Два физика-теоретика оживленно беседуют о том, как абстрактные концепции могут казаться приземленными.
от автора: ФОТИНИ МАРКОПУЛУ13 сентября 2024 г.
Я познакомилась с Клаудией де Рам почти 20 лет назад в Институте теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада. Я была одним из основателей факультета, работала над квантовой гравитацией, пытаясь понять, как объединить гравитацию и квантовую теорию. Клаудия пришла как один из наших постдоков по теоретической космологии, также изучая, как развивалась Вселенная и ее фундаментальные законы. Тогда мы не особо общались, хотя были одними из немногих женщин в Периметре. Институт быстро расширялся, и все были очень заняты. Я всегда хотела проводить больше времени с Клаудией, потому что знала, что она не только физик, но и летчик, водолаз и прошла весь путь до финальной стадии программы астронавтов Европейского космического агентства.
Я оставила Периметр и квантовую гравитацию в 2010 году, и сейчас я в Нью-Йорке, в то время как Клаудия в конечном итоге заняла должность в Имперском колледже Лондона. Теперь она известна тем, что показала, что массивная гравитация работает. Это модификация гравитации, где гравитон, гипотетическая частица гравитации, получает массу, что означает, что он распространяется со скоростью ниже скорости света. На больших расстояниях эта подстройка суммируется и может объяснить ускоренное расширение Вселенной, не прибегая к таким загадкам, как темная энергия. Проблема была в том, что мы считали это незаконным шагом, потому что он серьезно нарушал определенные условия (известные как теоремы о запрете), которые делали его математически непоследовательным. Клаудия и ее коллеги показали, что это было неправильное толкование ограничений, восстановив массивную гравитацию как возможное решение больших проблем и открыв новую арену для других исследований.
К счастью для меня, она также написала прекрасную книгу « Красота падения: жизнь в погоне за гравитацией» , а мир — это маленькое место. Я решил продолжить разговор, которого у нас никогда не было. Мы сели за два видеоинтервью и обменялись заметками о работе в мире теоретической физики и о том, как практика науки объединяет интуицию и игру с абстрактными концепциями и уравнениями.
Фото Эндрю Толли.
Гравитация не похожа ни на одну другую силу, потому что все чувствует гравитацию. Это прекрасно, но это делает гравитацию сложной для управления. Делает ли ваша работа гравитацию немного более нормальной, как и другие силы?
Да! У нас есть гравитация на пьедестале, настолько совершенная, что она будет одинаково связана со всем. Массивная гравитация отключает часть этого, есть диапазон, где этот принцип действует, затем он надоел. Она становится как другие силы. Она также спускает пространство-время на землю, это просто система отсчета для всего, что вы хотите сказать. Нет понятия чистого пространства-времени как такового, как в общей теории относительности.
Это чистое пространство-время, вселенная без материи, также вызывает много проблем в квантовой гравитации. Я никогда не понимал, почему мы так привержены этой идеализации. Почему мы не можем сказать, что это не та вселенная, в которой мы живем, в нашем мире есть материя, разве не здорово, что материя помогает нам решать проблемы? Вы получите большое сопротивление, если будете отстаивать это.
Это сопротивление было также моим опытом в моей области. Существует большое стремление к самому абстрактному, самому грандиозному. Чем больше группа симметрии, тем лучше. Я считал это таким же естественным, как установить наш холст или установить коробку, реальный контекст, в котором мы работаем. Это то, что такое физика. Мы кладем наши инструменты на стол и расставляем их, чтобы начать разговор. Без этого он может быть оторван от реальности.
Ты много времени провела в теоремах о непрохождении. Это не то место, где мы много тусуемся. Каково это было?
Я не из тех людей, которые говорят: «У меня есть эта безумная идея, которая изменит мир, и я собираюсь разрушить свою карьеру, преследуя ее». Теоремы о запрете существуют не просто так. Они говорят вам, что при ясных и естественных предположениях определенные вещи не могут произойти. Единственная причина, по которой я начала изучать их более внимательно, заключается в том, что у нас был пример, который не подходил. Это было очень запутанно. У вас есть логическое доказательство того, как все должно происходить, и пример, который не хочет этого делать. Это говорило нам, что должен быть способ обойти теорему. Затем вы тратите часы и часы, идя шаг за шагом, чтобы определить, где ваш пример не подходит к теореме о запрете и чего не хватает в теореме.
Всегда важна перспектива: если следовать теореме линейно, то в итоге придешь к определенному результату. Только сделав небольшой скачок, ты оказываешься в другом месте. Затем ты лучше понимаешь физику и видишь, что предположения в теореме были немного слишком сильными.
Теперь, когда вы там побывали, нашли ли другие способы раскрыть это пространство?
Да. Было много работы, мотивированной нашей. Когда в игре появляется новый уровень, люди хотят в него играть, плюс вы можете экспортировать эти методы в другие частицы с более высоким спином. Вот где настоящее веселье! Речь идет не о массивной гравитации как таковой, а о понимании базовой структуры реальности и открытии возможностей.
Вы сказали, что подвергать сомнению теорему о недопустимости — это не крестовый поход за изменение мира, а просто замешательство по поводу чего-то. Я думаю, так это происходит постоянно.
Люди спрашивают: «Когда ты поняла, как это работает, это был момент Эврики?» Наоборот, это «Я была глупой раньше». Когда ты это понимаешь, это очевидно. Ты даже больше не думаешь, что это интересно. Ты думаешь, что все скажут, что это очевидно, давайте двигаться дальше.
Это правда! Сначала «я, наверное, тупая», потом «это очевидно», а потом «у меня даже нет статьи, которую я могла бы написать, потому что все очевидно».
Я никогда не чувствовала: «Ого, теперь я на вершине! Теперь у меня есть что-то, что я могу дать!» Я всегда чувствовала, что была глупой и сбитой с толку раньше, а теперь я понимаю, почему я была сбита с толку, но это не заставляет меня чувствовать себя особенной. Весело складывать части воедино. Конец процесса не ощущается как достижение большой вехи.
Я задам вам вопрос, который я ненавижу, когда мне его задают: как соотносятся разные стороны вашей жизни?
Давайте на минутку посмеемся над стандартным вопросом: «Раздражает ли вас, что у вас так много вопросов и так мало ответов?» Это все равно, что спросить, не против ли я, что каждый раз, когда я ем шоколадку, на ее место приходят две новые.
Это непонимание того, почему мы делаем то, что делаем, и как мы это делаем. Так изображают ученых, все о том, чтобы быть правыми, о том, чтобы знать что-то. Наоборот, это о том, чтобы не знать чего-то и узнать, что это весело. Может быть, людям стоит попробовать и посмотреть, что это такое.
Если у кого-то сложилось неправильное впечатление от той легкости, с которой вы описываете, что вы запутались, то вы пилот и водолаз и прошли финальную стадию отбора астронавтов Европейского космического агентства. Я помню, как вы были полны решимости, когда мы оба были в Периметре. В вашей книге рассказывается, как ваши мечты об астронавтах были разбиты, когда ЕКА обнаружило следы латентного туберкулеза. Затем глава заканчивается. Вы сообщаете нам, что получили сообщение с новостями, а затем ничего.
Ничего нет. Я прочитала это, когда садилась на рейс в Канаду. Я прошла через все стадии отрицания и переговоров в том полете. К тому времени, как я приземлилась, это было «Хорошо, вот и все». Полет был переходом. То, что отказ был вызван медицинскими, а не психологическими причинами, было полезно. Туберкулез был не под моим контролем. Мне просто нужно было двигаться дальше.
Подготовка к отказу была очень интенсивной, это была болезненная и навязчивая неделя. Я была единственной женщиной в нашей группе астронавтов, и мне пришлось пройти так много навязчивых тестов, потому что я женщина. Я могу представить себе аналогичные тесты для мужчин, которые также навязчивы, но, каким-то образом, они не подумали проводить такие тесты для мужчин. Пока есть потенциал, вы говорите себе, что сможете пройти через это, и после этого все будет хорошо. И теперь произошел явный переход. Это не было «добро пожаловать в оставшуюся часть моей жизни». Я буквально приземлилась в другом месте. В этом смысле это было быстро, не как в академии, где вы подаете заявку на должность и ждете шесть месяцев.
Я задам вам вопрос, который я ненавижу, когда меня спрашивают: как соотносятся разные стороны вашей жизни? Какая связь между желанием стать астронавтом и профессией физика?
У меня никогда не было сомнений, что все это движимо любопытством, созданием среды для исследования природы. В детстве вы видите это более ясно, вы погружаетесь в свою среду всем своим телом, потому что хотите исследовать ее. По мере того, как вы становитесь мудрее, это становится более ментальным исследованием, задавая себе вопросы, а не отправляясь куда-то физически. Астронавт является частью исследования, и физика — то же самое: движимо для меня любопытством.
Не то чтобы мне было неинтересно что-то еще. Моя докторская диссертация была ужасным временем, и я думала, что не смогу продолжать заниматься теоретической физикой. Может быть, биофизикой или другими видами исследований. По-моему, это не сильно отличается. Это все еще движимо для меня любопытством. Я чувствую себя очень счастливой, что мне нравится делать эти вычисления, и я могу зарабатывать этим на жизнь. Я нахожу это очень мирным, медитативным. Это структура, вы можете следовать за вещами, и они расскажут вам что-то, историю о себе. Есть творчество, но оно приходит само по себе, когда вы смотрите на эти вещи по-разному. Я бы хотела стать художником, но я полный ноль в этом. Это лучшее, что я могу сделать в искусстве.
Что вы чувствуете, испытывая любопытство?
Это очень игриво, очень откровенно. Может показаться, что когда что-то не работает, это очень расстраивает, и мы от этого уходим, нам это не нравится. Любопытство — это противоположность, это принятие. Вы видите что-то, что не работает, не соответствует вашим предубеждениям, и вместо того, чтобы пугаться этого, вы видите это как свет, к которому вас тянет. Вы не знаете, куда это вас приведет, и это отличается от того, к чему вы привыкли, но есть привлекательность чего-то, что не совсем знакомо. Вот что я бы сказала, чувство любопытства высшее ощущение удовлетворения. Но это игриво, потому что это дразнит вас. Это выталкивает вас из зоны комфорта. Вы должны посмеяться над собой, принять, что у вас не будет контроля, и попытаться играть с этим неизвестным, попытаться вместе добиться прогресса.
Вы часто пишете, что гравитация игривая, играющая, и что мы, ученые, играем. Науку часто называют «полезной» или «истинной», а игра — это противоположность полезности. Правильно ли я понимаю, что под игрой вы подразумеваете вовлечение, открытие глаз, что это способ находить новое?
Именно так. Игра позволяет вам исследовать, и тогда вы обнаруживаете что-то, что вы никогда бы не сочли возможным.
Вы пишете о том, какова гравитация на вкус или как она ощущается. Мы проводим так много времени с гравитацией, что мы пробуем ее на вкус, чувствуем ее, играем с ней. Вы также пишете о полетах на самолетах, что как пилот вы откладываете свои чувства в сторону и используете логику, но вы не летаете, используя только логику. Вы чувствуете самолет, верно?
В обоих случаях много инстинкта. Вы учитесь развивать свою интуицию, потому что вам приходится полагаться на эту интуицию. Вы учитесь управлять самолетом логически, но это должно стать вашей второй натурой. Вы должны впитать это, принять это настолько полно, что в чрезвычайной ситуации, когда все сходит с ума, ваша интуиция поведет вас в правильном направлении. У нас изначально есть естественные инстинкты выживания, но выстраивание гармонии между ними и самолетом — это процесс, который вам нужно пройти. То же самое и в физике. Это должно стать вашей второй натурой, и это создание на основе вашей собственной натуры, вы привносите в это свое собственное творчество.
Самолет становится продолжением вашего тела, и он работает так же с абстрактными вещами, не так ли? Диаграмма теории категорий на моей доске так же интуитивно реальна для меня, как вибрация дрели, которую я использую, когда что-то строю.
Абсолютно. Это как люди, которые играют в шахматы и им не нужна шахматная доска или даже противник. Это живет своей собственной жизнью. Я действительно так чувствую, особенно при большой гравитации. Это как друг. Это очень хрупко, и в какой-то момент это исчезнет, и это нормально. Это имеет свои течения. Вы знаете это с самого начала и пытаетесь, как для друга, понять это, извлечь из этого уроки, позволить этому развиться немного и посмотреть, что вы оба можете из этого извлечь. Это «Хорошо, ты здесь болен, как я могу тебе помочь? Как я могу продвинуть тебя вперед в направлении, которое было бы полезно?» И в какой-то момент вы должны отпустить это. Но это дает вам чувства. Это не просто слова, не просто аналогии. Они являются частью истории, это то, как вы видите систему.
Это очень интересно, потому что то, как вы ощущаете гравитацию, отличается от того, как она ощущается мной.
Я думаю, что большинство физиков работают таким образом, но говорить об этом сложно. Интересно, не зависят ли от этого некоторые проблемы разнообразия в нашей области, особенно с женщинами. Когда мой научный руководитель в докторантуре говорил таким образом, его считали мудрым старейшиной, но женщину будут называть «интуитивной» в уничижительном смысле. Это может быть истощающим, если вам приходится следить за тем, что вы говорите.
Я точно знаю, что вы имеете в виду. Можете ли вы позволить себе показать больше того, как вы на самом деле занимаетесь наукой? Что это не просто сложный логический процесс, но и прощупывание своего пути и наличие человеческих историй для этого? Некоторым людям это разрешено, в зависимости от предубеждений других, другие рискуют быть воспринятыми менее серьезно, если они это покажут. Это имеет свою цену, насколько много вас самих в сообщении и как оно ценится или обесценивается, действительно имеет значение.
Это потеря, поскольку наука основана на том, что вы делитесь тем, что видите во время своих путешествий, а вы редактируете часть истории.
А также потому, что там есть история, и нас направили мыслить определенным образом, в терминах того, что соответствует формату статьи. Если кто-то позволяет себе выйти за рамки этой общепринятой рутины и привнести какие-то другие ценности, вряд ли его воспримут хорошо. Могу вам сказать, у меня было много отзывов о книге: «Почему нас должен волновать ваш опыт, это не имеет никакого отношения к науке, почему кто-то должен беспокоиться об этом?» Но я не физик с 9 до 5, следующий правилам, навязанным отцами чего бы то ни было, а после работы я буду женой и матерью. Каждый отдельный символ имеет характер в моем сознании, и они играют вместе и создают историю. Было бы невозможно написать настоящую книгу, которая сказала бы то, что я хотела сказать, без этой человеческой части. Но я вижу, что это вызывает реакцию «Почему вы позволяете себе это делать?».
Это убеждение, что наука описательная, а не нормативная. В идеале бестелесная. Господь говорит через тебя, так что чем бестелеснее, тем лучше.
Я бы начала с нормативной стороны вещей. Быть частью этого. Если вы вкладываете себя в это, вы не можете не изменить вещи. Может быть, в этом разница с некоторыми моими коллегами, которые чувствуют «это правда, это уравнения». Они вообще не видят себя в них.
Я не понимаю, что «вот правда». Все теории в конечном итоге будут вытеснены. Это не рационально.
Я не могу говорить за них, но я думаю, что есть прекрасная способность — сила, на самом деле — верить, что в конечном итоге это будет неправильно. Некоторое время мы можем жить в роскоши быть защищенными от неудач, даже если мы прекрасно понимаем, что в какой-то момент это произойдет. Нет такого понятия, как «истина». Мы просто принимаем то, что имеет смысл прямо здесь, прямо сейчас, зная, что в какой-то момент нам нужно будет пойти глубже. Но на данный момент мы защищены от необходимости беспокоиться о тех моментах, которые будут неправильными.
Вздох. Давайте вернемся к написанию статей. Этот воплощенный опыт протягивания руки и прикосновения к тому, чему вы посвятили себя, трудно передать словами. Статьи и их строгий формат так ограничивают. Такая книга, как ваша, идет немного дальше. Мне это так интересно, потому что то, как гравитация ощущается вами, отличается от того, как она ощущается мной. Для меня это не хрупко, но я понимаю, что вы имеете в виду, когда говорите, что у нее есть чувство юмора. Тусоваться с гравитацией — это как смотреть Эдди Иззарда, то же самое странное чувство, что мир становится более понятным, если перевернуть его вверх дном.
Важно, чтобы каждый чувствовал это немного по-разному, так каждый получает немного разный опыт и немного разный способ видеть вещи. Мы используем ту же математику и ту же логику, но то, как мы делаем эти маленькие скачки и говорим: «Если это произойдет, то это будет вести себя так», есть уровень чувств. Вы чувствуете саму систему, как она будет себя вести и как вы можете бросить ей вызов. Речь идет о том, чтобы не знать чего-то и узнать, что это весело. Люди должны попробовать и посмотреть, что это такое.
Да, эти маленькие скачки, как выход из теоремы «нет-го», происходят от ощущения своего пути, любопытства. Статьи, которые мы пишем, не рассказывают эту историю.
Существует процесс перевода со многими шагами между тем, как вы относитесь и соединяетесь с вашим предметом на человеческом, эмоциональном уровне, и выступлением или докладом, которые очень формальные и структурированные. Есть близкие вам люди, обычно ваши давние соратники, с которыми вы можете связаться, не имея каждого слова в истории. За пределами этого круга многое теряется.
Вы как-то отметили, что в раннем детстве у вас были смешанные чувства по поводу слов.
Мне это кажется действительно сложным, даже сейчас. Слова подобны дискретизации. У вас есть эти сложные мысли, и вам нужно пикселизировать их и поместить в отсек, чтобы подогнать их под классификацию, которая не является точной. Каждый раз, когда я выступаю с докладом, я объясняю одно и то же по-разному, потому что слова никогда не бывают совсем правильными. Каждая попытка — это приближение к тому, что ощущается. Когда вы пишете статью, люди получают впечатление о том, что вы хотите сказать, и это также никогда не бывает совсем правильным. Вы делаете то, что можете. Именно когда вы разговариваете с автором, вы начинаете видеть, как он устанавливает связи между разными вещами.
Небольшие скачки, которые кажутся замешательством, и только потом можно приступить к тренировкам.
Мы можем только создавать модели того, что видим. То, как вы решаете описать то, что видите, имеет свою собственную жизнь. Когда вы говорите, что это больно, конечно, это не так. Дело в том, что гравитация ощущается как призрак, представление природы для данного режима, и этот призрак, который не является правдой, не является чем-то полностью фундаментальным. У нее есть способ начаться, развиваться и вести себя определенным образом в некоторых ситуациях. Так что у нее есть своего рода жизнь. Если она больна, то это потому, что это нехороший способ думать о ней, и вам придется отказаться от нее ради другой модели. Но я не думаю об этом обязательно как о другой модели, вы на самом деле эволюционируете. Все эволюционирует.
Люди любят говорить: «У вас есть теория Ньютона, а потом пришел Эйнштейн и доказал, что Ньютон ошибался, и придумал новую теорию, и Ньютон ошибался». Но это не так. Во всех них так много понимания. Они продолжают брать жизнь и продолжают пускать корни в себе, так что ядро все еще там. Вы развиваете его. Мы создаем картину природы, и, сталкивая ее с природой, она обретает свою собственную жизнь. Вы открываете новые способы использования кистей. Я представляю, что это похоже на художника. Это не то, что они проецируют изображение на картину, картина призывает к чему-то. Есть пустота, которую нужно заполнить.
Мои родители оба были скульпторами, и у меня были самые полезные разговоры с мамой. Она думала о скульптуре, а я о теоретической физике, но это очень похоже, создание чего-то, что выглядит правильно со всех сторон. Это кажется невозможным, так откуда это берется? Ей пришлось впитывать ситуацию, пока ее руки не создали скульптуру. Должно быть, у нас нет языка, потому что это не тайна. Это как летать на самолете и нужно достичь уровня, на котором он ощущается частью тебя. Когда дело касается самолета, мы понимаем это, но когда дело касается физики, это кажется тайной. Но это одно и то же, проведите с этим время, и тогда ваши руки сделают это.
Я полностью согласна. Для меня скульптура выглядела бы как загадка. Я не могу понять, как они придумывают то, что делают, как они могут иметь это видение и реализовывать его. Я не могу себе представить, как это может произойти. Но в физике это очень естественно, там нет никакой загадки.
Если бы кто-то выдавал гранты на то, что не является работой и не приносит пользы, но приносит вам радость, что бы вы выбрали?
Я бы все еще хотела отправиться в космос! Я бы хотела увидеть Землю сверху. Я бы хотела оказаться в свободном падении. Наблюдать за вещами, быть частью чего-то. Все остальное имеет свою конечность. Это наслаждение моментом без мыслей о том, что он закончится.
Главное изображение: nchlsft / Shutterstock
Фотини Маркопулу — физик квантовой гравитации и бывший основатель факультета Perimeter Institute for Theoretical Physics. Она инженер-конструктор и была генеральным директором Empathic Technologies, объединяющей нейронауку и воплощенные технологии. В настоящее время в ComplexReal она работает над метриками, измерениями и данными, а также над ролью науки в культуре.
Nautilus — это другой тип научного журнала. Наши истории переносят вас в глубины науки и освещают ее влияние на нашу жизнь и культуру.