Einsteins Gravitationstheorie verträgt sich nicht gut mit der Quantenphysik. Theoretische Physiker wie Professor Fay Dowker arbeiten an einer Theorie, die es tut:Quantengravitation. Sie erzählt Amy Barrett, warum es ein Schritt ist, einen Konsens zu erzielen, wenn man sich irrt.
Woran arbeiten Sie gerade?
Ich arbeite am Problem der Quantengravitation, und es ist ein Problem und keine Theorie, weil wir noch keine Theorie der Quantengravitation haben. Die Herausforderung besteht also darin, einen zu finden.
Es ist ein Problem, weil unsere derzeit zwei besten fundamentalen Theorien in der Physik nicht miteinander kompatibel sind. Es ist eine starke Aussage zu sagen, dass sie widersprüchlich sind, aber ich habe keine Angst davor, das tatsächlich zu sagen. Ich denke, die Wissenschaft macht Fortschritte, indem sie Widersprüche zwischen verschiedenen Teilen unseres aktuellen Verständnisses betrachtet, und sie konzentriert sich auf diese Widersprüche, um Fortschritte zu erzielen.
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Die Wissenschaft toleriert also Widersprüche, aber nicht für immer. Zu jedem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte wird es immer Widersprüche zwischen verschiedenen Teilen unseres Verständnisses geben, und genau auf diese Widersprüche möchten wir uns konzentrieren, um es besser zu machen. Um zu versuchen, unser Verständnis zu vereinheitlichen.
Der spezielle Ansatz, an dem ich arbeite, heißt kausale Mengentheorie. Kausale Menge ist nur der Name, den wir dem mathematischen, diskreten, atomaren Objekt geben, von dem wir vorschlagen, dass es die grundlegende Grundlage der Raumzeit ist.
Wie gehen Sie bei Ihrer Recherche vor – wie sieht ein Tag für Sie aus?
Ein typischer Tag beinhaltet vielleicht eine Vorlesung, die Vorbereitung auf ein Tutorium, Gespräche mit meinen Doktoranden über ihre Projekte, sich hinsetzen, eine interessante Arbeit lesen, die gerade erschienen ist. Es ist also sehr abwechslungsreich, und das ist eines der tollen Dinge an meiner Arbeit. Wenn ich unterrichte, unterbreche ich Anfälle, in denen ich über Forschung nachdenke und forsche, während ich mich auf den Unterricht vorbereite und Studenten treffe.
Ich bin theoretischer Physiker, das heißt, ich bin nicht an ein Labor gebunden und kann daher praktisch überall forschen. Ich benutze häufig einen Computer, daher sitze ich oft an einem Schreibtisch und lese Papiere auf meinem Computer.
Es fällt mir schwer, ohne ein Blatt Papier vor mir und einen Stift in der Hand zu denken, also mache ich Berechnungen und kritzle Notizen auf Papier.
Meine Kollegen verwenden viele Computersimulationen. Computer sind unglaublich nützlich, auch wenn wir theoretische Physik betreiben. Menschen verwenden Computer, um die Modelle zu simulieren, die sie erstellen, und auch, um schwierige Gleichungen zu lösen:Oft können Computer tun, was wir nicht können.
Menschen verwenden Computer, um Differentialgleichungen zu lösen, zum Beispiel die Gleichungen, die die Geometrie und Struktur der Raumzeit bestimmen:Einsteins Gleichungen. Sie sind sehr schwer analytisch zu lösen, nur mit Stift und Papier.
Wir müssen also enorme Mengen an Rechenleistung aufwenden, um diese Gleichungen zu lösen, um uns zum Beispiel zu sagen, wie die Form der Gravitationswellen aussehen wird, die von Kollisionen mit Schwarzen Löchern kommen.
Wie viele Physiker arbeiten an dem Problem, das Sie zu lösen hoffen?
Es ist eine globale Gemeinschaft von Menschen, die an der Quantengravitation arbeiten. Es gibt verschiedene Ansätze.
Wir sind in verschiedene Ansätze unterteilt, sodass sich einige Leute auf eine heuristische Motivation konzentrieren und andere auf einen anderen Ausgangspunkt, wenn Sie möchten. Und im Moment sind die experimentellen Beweise rar, und daher ist es schwierig, sich von tatsächlichen Beobachtungen leiten zu lassen.
Der Urheber der Theorie, an der ich arbeite, der kausalen Mengenlehre, ist ein Physiker namens Rafael Sorkin. Er arbeitet am Perimeter Institute in Waterloo in Kanada, und er ist derjenige, dessen Arbeit die Theorie mehr als jeder andere vorangebracht hat.
Warum ist es wichtig, dass wir dieses Problem der Quantengravitation lösen?
Es ist der Inbegriff dessen, was Wissenschaft ist, um zu versuchen, unser Verständnis des Universums zu verbessern. Und wie gesagt, die Wissenschaft duldet Widersprüche, aber sie duldet sie nicht für immer. Die Wissenschaft kommt also voran, indem sie Widersprüche zwischen verschiedenen Teilen unseres derzeitigen Verständnisses auflöst.
Der wissenschaftliche Drang, besser zu verstehen, motiviert unsere Versuche, eine Theorie der Quantengravitation zu finden, unsere Suche. Das Problem der Quantengravitation ist so grundlegend:Die Raumzeit ist die Arena, in der alles passiert, was passiert. Es ist unser Universum.
Ein besseres Verständnis auf einer grundlegenden Ebene hat also zwangsläufig Konsequenzen, die wir nicht vorhersehen können, weil wir noch nicht wissen, was Quantengravitation ist. Es wird zwangsläufig Konsequenzen in allen Bereichen unseres Lebens haben. Obwohl es, wie gesagt, schwer vorherzusagen ist, welche das sein werden.
Wie weit sind wir davon entfernt, dies zu verstehen?
Wenn ich das wüsste … [lacht] Ich weiß es einfach nicht. Ich denke, viel hängt davon ab, was in der Zukunft in der Kosmologie passiert. Welche Art von neuen Daten werden hereinkommen. Im Moment gibt es eine Spannung, manche würden es jetzt sogar einen Widerspruch nennen, zwischen unserer besten Theorie, dem Standardmodell der Kosmologie, und unseren Beobachtungen, insbesondere unseren Beobachtungen der Expansionsrate von das Universum.
Das Universum dehnt sich also aus, unsere Galaxien entfernen sich immer weiter voneinander, und wir können die Geschwindigkeit messen, mit der dies geschieht.
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Diese Rate steht jetzt im Widerspruch zu unserem Standardmodell der Kosmologie. Widersprüche sind stark, aber Experimentalphysiker sind sehr konservativ. Sie wollen keinen Widerspruch ankündigen, bis sie sich wirklich, wirklich sicher sind, aber es gibt jetzt eine wachsende Spannung zwischen unseren Beobachtungen und dem Modell, das wir derzeit verwenden.
Ich denke, das wird zeigen, dass unser Standardmodell der Kosmologie reformiert werden muss, und ich denke, dass dies ein Hinweis auf die Quantengravitation sein wird. Aber wir werden sehen. Das ist etwas, das in den nächsten Jahren passieren kann oder auch nicht, wenn mehr kosmologische Daten gesammelt werden.
Gibt es in der breiten Öffentlichkeit irgendwelche Missverständnisse über Kosmologie und Quantenmechanik?
Wenn ich öffentliche Vorträge halte, bin ich erstaunt, wie gut informiert die Leute sind. Ich bekomme oft Fragen aus dem Publikum, wenn ich einen öffentlichen Vortrag halte, die viel scharfsinniger und prägnanter sind als die, die mir von meinen Kollegen gestellt werden.
Ich denke, das liegt daran, dass interessierte Menschen eine viel breitere Perspektive haben. Sie sind viel hinterfragender. Sie wollen allgemein wissen, warum man sich dafür interessiert. Warum tut man das? Was sind hier die allgemeineren Probleme? Das genieße ich sehr.
Die Leute sind sehr scharfsinnig:Sie können Widersprüche in Ihrer Argumentation erkennen.
Ich spreche wirklich gerne mit Laien, weil ihre Fragen sehr herausfordernd und oft sehr gut informiert sind, insbesondere über Kosmologie.
Quantenmechanik ist eine andere Sache, aber das ist nicht die Schuld von Menschen, von interessierten Laien. Die Verwirrung und vielleicht Missverständnisse über die Quantenmechanik, die im Überfluss vorhanden sind – und sie sind im Überfluss vorhanden –, sind darauf zurückzuführen, dass die Gemeinschaft der Physiker selbst zu keinem Konsens über die Quantenmechanik und ihr Verständnis gekommen ist.
Das ist eine bemerkenswerte Situation, wenn man bedenkt, dass die Quantenmechanik 1925 geschaffen wurde und nach den Worten von Einstein unsere erfolgreichste physikalische Theorie war, aber es immer noch keinen Konsens darüber gibt, wie man sie versteht. Was es bedeutet. Was bedeutet das? Welches Bild von der Welt gibt es uns?
Es ist eine andere Situation als in der Allgemeinen Relativitätstheorie. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht Konsens über das Bild der Welt, das uns die Allgemeine Relativitätstheorie vermittelt. Es gibt keinen Konsens über das Bild der Welt, das uns die Quantenmechanik gibt. Es gibt verschiedene Standpunkte. Ein Standpunkt ist, dass selbst das Stellen dieser Frage Zeitverschwendung ist und wir uns nicht darum kümmern sollten.
Aber unter denen, die denken, dass es sich um eine echte, eine wichtige physikalische Frage handelt, und ich zähle mich zu dieser Kategorie, gibt es unterschiedliche Meinungen. Was interessierte Laien also mitbekommen, ist, dass es Meinungsverschiedenheiten, Kontroversen, unterschiedliche Standpunkte und viele, ich muss sagen, widersprüchliche Aussagen von Physikern über die Natur der Quantenmechanik gibt.
Manche sagen vielleicht sogar, dass es in der Wissenschaft keinen Platz für Meinungen gibt – wie denkst du darüber?
Ich bin überrascht, dass irgendjemand denkt, dass es in der Wissenschaft keine Meinungen gibt. Wie kann jemand diesen Eindruck gewinnen? Ich meine, die Wissenschaft lebt von Debatten, Diskussionen und Meinungsverschiedenheiten.
Sogar ein einzelner Wissenschaftler, wenn man sich ansieht, was er sagt, seine Arbeit … das entwickelt sich im Laufe der Zeit. Die späteren Arbeiten und Aussagen von Personen können mit ihren früheren Arbeiten und Aussagen nicht übereinstimmen. Als Community diskutieren und streiten wir also ständig miteinander.
So funktioniert Wissenschaft, und es ist auch die Stärke der Wissenschaft. Einzelne können sich immer irren. Tatsächlich liegen wir oft falsch, aber die Gemeinschaft als Ganzes kommt voran, weil wir einen Konsens erzielen können. Wir müssen uns gegenseitig überzeugen. Wir müssen uns gegenseitig davon überzeugen, dass die Beweise für etwas stark genug sind, dass wir unsere Meinung ändern, und das ist die Stärke davon.
Was ist mit Ihrer eigenen Reise durch die Wissenschaft? Wie bist du dahin gekommen, wo du heute bist?
Als ich ein junges Mädchen und eine junge Studentin war, interessierte ich mich sehr für Mathematik. Ich habe mich in der Schule nicht so für Physik interessiert und bin an die Universität gegangen, um Mathematik zu studieren. Dann, in meinem dritten Jahr, lernte ich etwas über die allgemeine Relativitätstheorie, und ich liebte es.
Seitdem liebe ich es, und es ist der Fels, auf dem ich meine intellektuelle Reise ruhen ließ. Ich hatte die Gelegenheit, es meinen Studenten im Grundstudium beizubringen, und es war eine Freude, ein Privileg und, ja, es war meine Traumerfahrung im Unterrichten.
Ich bin also erst spät zur Physik gekommen, nehme ich an, in dem Sinne, dass ich mich erst im Grundstudium für Physik zu interessieren begann.
Die Quantengravitation schien mir immer die grundlegendste Frage zu sein, die man stellen kann. Ich liebte die allgemeine Relativitätstheorie, aber ich konnte sehen, dass sie nicht mit unserem Verständnis von Materie übereinstimmte. Also wollte ich wissen und will es immer noch wissen, wie man das zum Laufen bringt. Wie man die Quantennatur der Welt mit unserem Verständnis der Schwerkraft in Einklang bringt.