Murray Gell-Mann over schoonheid en waarheid in natuurkunde

Dank voor het ophangen van deze foto's van mijn collega's hierzo. We zullen het over hen gaan hebben. Nu ga ik een experiment ondernemen. Normaliter doe ik zoiets niet; ik ben een theoretisch natuurkundige. Maar ik ga uitzoeken wat er gebeurt als ik op deze knop druk. Zowaar. Oké. Ik was werkzaam in de elementaire natuurkunde. Wat gebeurt er met materie wanneer je het opdeelt in hele kleine stukjes? Waar is het van gemaakt? En de natuurwetten bij deze deeltjes gelden overal in het universum, en ze zijn nauw verbonden met de geschiedenis ervan.

We weten veel over deze vier krachten. Er moeten er veel meer zijn, maar die bestaan tussen hele, hele kleine afstanden, en we hebben nog niet erg veel met hen te maken gehad. het belangrijkste waar ik het over wil hebben is dit: dat we de opmerkelijke ervaring hebben in de elementaire natuurkunde dat schoonheid een bijzonder succesvol criterium is voor het kiezen van de juiste theorie. En waarom zou dat zo zijn?

Wel, hier is een voorbeeld uit mijn eigen ervaring. Het is vrij dramatisch eigenlijk, dat dit gebeurd is. 3 of 4 van ons hebben, in 1957, een deels complete theorie voorgesteld voor één van deze krachten, de zwakke kracht. En die druisde in tegen zeven - zeven experimenten, welgeteld. De exerimenten hadden het allemaal verkeerd.

En wij publiceerden onze bevindingen voordat we dat wisten, want wij vonden dat het zo mooi was, dat het wel moest kloppen! De experimenten moesten wel fout zijn, en dat waren ze. Nu, onze vriend hier, Albert Einstein, besteedde nooit veel aandacht aan wat mensen zeiden, "Weet u, er is iemand met een experiment dat niet lijkt te kloppen met de speciale relativiteitstheorie. DC Miller. Wat denkt u daarvan?" en dan zei hij, "Ach, dat gaat wel weer over."

Maar waarom werkt zoiets? Dát is de vraag. Nouja, wat bedoelen we eigenlijk met mooi? dat is het eerste. Ik zal het proberen uit te leggen -- deels. Waarom zou dit werken, en heeft het iets met de mensheid te maken? Ik zal het antwoord op die laatste vraag van mij geven, het zit zo, dat het niets met de mensheid te maken heeft. Ergens op een andere planeet, die om een ster ver weg van de onze draait, misschien wel in een ander sterrenstelsel, is het goed mogelijk dat er wezens zijn die minstens zo intelligent zijn als wij, en geïnteresseerd zijn in wetenschap. Het is goed mogelijk; ik denk dat er waarschijnlijk veel zijn.

Waarschijnlijk is er geen enkele dichtbij genoeg om met ons contact te onderhouden. Maar het is heel goed mogelijk dat ze er zijn. En stel dat ze, zeg, totaal verschillende zintuigelijke capaciteiten hebben enzo. Dat ze zeven tentakels hebben, en 14 raar-uitziende facetogen, En een brein in de vorm van een krakeling. Zouden ze dan ook andere natuurwetten hebben? Er zijn veel mensen die dat denken, en ik denk dat het je reinste onzin is. Ik denk dat er wetten bestaan en dat we die natuurlijk niet altijd even goed begrijpen - maar we proberen het. En we proberen al maar dichterbij te komen.

en ooit zullen we misschien wel de fundamentele, verenigde theorie vinden van deeltjes en krachten, dat wat ik de "fundamentele wet" noem. Misschien zijn we er niet eens zo ver bij uit de buurt. Maar zelfs als daar niet achter komen tijdens ons leven, kunnen we ons nog steeds voorstellen dat er één is, en we proberen daar gewoon almaar dichter bij in de buurt te komen. Ik denk dat dat het belangrijkste punt is. We verwoorden deze zaken wiskundig. En wanneer die wiskunde eenvoudig is -- wanneer de termen van een wiskundige notatie beknopt zijn, en niet erg gecompliceerd zijn -- dát is wat we bedoelen met dat het mooi is; dat het elegant is.

Dit is wat ik vertelde over de wetten, dat ze er echt zijn. Newton geloofde dat zeker ook. En hij zei, hier, "Het is de taak van de natuurwetenschappen om deze wetten te vinden". De elementaire wet, laten we zeggen - dit is een aanname. De aanname houdt in dat de elementaire wet daadwerkelijk de vorm aanneemt van een verenigde theorie voor alle deeljes. Sommigen noemen dit de theorie van alles. Dat is fout, want de theorie is een quantum mechanische. En Ik zal niet diep ingaan op de quantummechanica en wat dit inhoudt, enzo. U heeft er toch al veel verkeerde informatie over gekregen. Er bestaan zelfs films over, met veel verkeerde info.

Maar het belangrijkste is dat het kansen voorspelt. Nu, soms zijn die kansen nagenoeg zekerheden. In veel bekende gevallen, zijn ze dat natuurlijk. Maar soms zijn ze dat niet, en heb je enkel kansrekeningen voor verschillende uitkomsten. Wat dat betekent is dat de geschiedenis van het universum niet enkel wordt bepaald door de fundamentele natuurwet. het is de fundamentele wet én de ongeloofelijk lange serie toevalligeheden, ofwel de uitkomst van kansen, welke ook meespelen.

En de fundamentele theorie omvat deze kansen niet; ze zijn een toevoeging. Dus het is niet een allesomvattende theorie. Sterker nog, een immense hoeveelheid informatie in het universum komt van deze toevalligheden, en niet alleen van de fundamentele wetten. Het word vaak voorgesteld dat wanneer we almaar dichterbij komen bij die fundamentele wetten, door het onderzoeken van fenomenen in lage energieën, en vervolgens almaar grotere energieën, en nog hogere energieën, of korte afstanden, en nog kortere afstanden, en dan nog kortere afstanden, enzovoorts, dat het is als het pellen van een ui. En dat blijven we doen, en we bouwen krachtigere machines, deeltjesversnellers. We kijken dieper in de structuur van deeltjes, en zodoende komen we waarschijnlijk almaar dichter bij deze fundamentele wet.

Wat er gebeurt wanneer we dat doen, wanneer we de ui steeds verder afpellen, en we almaar dichterbij de onderliggende wet komen, zien we dat elke laag overeenkomsten vertoont met de voorgaande, en de daaropvolgende. We kunnen ze wiskundig uitschrijven, en we zien dat de wiskunde erg overeenkomt. Ze vergen vergelijkbare wiskunde. Dat is werkelijk opmerkelijk, en het is een centrale eigenschap van wat ik hier vandaag probeer over te brengen. Newton noemde het -- Dat, trouwens, is Newton -- die daar.

Deze heir is Albert Einstein. Hé, Al! En, hoe dan ook, hij zei, "natuur conform haarzelf" -- de natuur als vrouw personificerend. Dus wat er gebeurt is dat de nieuwe fenomenen, de nieuwe lagen, de innerlijke lagen van de ietwat kleinere lagen van de ui waar we aan toe komen, lijken op de grotere. En het soort wiskunde dat we op voorgaande lagen toepasten bijna hetzelfde is als wat nodig is voor de volgende laag. En dat is waarom de vergelijkingen er zo gemakkelijk uitzien. Omdat ze wiskunde gebruiken die we al kennen.

Een triviaal voorbeeld: Newton ontdekte de wet van de zwaartekracht, die stelt het verband 1 over het kwadraat van de afstand tussen de objecten waarop de kracht werkt Coulomb, in Frankrijk, vond dezelfde wet voor electrische ladingen. Dat is een voorbeeld van dit soort gelijkenis. Je observeert zwaartekracht, en vindt een bepaalde wet. Dan observeer je electriciteit, en waarachtig, dezelfde wet. Het is een simpel voorbeeld. Er zijn vele meer diepgaande voorbeelden. Symmetrie is erg belangrijk in dit debat. U begrijpt wat dat betekent. Een cirkel, bij voorbeeld is symmetrisch bij verschillende rotaties door zijn middelpunt. Wanneer je door het middelpunt roteert, blijft de cirkel onveranderd. In een bol, in drie demensies, alle rotaties door het middelpunt, allen laten zij de bol in zijn waarde. Allen zijn ze symmetrieën van de bol. In zijn algemeenheid zeggen we dat er een symmetrie is onder verschillende itteraties wanneer deze itteraties het fenomeen of zijn beschrijving, onveranderd laten

Maxwelll's vergelijkingen zijn natuurlijk symmetrisch voor alle rotaties van ruimte. Het maakt niet uit of we de gehele ruimte onder een bepaalde hoek draaien, het laat de -- het veranderd niets aan het fenomeen electriciteit of magnetisme. Een nieuwe notatie, stammend uit de 19e eeuw, drukt dit uit, en wanneer u deze notatie gebruikt, worden de vergelijkingen veel eenvoudiger. Dan Einstein, met zijn speciale relativiteitstheorie, Hij bekeek de gehele set van symmetrieën van Maxwell's vergelijkingen, genaamd 'speciale relativiteit'. En deze symmetrieën, maken de vergelijkingen nóg korter, en dus nóg mooier.

Laten we kijken. U hoeft niet te weten wat deze dingen betekenen, dat is irrelevant. U hoeft enkel naar de vorm te kijken. U kunt gewoon de vorm bekijken. U ziet bovenaan een lange lijst met vergelijkingen met drie componenten, corresponderend met de drie dimensies: x, y en z. Vervolgens, gebruik makend van vector analyse, en assymmetrie, komen we bij deze volgende set. Vervolgens kan, gebruikmakend van de symmetrie van speciale relativiteit, een nóg simpeler set verkregen worden. hier beneden is die symmetrie almaar beter zichtbaar. Hoe meer symmetrie er is, des te beter komt de simpliciteit en elegantie van de theorie tot uiting.

De laatste twee, de eerste vergelijking stelt dat electrische ladingen en stromen de bron zijn van alle electrische en magnetische velden. De volgende - de tweede - vergelijking stelt dat er geen andere vorm van magnetisme is. Het enige magnetisme komt van electrische ladingen en stromen. Ooit vinden we mogelijk een kleine nuancering aan die stelling. Maar voor nu, is het gewoon waar.

Er is een opwindende ontwikkeling waar velen nog niet van gehoord hebben. Ze behoren er van gehoord te hebben, maar het is lastig om technisch gedetailleerd uit te leggen, dus dat zal ik niet. Ik zal het enkel noemen. Chen Ning Yang - door ons "Frank" Yang genoemd - en Bob Mills hadden, 50 jaar geleden, een generalizatie van Maxwell's vergelijkingen voorgesteld, met een nieuwe symmetrie. Een geheel nieuwe symmetrie. De wiskunde is vrijwel hetzelfde, maar met een geheel nieuwe symmetrie. Ze hoopten dat dit op een of andere manier zou bijdragen aan de deeltjesfysica maar dat deed het niet. Het heeft op zich niets bijgedragen aan de deejtesfysica

Maar vervolgens is het verder gegeneraliseerd door anderen. En toen werkte het wél! En het gaf een prachtige beschrijving van de sterke kracht en de zwakke kracht. Dus, nogmaals, elke laag van de ui vertoont gelijkenis met de aangrenzende lagen. Dus de wiskunde voor de aangrenzende lagen lijkt sterk op wat nodig is is voor nieuwe lagen. En daarom ziet het er mooi uit. Want we weten al hoe we het schrijven moeten op een mooie, beknopte manier.

Dus hier zijn de onderwerpen. Wij geloven dat er een verenigende theorie ten grondslag ligt aan alle regelmatigheden. Stappen in de richting van de vereniging vertonen deze eenvoud. Symmetrie toont de eenvoud. En er is vervolgens gelijkenis op alle schalen -- met andere woorden, van de ene naar de volgende laag van de ui. Regionale zelf-symmetrie. En dat verklaart dit fenomeen. Dat verklaart waarom schoonheid een succesvol criterium is voor het kiezen van de juiste theorie.

Dit is wat Newton er over zei: "De natuur is erg consonant en conform aan haarzelf" Een van de dingen waar hij aan dacht is iets dat de meesten van ons nu voor lief nemen. maar in zijn tijd was dit nog niet duidelijk. Het is het verhaal, wat niet met ablsolute zekerheid klopt, maar veel mensen deelden het. Vier bronnen vertelden er over. Dat toen de pest uitbrak in Cambridge, en hij naar zijn moeders boerderij ging - omdat de universiteit gesloten was - hij een appel van de boom zag vallen, of op zijn hoofd, ofzo. En hij zich plotseling realiseerde dat de kracht die de appel naar de aarde trok wel eens dezelfde kon zijn als de kracht welke de bewegingen van de planeten en de maan beheerst.

Dat was een grote stap destijds, hoewel deze vandaag de dag voor lief wordt genomen. Helzelfde geldt voor de theorie van de zwaartekracht. Zo zei hij dat dit natuurlijke principe, consonantie "Dit natuurlijke principe ver staat van de concepties van de denkenden, zoals ik weerhield te schrijven in mijn boek, opdat ik zal worden gehouden voor een extravagante mafkees ..." Daarvoor zullen wij allen moeten waken. Zeker in deze bijeenkomst. "... En zo een vooroordeel vel aan mijn lezers en ze behoed tegen de essentie van mijn boek."

Nu, wie zou vandaag de dag zo'n theorie afdoen als slechts een 'luimig idee uit de menselijke geest'? Dat de kracht welke de appel tot de grond doet vallen dezelfde is als de kracht welke de planeten en de maan doet bewegen, enzovoorts. Iedereen weet dat. Het is een eigenschap van zwaartekracht. Het is niet iets uit de menselijke geest. de menselijke geest kan het, uiteraard, waarderen en er van genieten, het gebruiken, maar het is niet -- het stamt niet uit de menselijke geest. Het stamt uit de eigenschappen van de zwaartekracht. And dat geldt voor all de zaken waar we het nu over hebben. Ze zijn de eigenschappen van de fundamentele wet. De fundamentele wet is zó, dat de verschillende lagen van de ui op elkaar lijken, en zodoende de wiskunde bij de ene laag toestaat om op een elegante en simpele manier het fenomeen in de daaropvolgende laag uit te drukken.

Ik zal u zeggen dat Newton veel vastgesteld heeft in dat laatste jaar: De zwaartekracht, bewegingswetten, calculus, wit licht bestaand uit alle kleuren van de regenboog. Hij had zeker de show kunnen stelen in het kringgesprek na de zomervakantie. ... Dus we hoeven deze principes niet als individuele metafysische grondstellingen aan te nemen. Ze volgen uit de fundamentele theorie. Ze zijn wat wij noemen 'afleidbare eigenschappen'. Je hebt niets -- er is niets meer nodig om meer te krijgen. Dat is wat afleidbaar betekent.

Leven kan ontstaan uit natuurkunde en scheikunde, plus een heleboel toevalligheden. Het menselijke verstand kan ontstaan uit neurobiologie en een heleboel toevalligheden, op dezelfde manier waarop een covalentie ontstaat uit natuurkunde en bepaalde toevalligheden. Dit doet niets af aan de significantie van deze onderwerpen wetend dat ze voortkomen uit meer fundamentele dingen, en toevalligheden. Het is een algemene regel, en het is bijzonder belangrijk om je dat te realizeren. Er is niets méér nodig om meer te krijgen. Mensen blijven mij vragen wanneer ze mijn boek, "The Quark and the Jaguar" lezen, En ze zeggen, "is er niets voorbij wat je daar benoemd?" Waarschijnlijk doelen ze dan op iets bovennatuurlijks. Hoe dan ook; dat is er niet. het is niet nodig om meer te hebben om meer te kunnen verklaren. Hartelijk dank.