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Evento de blog ao vivo: a surpreendente simplicidade de tudo

Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

Mas tudo é surpreendentemente simples? Ou esta é uma afirmação grandiosa que falha quando confrontada com as evidências?

Meu principal interesse é o problema da singularidade. Se não conseguimos entender o que aconteceu na singularidade de onde saímos, parece que não entendemos as leis da física de partículas. – Neil Turok

Quando se trata do que o Universo é versus o que ele poderia estivemos em um cenário de pior caso, tivemos muita sorte. Imagine um Universo onde as leis fundamentais da física mudaram drasticamente de um momento para o outro; imagine um Universo onde as forças, leis, constantes ou interações que governam todas as partículas elementares se comportariam de maneira diferente no final desta frase em comparação com o início.

Você pode sequer imaginar o que poderia dar errado?

Crédito da imagem: Exterminador do Futuro 2, ainda o último dos filmes do Exterminador do Futuro em minha mente.

Os átomos se desvinculariam; planetas sairiam de órbita; as estrelas aquecem e esfriam espontaneamente; a radiação se tornaria mais ou menos energética ao acaso; materiais construídos se autodestruiriam espontaneamente; a vida de qualquer forma química conhecida seria totalmente impossível.

E, no entanto, o Universo que temos é consistente, ordenado e obedece às mesmas leis em todos os lugares que olhamos: em todos os momentos, em todos os locais e em todas as energias.

Crédito da imagem: LBNL / NSF / DOE, CPEP Web.

Nós vamos, quase em todas as energias. Você vê, à medida que vamos para energias cada vez mais altas, descobrimos que uma série de simetrias importantes e fundamentais são restauradas, levando a um Universo que – de muitas (mas não todas) maneiras – é mais fácil de entender e descrever. Existem maneiras conhecidas de isso acontecer, como a restauração da simetria eletrofraca, e formas especulativas de que isso poder acontecer, como a grande unificação.

Crédito da imagem: R Nave of Hyperphysics na Georgia State University.

Mas também há grandes incógnitas sobre o nosso Universo:

• como ocorreu a inflação,
• como surgiu a assimetria matéria/antimatéria,
• o que são matéria escura e energia escura,
• por que as leis da física são as que temos e não algo diferente, e talvez mais fundamentalmente,
• de onde vieram o espaço e o tempo em primeiro lugar?

Crédito de imagem: Moonrunner Design, via http://news.nationalgeographic.com/news/2014/03/140318-multiverse-inflation-big-bang-science-space/ .

É com vista a estas questões que chegamos à primeira palestra pública do novo ano letivo do Instituto Perimeter, ministrada pelo cosmólogo Neil Turok .

Neil é um personagem interessante, que fez uma pesquisa tremendamente valiosa que muitas vezes faço referência e tenho o maior respeito na década de 1980 e início de 1990, e foi alguém que apostou nas cordas cósmicas como as sementes da formação da estrutura até que os dados do satélite COBE mostraram era impossível que assim fosse, favorecendo os resultados da inflação nas maiores escalas.

Crédito da imagem: Takeo Moroi & Tomo Takahashi, de http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096 ; anotações minhas (em azul).

Desde então, a carreira de Neil tomou um rumo interessante, pois sua pesquisa se tornou muito mais especulativa e tomou um rumo muito negativo, alguns diriam até nojento visão da inflação. Ele é muito inteligente, muito capaz e tem seu próprio ponto de vista interessante sobre as coisas. Mas algumas coisas que ele diz, como,

Nossas teorias existentes são muito artificiais, arbitrárias, ad hoc. Acho que podemos estar à beira da próxima grande revolução em teoria. Será inspirado pelos dados, pelo fracasso dos paradigmas tradicionais. Isso mudará nossa visão do universo.

pode ser de fato o oposto do que a realidade nos dá, pois os paradigmas tradicionais funcionam indiscutivelmente bem!

Crédito das imagens: Perimeter Institute.

Quer ouvir o que ele tem a dizer? Eu também! Mas eu quero que você ouça com comentários de nível de especialista, e estou feliz em (fazer o meu melhor para) fornecê-lo! Então volte aqui e sintonize a transmissão ao vivo do Perimeter Institute abaixo e acompanhe (em uma nova guia/janela, talvez) enquanto eu lhe dou o passo a passo, com atualizações e verificações de fatos a cada poucos minutos!

https://www.youtube.com/watch?v=sd4j62r7PCE

Junte-se a nós no dia 7 de outubro às 19:00 EDT (16:00 PDT) e, em seguida, pegue o feed permanente (caso seja em uma hora imprópria) quando terminar. Vejo você então!

Atualização das 16h01 (PDT) : Aqui vamos nós! A promessa da introdução é que esta palestra nos dará muito em que pensar, o que pode ser incrível, concentrando-se nos últimos resultados robustos, ou mais imaginativos, especulativos ou totalmente fora do fundo. Estamos prestes a descobrir!

16h03: Outro grande teaser: promete ser sobre por que a física é tão emocionante. Há muitas razões pelas quais não conseguimos dormir à noite, e eu me pergunto qual é a de Neil: espero que seja a fronteira entre o que é conhecido e o que não é, mas pode ser qualquer coisa.

16h05: Neil está extremamente empolgado em ter Art McDonald se juntando ao conselho do Perimeter, e isso é legitimamente empolgante! Arte somente ganhou o Prêmio Nobel pela descoberta de neutrinos com massa, o que é legitimamente não apenas uma descoberta surpreendente, mas a primeira evidência experimental concreta de que as partículas do Modelo Padrão devem ter interações que as levam além do Modelo Padrão: ou neutrinos pesados ​​de Dirac , um mecanismo de gangorra ou outra coisa!

16h08: Muito divertido e informativo vídeo tributo a Art e sua pesquisa de neutrinos, e os resultados do Sudbury Neutrino Observatory. Claro, o que ele está falando remonta ao trabalho de Reines, Cowan e Bahcall, que merecidamente ganhou o Prêmio Nobel cerca de 15 anos atrás por Resolvendo o problema do neutrino solar . Mas a descoberta de oscilações e massas é algo completamente diferente e, sem dúvida, digna de um Nobel por si só!

16h11: Neil está prometendo ser cuidadoso sobre sua definição de simplicidade, o que é bom. Como você deve ter adivinhado, eu não acho que o Universo é simples em tudo!

Ele está dizendo que o Universo tem regular , padrões previsíveis que surgem, incluindo padrões que ainda não entendemos, mas que definitivamente têm ordem. Não tenho certeza se concordo com isso: as coisas que não entendemos costumam parecer caóticas, então vou ter que ver onde isso vai dar.

Crédito da imagem: NASA/GSFC.

16h13 : Ah, o primeiro momento para mim: ele fala sobre ver de volta ao Big Bang, a singularidade da qual o espaço e o tempo surgiram, que começou tudo. Claro, existem dois Big Bangs como os físicos falam sobre eles: o Big Bang quente que deu origem ao Universo observável que vemos, e a singularidade que é não sinônimo disso. Isso não é observável, graças à inflação cósmica que criou o Big Bang.

Neil, é claro (bem vocalmente) não acredita em inflação, então pode ser para onde ele vai.

16h16: Esta peça de energia escura sobre a qual ele fala é interessante: que o Universo era muito uniforme no passado distante (imediatamente após o Big Bang quente), e será muito, muito uniforme (como, uniformemente vazio) no futuro distante, enquanto é apenas não simples (ou não uniforme) no meio, onde por acaso vivemos. Nesse sentido, o Universo costumava ser simples, e será novamente.

16h19 : E sim, o Universo é uniforme (380.000 anos após o Big Bang), quando o instantâneo CMB foi tirado, para apenas algumas partes em 100.000. Estas flutuações de temperatura são apenas da ordem de dezenas de microkelvin , mas a temperatura real – a parte uniforme que é subtraída (junto com nosso movimento pelo espaço) – é cerca de 30.000 vezes maior.

16h21 : Ele está falando sobre sincronicidade e mostrando este gráfico acima. O que ele quer dizer – porque não acho que esteja claro – é que essas flutuações vão de grande escala (à esquerda) a pequena escala à direita. Elas todo começou com a amplitude que você vê à esquerda, mas com o passar do tempo (e a informação viaja na velocidade da luz), as escalas menores começam a receber interações de outras flutuações e agem como ondas.

O toque que ele usa o sino como uma analogia são os picos e vales das ondas que você vê, com o primeiro pico maior correspondendo à primeira instância de escalas atingindo essa amplitude máxima na idade do Universo de 380.000 anos. A propósito, as localizações, amplitude e frequências desses picos nos dizem qual porcentagem do Universo é matéria normal, matéria escura e energia escura!

16h25 : Esta é a simulação de Neil de um trabalho recente (que eu ainda não vi) de choques ocorrendo em energias muito altas e tempos muito antigos: muito além do que o LHC pode ver. Eu não sei quais suposições entram nesse resultado.

16h26 : O Universo acabou por ser mais simples do que qualquer um dos nossos modelos. Mesmo? REALMENTE?! O Universo se mostrou consistente – tanto em cosmologia quanto em física de partículas – com todos os modelos mais simples, mais conservadores (com o menor número de suposições novas). O modelo de cosmologia inflacionária conhecido como nova inflação proposto em 1982/1983 é perfeitamente consistente com o que vemos; o modelo padrão da década de 1960 recebe tudo (exceto massas de neutrinos) que vemos. Não faço ideia do que Neil está falando.

Sim, os teóricos que mergulham em território incrivelmente especulativo e tratam isso como fato, apesar da falta de evidências experimentais, estão fazendo algumas coisas perigosamente erradas, mas todo mundo sabe disso. Simplicidade não é falta de unificação ou falta de estrutura matemática mais profunda, como Neil parece sugerir.

16h29 : Neil fala sobre a matemática como sendo simples e poderosa, mas a coisa importante que a matemática faz para o nosso Universo – para a física – é o seguinte:

• Está auto-consistente ,
• ele se comporta da mesma maneira em todos os momentos e em todos os locais,
• e permite-nos prever resultados a partir de um conjunto de regras, restrições e postulados.

Quão afortunados somos que nosso Universo obedece a leis como esta – leis matemáticas – quando se trata do próprio Universo físico.

16h31 : Neil fala sobre matemática, lógica, prova e justiça. Acho que isso é óbvio, mas também vale a pena dizer de qualquer maneira: a prova não é necessariamente rigorosa e infalível em todas as circunstâncias, mas é uma maneira de exigir evidências para que possamos nos convencer de que nossas conclusões são robustas nas circunstâncias em que as aplicamos.

16h34 : Interessante que ele caracterize o próximo salto matemático como o desenvolvimento de números imaginários/complexos. Existem ramos da física (mecânica quântica) que provavelmente não teriam surgido sensatamente sem o desenvolvimento desse campo, onde você tem partes reais e imaginárias. Matematicamente, você pode estender real (onde há uma coisa) para complexo (onde há duas, real e imaginária) para uma nova estrutura chamada quatérnios (onde há quatro geradores) e depois octônio (com oito geradores), mas não mais que isso. A matemática é interessante!

16h37 : Ok, melhor momento da conversa até agora: este eu estará aqui para a eternidade, ao contrário do iPhone, iPod ou iPad. Na sua cara, acólitos de Steve Jobs! Isso mesmo, esta palestra apresenta um iJoke!

16h40 : Então ele está introduzindo uma função exponencial agora. Fizemos Pitágoras, números imaginários e exponenciais. Esses são conceitos relativamente simples, e juntá-los nos dará a identidade de Euler, que é um caso especial (ângulo de 90 graus, ou pi/2) do Fórmula de Euler :

16h42 : E sim, se você mapear ao longo do tempo, obterá funções oscilatórias senoidais baseadas nessa estrutura matemática.

Se você pegasse física como estudante do ensino médio e tentasse descobrir eletricidade e magnetismo sem números complexos, havia muita confusão. Se você os usou, ficou mais simples, suponho, de um certo ponto de vista. Isso levou à unificação (eletromagnetismo), à previsão da luz e sua descoberta como uma onda eletromagnética e uma série de outras coisas.

16h46 : Sim, é verdade que as equações de Maxwell prevêem sem escadas para ondas eletromagnéticas, de ondas gama (arbitrariamente curtas) a rádio (arbitrariamente longas), mas há muito se suspeitava disso, pois os raios X, as ondas ultravioleta e a luz infravermelha eram conhecidos há quase um século!

16h48: Você é uma onda! Nós vamos, tipo de . A propagação mecânica quântica é algo que só ocorre se você não forçar uma interação. Dizem que uma panela vigiada nunca ferve, o que não é verdade, embora muitas vezes pareça assim. Mas um átomo observado com uma meia-vida longa não decai, pois sua função de onda leva tempo para se espalhar o suficiente para que possa entrar no estado de baixa energia, e cada interação a leva de volta a um estado definido. Então você não está se espalhando pela sua vida; não se preocupe. (Ou, pelo menos, não culpe sua cintura aumentando à medida que envelhece!)

16h50 : Neil está falando agora sobre partículas de comprimento de onda curto e a catástrofe ultravioleta, e como o fato de que os fótons devem ser partículas - a natureza quântica da luz - que impede o Sol e todos os radiadores térmicos de emitir uma quantidade infinita de energia no alto- domínio da frequência.

16h52 : Embora esta seja uma ótima lição de história, estou começando a ficar nervoso que não vamos ouvir nada sobre a surpreendente simplicidade de qualquer coisa que não seja a Identidade de Euler e as ondas senoidais.

16h54 : Muitas pessoas associam Einstein com a velocidade da luz e relatividade especial, espaço-tempo e relatividade geral, ou E = mc^2 , mas na verdade ganhou o Prêmio Nobel pela verificação das ideias de Planck e pela descoberta do efeito fotoelétrico. Se você acender uma luz de alta intensidade, mas de baixa frequência, ela não derrubará nenhum elétron. Mas mesmo um único fóton da frequência certa pode ionizar um átomo/molécula. Esse é o efeito fotoelétrico, e isso prova que a energia da luz é quantizada!

16h56 : A maioria das palestras começa com o que sabemos — o que todos sabem — e avança para falar sobre resultados de ponta. Mas essa palestra passou os primeiros 15 minutos (começando por volta dos 11 minutos) falando sobre resultados de ponta, e depois a meia hora seguinte falando sobre física muito, muito antiga (do século VI a.C. até a década de 1920). Como isso faz você se sentir?

Crédito da imagem: Exterminador do Futuro 2, ainda o último dos filmes do Exterminador do Futuro em minha mente.

16h59 : O teorema de Pitágoras funciona em qualquer número de dimensões que ele reivindica. Bem, isso é meio verdade. Funciona em qualquer plano bidimensional plano, não curvado que podem ser incorporados em qualquer número de dimensões superiores.

17h01 : Mas sim, nós absolutamente temos que ter a probabilidade de todos os resultados possíveis somarem 1, ou sua teoria física está com problemas. Isso tudo é física quântica básica, tudo verdade e tudo não controverso. Suponho que esta seja uma perspectiva interessante de como olhar para isso, e talvez seja mais simples do que a maneira padrão que é ensinada de uma certa perspectiva.

17h03 : É interessante pensar que muito desse trabalho foi feito, historicamente, nas décadas de 1920 e 1930, e foi desenvolvido peça por peça por pessoas como Bohm, Hund, Bohr, Heisenberg, Schrodinger, Pauli, Einstein, Planck , Dirac, Klein, Gordon, Proca, Schwinger, Wigner, Breit, Lipman e muitos, muitos outros. Por outro lado, isso me faz pensar na Relatividade Geral, e como Einstein – com exceção de alguma ajuda matemática – descobriu as regras e leis tudo por conta própria .

17h06 : Tempo de experiência de pensamento! Esta é uma ideia clássica da relatividade especial: você tem a velocidade invariável da luz e uma fonte em movimento. O que você vê?

17h08 : O que ele não mencionou é que essa estrutura numérica complexa que demos à mecânica quântica, aquela em que você tinha uma parte real e uma parte imaginária e as somas de seus quadrados davam a unidade, ou uma probabilidade de 1, também mostra que mesma estrutura na relatividade. Espaço e tempo têm a mesma relação, onde espaço e tempo são quantidades complexas – uma é real e a outra é imaginária – mas estão relacionadas por uma constante: c , A velocidade da luz.

E então há esse intervalo invariável para algo em movimento ou algo em repouso, e é assim que se junta: da mesma maneira. A velocidade da luz e a velocidade da gravidade são as mesmas, e essa estrutura matemática foi montada por um dos ex-professores de Einstein, Hermann Minkowski, em 1907.

17h09 : Desculpe, minha culpa; 1908! Aqui está a citação de Minkowski de setembro daquele ano, onde ele apresentou esse formalismo:

As visões de espaço e tempo que desejo apresentar a vocês surgiram do solo da física experimental, e é aí que reside sua força. Eles são radicais. Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.

17h12 : Se você colocar isso no contexto da Relatividade Geral, você obtém o possibilidade de um Universo em expansão, mas você também não precisava fazer isso; é apenas mais fácil de ver com esse contexto presente.

17h14 : Puta merda NÃO NÃO NÃO NÃO NÃOOOO ! Claro, jogue toda a física conhecida em uma única equação: você pode fazer isso! Desde que:

• gravidade é uma teoria quântica,
• você não se importa que não haja violação de CP forte, bariogênese, matéria escura ou massas de neutrinos,
• não há novas forças que não sejam contabilizadas,
• não há termos cruzados entre essas forças que não descobrimos,
• e que tudo isso coloque junto é um problema solucionável.

Claro, fale sobre a simplicidade de tudo e, em seguida, apenas encobrir todas as imenso suposições que foram para escrever isso. Pode até não fazer nenhum sentido fazer isso. Mas é uma boa história visualizar o Universo como apenas uma onda senoidal de algo girando em um círculo.

17h17 : Além disso, isso não responde a uma série de perguntas que Neil criou , como de onde vieram o espaço e o tempo (a singularidade inicial que ele aludiu no início), por que as constantes têm os valores que têm, ou se a gravidade, o tempo e/ou o espaço são eles próprios quantizados. (As respostas esperadas são provavelmente, possivelmente e talvez.)

17h21 : Então eu acho que ele está correndo no final, porque essas são apenas ideias, avenidas de pesquisa e, claro, sua ideia favorita de que vivemos em um universo saltitante, que tem uma estrutura cíclica. As consistências matemáticas são boas, mas não substituem um observável que você pode procurar e usar para discriminar entre modelos.

Seus modelos saltitantes – pelo menos historicamente ao longo de mais de uma década – não oferecem nada de único. Você pensaria que com seu sarcasmo contra a Teoria das Cordas mais cedo, como ela não oferecia nada em termos de evidências testáveis, ele teria mais a dizer sobre seu próprio modelo de estimação.

17h24 : unidades naturais, no entanto, não significam nada. A unidade natural de massa é cerca de 10^17 vezes mais pesada que a partícula mais pesada conhecida. A unidade natural para distância é 10^-35 metros; a unidade natural para o tempo é 10^-43 segundos. Por que a unidade natural para a energia do vácuo deveria significar alguma coisa?

17h26 : Espero que seu teste ao qual ele alude não seja a mesma previsão que vem sendo apresentada há muito, muito tempo: sem ondas gravitacionais da inflação. Porque os novos modelos de inflação mais simples também fazem essa previsão.

Em suma, este foi um interessante falar, mas acho que não cumpriu o que eu esperava, ou o que foi prometido. Não sinto que nada seja simples (ou surpreendente), embora seja sempre bom ouvir sobre as conexões entre a matemática e o desenvolvimento de certos campos históricos da física. Quanto se as coisas são realmente espantosamente simples ou não: eles com certeza não se parecem com isso hoje, e quando você tenta juntar tudo em uma equação unificada, é uma bagunça total que não permite calcular nada, a menos que você pegue as partes irrelevantes um jeito.

17:30 : Infelizmente, isso é todo o tempo que tenho, então não tenho tempo para as perguntas e respostas completas. Mas espero que tenham gostado deste blog ao vivo, e da palestra também!

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