-
จักรวาลส่วนใหญ่ได้รับการอธิบายอย่างดีจากทฤษฎีที่มีอยู่ ดังนั้นการหาหลักฐานเชิงทดลองจึงยากกว่ามากในตอนนี้ แต่ฉันก็คิดว่ามันสำคัญที่ต้องจำไว้ว่า เกือบจะทันทีหลังจากที่เขาเขียนลงไป ผู้คนก็ตระหนักว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ทำนายไว้- แต่เนื่องจากพวกมันทำให้เกิดผลกระทบเล็กๆ น้อยๆ ที่ทำให้ยากต่อการตรวจพบ จึงตรวจไม่พบพวกมันจนกระทั่ง 100 ปีต่อมา
BT: นักทฤษฎีสตริงบางคนตั้งข้อสังเกตว่าเพื่อสาธิตการมีอยู่ของสตริง เราจะต้องสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดเท่ากับกาแลคซีหรือใหญ่กว่า เราอยู่ไกลขนาดนั้นจริงเหรอ? หรือเราจะฉลาดมากขึ้นเกี่ยวกับสิ่งที่เรามอง?
มอนแทนา:ใช่ ฉันคิดว่ามันเกี่ยวกับความฉลาดในการทดสอบ เพราะเห็นได้ชัดว่าไม่มีใครจะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ขนาดนั้นได้
ย้อนกลับไปตอนที่ฉันยังเป็นนักเรียนเมื่อ 28 ปีที่แล้ว ผู้คนคงไม่เชื่อว่าเราจะมีระดับความแม่นยำได้[ที่เรามี]. ดังนั้นเราจึงไม่ควรมองหาที่จะทำสิ่งนี้โดยเครื่องชนอนุภาค เราควรมองไปที่จักรวาลด้วยตัวมันเอง เพราะมันทำการชน [อนุภาค] เหล่านั้นให้เราแล้ว
ภายในหลายทศวรรษข้างหน้า เราจะได้รับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลุมดำที่ชนกัน นั่นเป็นปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งจริงๆ การชนกันระหว่างหลุมดำสองหลุมที่สังเกตการณ์โดย LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) เครื่องตรวจจับ (และเพื่ออะไร) ปล่อยพลังงานทั้งหมดของดวงอาทิตย์ออกมาสามเท่า ไม่ใช่พลังงานที่ผ่านเราในหนึ่งนาทีหรือหนึ่งวัน แต่เป็นพลังงานทั้งหมด
เมื่อเราเริ่มได้รับข้อมูลมากขึ้นเรื่อยๆ ของการควบรวมเหล่านี้ และการถ่ายภาพอย่างละเอียดมากขึ้น นั่นคือวิธีที่เราจะค้นหาฟิสิกส์ใหม่ๆ ที่น่าสนใจ
BT: และด้วย[Laser Interferometer Space Antenna] เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงกำลังจะมีความไวมากขึ้น นั่นจะช่วยให้เราศึกษาการควบรวมกิจการได้ดีขึ้นหรือไม่?
มอนแทนา:ลิซ่ามีความไวต่อคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในเอกภพในยุคแรกเริ่มมากกว่ามาก ด้วย LIGO คุณจะไม่เห็นพวกมันเพราะมันอยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่ไม่ถูกต้อง ดังนั้นมันจะน่าสนใจ
ลิซ่าจะเห็นรายละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับหลุมดำหนักมากในใจกลางกาแลคซี สิ่งเหล่านั้นเกี่ยวข้องกับเมล็ดพันธุ์ที่กาแลคซีก่อตัวครั้งแรก มันจะให้ข้อมูลเพิ่มเติมแก่เราอีกครั้ง
BT: นอกจากหลุมดำแล้ว คุณบอกว่าอาจมีสัญญาณในจักรวาลยุคแรกด้วย เราจะมองหาอะไรที่นั่น?
มอนแทนา:ผู้คนหวังว่าในพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก ซึ่งได้รับการถ่ายภาพด้วยความแม่นยำสูงมาก อาจมีสัญญาณปืนควันสำหรับเอฟเฟกต์ของทฤษฎีสตริง
ดูเหมือนจะไม่เป็นเช่นนั้น อาจเป็นได้ว่ามีคุณลักษณะที่มาจากอนุภาคที่มีอยู่ในบางกลุ่มตามทฤษฎีสตริง พวกเขาคำนวณสิ่งเหล่านี้และพบว่าผลกระทบมีแนวโน้มน้อยเกินไปที่จะมองเห็นในพื้นหลังไมโครเวฟ
แต่มีวิธีอื่นในการสังเกตจักรวาลวิทยา พื้นหลังไมโครเวฟเป็นเพียงภาพถ่ายในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น ผู้คนสนใจที่จะวัดสิ่งอื่น มีจักรวาลวิทยาขนาด 21 เซนติเมตร [เส้นไฮโดรเจนปรมาณูที่มีการเคลื่อนไปทางสีแดงยาว 21 เซนติเมตร] ที่คุณสามารถวัดได้ต่อเนื่องกันหลายครั้ง มันไม่ใช่แค่ภาพรวม แต่มันเหมือนกับภาพยนตร์ ซึ่งอาจมีข้อมูลเพิ่มเติมที่ช่วยให้เราระบุการทดลองรุ่นต่อไปได้
BT: ส่วนหนึ่งของงานวิจัยของคุณคือการดูว่าหลุมดำมีพฤติกรรมคล้ายกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างไร สำหรับคนธรรมดา นั่นอาจดูเหมือนเป็นก้าวกระโดดทางความคิดครั้งใหญ่ ทั้งสองเชื่อมโยงกันอย่างไร?
มอนแทนา:รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการทำงานนี้ยังอยู่ระหว่างการศึกษาอย่างแน่นอน แต่หลุมดำมีพฤติกรรมเหมือนกับมีประสิทธิภาพมาก- หากคุณโยนบางสิ่งลงไป วัตถุนั้นจะถูกเก็บไว้ในหลุมดำราวกับว่ามันอยู่ในฮาร์ดไดรฟ์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม และการระเหยของหลุมดำก็คล้ายกับกระบวนการคำนวณควอนตัม
เราควรคิดว่าพื้นผิวของหลุมดำเป็นเหมือนดิสก์อัจฉริยะของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ผู้คนพบว่าเป็นเรื่องยากที่จะกำหนดแนวความคิด เนื่องจากเราคุ้นเคยกับการมองฮาร์ดดิสก์ของคอมพิวเตอร์เป็นวัตถุแบนๆ เราจึงไม่อยากเห็นมันเป็นทรงกลมขนาดใหญ่ แต่จริงๆ แค่คิดว่าคุณกำลังเก็บข้อมูลบนพื้นผิวนั้น และเมื่อฉันโยนบางสิ่งเข้าไปในหลุมดำ สิ่งนั้นก็จะถูกประทับลงบนฮาร์ดดิสก์จริงๆ มันเหมือนกับการทำศัลยกรรม
BT: ถ้ามีใครตกอยู่ในหลุมดำ พวกเขาจะถูกยืดออกจนแยกออกจากกัน แล้วพวกเขาก็จะถูกเก็บออกไปในคิวบิตเหล่านั้นเหรอ?
มอนแทนา:ใช่แล้ว ถูกต้องแล้ว
BT: มันเป็นวิธีที่ไม่เหมือนใคร เราได้สัมผัสเรื่องนี้ไปแล้วก่อนหน้านี้ด้วยเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง แต่จะต้องใช้เวลานานเท่าใดก่อนที่เราจะได้รับความก้าวหน้าขั้นพื้นฐานในด้านการทดลองทั้งหมดนี้
มอนแทนา:ฉันคิดว่ามันขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการบางอย่างที่เป็นปืนควันของทฤษฎีทั้งหมด หรือคุณต้องการสำรวจแง่มุมต่างๆ ของมันหรือไม่
แน่นอนว่าผู้คนทำการทดลองซึ่งเปิดเผยบางสิ่งที่คุณไม่เคยคิดมาก่อน [เช่น] วิธีที่หลุมดำมีพฤติกรรมเหมือนคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในโฮโลแกรม หลุมดำอธิบายได้ด้วยทฤษฎีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง คุณสามารถจำลองสิ่งเหล่านั้นในห้องแล็บได้จริงๆ
สำหรับคำถามที่ใหญ่กว่านั้น สมมติว่าเราต้องการทราบรูปร่างของมิติพิเศษของทฤษฎีสตริง มาตราส่วนเวลาที่เราสามารถทำการทดลองจะนานกว่าอย่างเห็นได้ชัด แต่ฉันคิดว่าความรับผิดชอบอยู่ที่นักทฤษฎีที่จะต้องฉลาดเกี่ยวกับเรื่องนั้น
ฉันยังเชื่อมโยงมันเข้ากับทฤษฎีสำคัญๆ ที่เรามี เช่น ค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาหรือพลังงานมืด ถ้าท้ายที่สุดคุณสามารถพูดได้ว่าทฤษฎีสตริงทำนายบางอย่างเช่นพลังงานมืด แล้วเราจะไปทำนายทฤษฎีสตริงผ่านสิ่งนั้นได้ไหม เพราะเราไม่มีคำอธิบายอื่นเกี่ยวกับพลังงานมืด
ฉันระมัดระวังมากและฉันไม่คิดว่าผู้คนควรสัญญาเกินจริง แต่ฉันคิดว่าเพียงเพราะคุณไม่สามารถวัดผลการทดลองได้ ไม่ได้หมายความว่าผู้คนไม่สามารถศึกษามันได้
BT: สมมติว่าพรุ่งนี้เราตื่นนอนแล้ว และมีหลักฐานจากปืนสูบบุหรี่ว่าทฤษฎีสตริงผิด มีทฤษฎีทางเลือกอื่นๆ ที่คุณคิดว่าน่าสนใจหรือไม่ หรือเป็นผู้มีอำนาจเหนือกว่าจริงๆ?
มอนแทนา:ทฤษฎีสตริงคือชุดของแนวคิดเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐาน ฉันคิดว่ามันไม่น่าเป็นไปได้มากที่จะมีปืนสูบบุหรี่ที่บอกว่ามันผิดทั้งหมด มันจะบอกว่ามีบางแง่มุมที่มันผิด จากนั้นคุณมุ่งความสนใจไปที่สิ่งที่เหลืออยู่
ฉันคิดว่าการสำรวจแนวคิดต่างๆ ในทุกทิศทางเป็นสิ่งสำคัญมาก แต่สำหรับทฤษฎีทางเลือกเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม ไม่มีคู่แข่งที่แท้จริง
หมายเหตุบรรณาธิการ: บทสัมภาษณ์นี้ได้รับการแก้ไขและย่อเพื่อความชัดเจน
HowTheLightGetsIn เป็นเทศกาลไอเดีย วิทยาศาสตร์ และดนตรีที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งจัดขึ้นทุกปีในลอนดอนและเฮย์ พลาดงานเทศกาลในลอนดอนไปหรือเปล่า? ไม่ต้องกังวล. สามารถรับชมกิจกรรมก่อนหน้านี้ทั้งหมดของเทศกาล รวมถึงการอภิปรายและการเสวนาจากเทศกาลลอนดอนเมื่อเร็วๆ นี้ไอเอไอ.ทีวี.คุณจะพบวิดีโอ บทความ และแม้แต่กิจกรรมออนไลน์รายเดือนจากนักคิดรุ่นบุกเบิก เช่น Roger Penrose, Carlo Rovelli และ Sabine Hossenfelder ซึ่งครอบคลุมหัวข้อตั้งแต่ควอนตัมไปจนถึงจิตสำนึกและทุกสิ่งที่เกี่ยวข้อง ทดลองใช้ฟรีทุกเดือนได้แล้ววันนี้ที่aii.tv/สมัครสมาชิก-
มีอะไรเพิ่มเติม? เทศกาลครั้งต่อไปจะกลับมาที่ Hay ตั้งแต่วันที่ 23-26 พฤษภาคม 2568 ตามธีม 'Navigating the Unknown' หากต้องการทราบรายละเอียดและข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับบัตร Early Bird โปรดไปที่เว็บไซต์.
