The Dialogues - Conversations about the Nature of the Universe 0262037238, 9780262037235

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rhe Sidogues Conversafions about the Nafure ol the Universe ιlifうord V.JohИ sο И

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Carnbri dge, Massachusetls

London, Eng)and

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All rights reserved- No parf of this book aay be reproduced in any lora by any electronic or Mechanical Means (including phofoco?ying, recording, or inlorvalion slorage and retrieval)

without perrv'ission in wriling lrorn the publisher.

rhis book was set in lhe Blambot fonls ihkslihger and criuelighter by Clittord v- Johnson Prttd and bO口 Иd

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NaMes, Johnson, Clilford v- (Cliftord victor), lqGE- author- | wilczek,

Frank, writer of foreword. fifle, rhe dialogues . conversafions about the nalure ol the universe / Cliflord V- Johnson i loreword by Frank WilczekPescription. Carnbridge, Massachuselts ; London, england. The MTT Press,

l2o17l Tdentifiers, LCCN 2O17O153qq I ISBN q7EO2G2O37235 (hardcovar i alk- PaPer) | XSBN O2G2O3723E (hardcover i al(- paper) Subjects, LCSH, Science- I Cosruology.

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roreword Frank Wilczek is the AerYuan ?rofessor al the Massachusetts fhsfifule ol rechnology, Chief =eshbach Scientist at the wilczek Quanturn cenlen shanghai Jiao Tong universify, ?istinguished origins ?rotesson Arizona State university, and erolessor of ?hysics at Sfockholr., Universify- He shared lhe 2OO4 Nobel ?rize in ?hYsics with oavid J- Gross and A- ?avid ?olitzer lor the discovery of asyaptotic freedoru in the lheory of the slrong nuclear interaclion- He has wrilten ruany books and essayt including rnost recentlY A Beaufiful Quesfion, rinding Nafure's peep pesign (New york, ?anguin ?ress, 26.15)-

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?ialogues were ?lato's chosen vehicle, lhrough which he framed Vhilosophical debafes that continue to this day- Qavid H,urr'e look up the forru in his brilliant ?ialogues Concerning Nafural Religion- Autne,s work is a classic in lhe ThilosoVhy ol science, as well as the philosophy ol religion, and its discussion of cosruology, in Varticulan reruains lresh and relevant todayGalileo, a great advuirer of ?lato, used dialogue lortu in two of his yuasterworks- rn pialogue Concerning fhe rwo chief world sysferus, two nalural ?hilosophers-sil,l4plicio, a lraditional Aristofilean, and Salviafi, a Copernican-vie lor the allegiance of Sagredo, an inlelligenl layruan- The character of Sagredo is based on a real person, Galileo,s friend Giovanni Francesco Sagredo. fhe scientilic deiate Selween Aristotilean physics (with its Earfh-centered, ?toleruaic astronoay) and Galilean physics, now called "classieal,' (with ifs Sun-cenlered, Copernican aslronoay) is now long set|ed- rhe pialogue,s discussion of Varlicular Poinfs is dated and, in its erlended discussion of the tides, badly ruisguided- yet Galileo's Pialogue rernains alive, and a joy lo read, because it brings us in touch with syrylpathelic huaan characters, and with a wonderlully afiractive inleraction aruong theru, wherein they exchange deevly held ideas-and exVose theru to quesfioningGalileo's Piscourse on Two New Sciences is a rnore purely scientilic work, in which he Vresenfed Vioneering ideas in whal we'd now call sfrengfh of aalerials and elernentary dynaruics. The science is brilliant bul ol course long suVerseded- Yet the ?iscourse reyuains as a beaulitul, touching work ol liferafure, again 5ecause of the attraclive cullure it shows us, here leaturing lhe inlerplay of lundaruental science and engineering Practice on ruore broadly, lheory and exVeriuenL Tn this book Galileo's ?rotagot'tists, although slill narued SiaPlicio, Sagredo, aTrd Salviafi, are actually all G,alileo hilv|selt, al dillerent stages in his intellecfual develo?Ment rhrough their debate, he shows us how his ideas evolved-

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ollen given to aspiring playwrighls and novelists- when done well, il leads to work that engages us like life itself- ?lato, Atfiue, and €,alileo followed lhat advice, lo greal effect ror uodern scientists who airu to 6ring their work to the public using Vrinted ruedia il is challenging advice, since lheir 't"l,aterial is, generally speaking, far revnoved lroyn everyday life"Show, don't tell" is advice

Clillord Johnson-a practicing scienlist working at lhe trontiers ol physics and cosrnology_has, in lhe 6ook 5efore you, risen to the challenge- Ae's brought in two very crealive innovafionsix

First and Most sfrikingly, he's taken "dialogue" to a new level, augruenling text wifh graphics thaf de' picl the Vrotagonists and their surroundings- GraVhic novels have becoue verY popular in recent YearsAere we have gra?hic dialoguesGraphic dialogues add iruVortant new dirv'ensions lo the dialogue fora- rhey reslore soue ol the richness of tace-lo-face huvnan coruyuunication- Reaclions are "shown, not told-" The social and cultural conlert ol lhe conversalions is, necessarily ex?licif- Facial expressions and body language are in VlayJohnson places his interlocufors in interesting, realistic, physical setfings- His urban "landscaVes" are drawn with a skillful, loving handis all too easy lo forget in lhe laler dry retelling, lhat new science is usually lhe product ol attractive young VeoVle, who enjoy one anofher's cotvpany. That hidden as?ecf of scientific life is lront and center in Johnson's graVhic dialogues.

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Second, he,s off-loaded heavy scientific details inlo the

briel notes that lollow each dialogue- The noles

lor lhose who'd like to enler the subjecls More deeply, inlorrued ?ointers sources ol addilional inforruation-

Vrovide,

lo

readily accessible

worthY of the nawte should, real give-and'take about issues where the last word has not yet been sToken, and dilferent opinions are possible.

fhe dialogues thevnselves are conversational- They contain, as dialogues

Can there be a theory of everyfhing? Qoes the concept of a ruulfiverse make sense-and is if useful, or true? Whal is fhe value of wildly exploratory research, driven 6y curiosily and aesthetics rather than langible goals? Lθ十′ s talk abOロ ナ i十

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Frank wilczek C arubri dge, MassachAsefts March 2017

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ereface An Tnvifation All around you, peoVle engage with each olher in conversafions aboul a variety ol topics, rellecling the diversily ol inlerests and concerns l,haf they have aboul the world around theyu- you,ve Vrobably overheard snippefs of such conversalions, and although you don,t necessarily apVreciate every aspecl ol whal was said (Terhaps because of lack ol context or knowledge of lhe subject), you,ll probably agree thal it can be fascinating while it lasts/ Soruefirues, those conversations are about science- rhey should be, since science is part oi our world and our culture, and it has a huge irupacl on otr lives- So it ought to be on lhe yuenu right alongside arl, vnusic, politics, sports, shoVping, celebrities, and all those olher things we talk about- Science is also a great solrce ol beauly and wonder- There need be no yvore reasons beyond lhal to talk aSouf a lopic!

Pes?ite all that everyday conversalion about science seetus lo be hidden froyn vuost ol our art our literature, and olher lorrus ol enlertaintuenL Tt is even largely absent lrovn yuost presentations ol science- This is odd, since such conversations are essehtial to everyone involved, To unpack lhe rueaning or relevance of sorne asPect ol science, or lo siruply becorue vuore fauiliar or coynforlable wilh a fopic, it helps to talk aSoul il with soueone- When scientists are trying to undersland each other,s work, or uncover soue new lruth aSout how nature works, lhey have conversafions- When they try lo coyuuunicate science ideas or knowledge to lhe Vublic, it's olten best done in the toryu of a conversation-

rhis book is therefore an invifation- On the one

hand, it's an invilation to eavesdrop on sone conversatiorrs about science- Like all dialogues, fhey're rarubling, incoruplete, and soyueliaes not fully inforrued. Aoweven they ynay be inleresting, and they ruay encourage you fo delve a litlle deeper and lind ouf ruore aSout sovuelhing You got frorn an exchange- On the other hand, this book is an invilation fo join in! Conversalion aboul science shouldn't 6e lelt fo the ex?erts or to science enthusiasts-it,s for everyone- There's no grade given lor getting things wrong, for asking questions, lor hazarding a g{ess, or lor having an oVinion- So while oul there in the world, reruevuber these conversations, know thal lhey are happening all around you, and initiate and Varticipate in sorue ol your own- Maybe soyueone will eavesdro?, start his or her own conversation, and keep the chain of engageynent alive-

ebouf This Book Lef

out a few things aboul lhis book, since it is souewhal unusual- ?uring or after eavesdropping on a conversafion, consider consulling the notes lhal are al the end ol each one- They,re enlirelY oVfional, 6ul lheY soaetirues conlain covuqents about fhings thal were said, and they olten suPPly sources lor lurther reading. Rerueuber also thaf vast amounts of inforrualion are available online to which You can quickly connect by Vutting a snippel of whal was said into a search engine- Tn doing so, YoLt should be cautious ol your sources- T.'ve given a lew online sources, 5ut T.,ve locused on booksYou should not consider lhe books listed fo be what T regard as the definitive best (or vnosl currenf) treafruents- TheY are just a rnixture ol sorue ol rny favorites with others that caughl yuy eye, or lhal seerued suitable lo include to help loru a colleclion of entry points inlo a topic- Read lots of sources, and get several Voints ol view, Rerueuber lhat science is a huaan endeavon and so a book 6y one scienlisl on a cerlain lopic ruight nof resonale with you as yuuch as one by another scientisl on the very sarl,e fopic- rhis is no differenl lrorn preferring how one poel evokes a suuaer,s day to how anolher doesw'E poinf

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You'll notice that this is a graphic 5ook, or graphic novel, or coruic, or whatever lhe right tervu is(There's no universal agreeaenf on the ferrninology-) rhe More accurate (but less dexterous) usage is to say that this is a colleclion ol "sequential art" nAeaning lhaf it is a bunch ol iruages that taken togelher (and read wifh adherence to sone agreed upon ordering convention) tora a narrative, just like a sentence, or colleclion of sentences, does- BIAI seq*ential art-fhe graVhic forvu-can do so auch vuore lhan just sentences yuade ol words! Tn fact il is particularly well suited to discussing science, especially physics, which is what uost ol these dialogues are abouL This goes beyond the obvious fact that T can siruply show shapes and objects that T'd typically have to describe in words in a tradilional science bookft also goes beyond the fact that you ruighl 6e drawn ruore readily into the conversalion by Seing able to see lhe interlocutors and their surroundings- Reuember thal ?hysics has spaae and lirue erubedded inlo nearly every aspect of it- Tn lact currenl research inlo the nature of space and livne locuses a lot on how they ruay arise as a resulf of lhe relationships between things- SPace and lirue and the relationships between lhings are at the heart ol how coaics work Tnages (soruefirues contained in Vanels, but not necessarily) arranged in sequence encourage the reader to inler a narralive thaf involves fhe sense of tiue passing, ol ynovernent and so forlh. Tn this sehse, fundavuentally, coruics are Vhysics! 7ul this way upon rellection it is stumaing that lhis graphic forru has not been used rnore to talk about physics, and to coruuunicate what's going on in lhe lascinating world ol Vhysics research- T hoVe thal lhis book will helV change lhal' T don'f do il nearly as uuch as T could have, but do keep an eye out lor Vlaces in the 6ook where T tie the Vhysics being discussed fo the layoul of the ivnages on lhe Page- Tn i'he notes T could not resist Vointing out sone (perhaps) Varticularly notable aasesFinally, you'll also nolice that there are equalior4s in fhis 6ook- Tn popular-level ?resentafions of science ideas, fhere's a tradition ol hiding lrovu lhe reader lhe two Most ?owerful tools we use in research, fhe cartoons and diagraus that we scribble, and lhe equalions that we write- So rnuch ol the reasoning we do in physics is visual, and vnost ideas sfart that way. Those lools encode so very ruuch in a visual language, and yel aulhors are encouraged by their editors lo replace them wilh words, to elfectively infantalize readers and Vrotect theru froru lhe dreaded aafhernafics- Tt is no wonder that soue to?ics reyuain Mysferious, obscure, or confusing! Tt also ends up ?eypetuating lhe very lear and unlaruiliarily with equations that some people have- To leave oul (or ruinivuize the quantity of) equations and diagraus in a 6ook about physics is like wrifing a book aboul ynusic and being afraid to falk about or show any ,l,z,usical insfruruenfs- You can do it sure, but you're leaving oAt so very auch ol whal Vhysics is really like,

hiding what rnakes it atlractive to uost of ils pracfitioners- So yes, cast your eye over the equations, and don't worry il you don't fully undersland theru- Appreciale what you can- Aaving lheru on lhe page will get you More coyulorlable with theyu, and thal farr'iliarity May ynean you'll look a second tirue, and a third, and so on --- and ruaybe you'll appreciate fheir ueaning a bil ruore every firue-

acknowledgmenfs

first to note how overly specialized we all are- S,ometiwes if is out ol necessify, but all foo is beause we lind cotulort in apparently getting the Measure of sorueone by being able lo classify theru, so we all join in fhe classification garne and end up building walls- rhe apparent wide gulf belween My "day jo5" as a professor ol Vhysics and the other things r like lo dabble in (aspects of lhe visual arfs, and the huvuanities) that resulted in this book has rAeant lhal rnosl friends and colleagues don't know or haven't really understood whal T've been working on, or why. Tn some aases it has been 5ecause it was hard for Me fo know where fo begin explaining, and so T busied uyselt wilh getling on wilh it hastening the day when T could just Voint to the end Vroduct So T'd like to express considerable

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gralitude to everyone who (even it they did nol quile understand) was either supporfive, or encouraging, or who siruply trusted ue enough to allow rue the s?ace (and tiue) to work on this (vuore than sevenleen-year-old!) idea and bring it to fruitionT'ru privileged to work af an institution (fhe university of Southern California) that has ruany staff and faculty who helV keep alive the sVirit of genuine cross-disciplinary exVloration, and T thank lheru lor fhat Notable individuals with words of suVVort and interest include Ainee Benden Leo Braudy K- CCole, Allison Engel, Karin Auebnen and M- e- Lord.T thanki.he Fellows and rriends of fhe Los Angdes Tnstitute for the Auuanilies at USC lor keeVing alive the wonderlul environynent lhat ruakes il easy to keep sight of proiects like thiq and us''s Sidney Har4an a,caderuy for ?olyrnathic Study (and especially the lale Kevin Starr who helped build and guide it) lor providing rue wilh opportunities to inspire a new generation lo be explorers- Both instilulions let me presenl the book as a work in ?rogress- T thank AMY Rowal for helplul advice on exlra sources to include aboul tood science, and TaMeeM Albash for ?atientlY lislening to Me babble aSout covuics- ?arlicular thanks lo Nancy Keyslone for being an enthusiastic suPPorter lrou the Motvent she heard what T was doing- rt is a delight to thank Jessie and Robin French lor occasionally allowing me to set up caup in a corner ol their horne while working on lhe book- SVecial thar, ks go lo Titu Morris, ruy old ?h? advisor froru almost thirty years ago- T remembered a slorY thal he told about going to fhe lair wilh his talhen and his interpretation of what happened- Ae gave Me Verruission lo 5orrow it and the story told within the last conversation in the book is loosely Sased on his fale- rhanks to the AsPen Cenler lor ?hysics (especially Jane Kelly) lor being an excellent retreaf al which to think about unusual projects- T've conpleted fhis book during a sabbatical yeati and the si'tz,ons Foundalion ruade a full year possible by awarding Me a fellowshiv, lor which T aM grateful-

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was a challenge lo explore lhe Tublishing world to try to find a horue for this oddball project- T 7.z,ust thank SteVhon Alexander and Cecil Caslellucci for trying to help by ruaking introductions, even though those avenues did not yield results- T've since learned that such selfless introductions lo agents and editors are rnore rare lhan T'd have guessed, and so lhey should be acknowledged- Alice Oven was the first cournissioning editor who really listened and "gof it" when T tound her and explained what T was frying to do, and lhis book ruay not have vnade it to print without her enthusiastiaally chaapioning it while at rC Press, so a 6ig thank you goes lo her- T thank Jerney Matthews for the initiative and enlhusiasru that resulled in lhis book tinding a horne at the MTT press, and all the staff at the MTr Press lor their waruth and prolessionalisvn as we worked on the last stages of this bookAlthough T don'f see ther,l as otten as T'd like, ruy molhen eelia, and ay siblings, Robert and Carol, are with rue in every project T undertake and T\u thankful. They along wilh ruy (now deparfed) falher aeginald, have all helVed shape who T aM- This includes, T believe, having been understanding and supporlive ol vuy exploratory nalAre all uy life- I Must also thank a.oberf lor (probably) being responsible lor rne 6eing exVosed to coruics, sharing thea, and helVing Me track theru down 6ack when that was so hard lo do, alrnost lour decades ago on fhat tiny island thal we all nriss so ruuch/v1ost iruportantly, there's ruy

wile and besl friend, Aruelia French- My gratitude to her cannot be overstated- rt is a clich1 to saY lhal without her this Vrojecl would nol have coae to truition, 6ut it is trueT thank her lor being the ruost wonderlul partner one could wish fol bringing love, huruon ideas, and lhe unquestioning and generous suPPort and llexibility thal allowed us to negoliate a rnutually workable schedule fhal (T hope) ulfirualely served each ol our respecfive endeavors well, as well as strenglhening lhe wonderlul larnily we've uade. The book is infinitely richer as a result of us having ruet X:,!

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coyuic Sook heroes and villairs is very long- Exar,z'Vles lroru lhe two

biggest publishers ol the hero genre of coruics include ●

︱ ︱ヽ

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equations-

See the chaVler 4 nole lor Vages 7q-82 and the chapter G note lor Vages 11C-112 lor readings about s?ecial and general relafivity- Additionally lhese lwo biographies unVack the lhysics iourney

?age

,157

-

lo general very well' Abrahaa ?aist subfle Ts fhe Lord' rhe science and (Oxford. Oxford university Press, 14E,2)i walter Tsaacson, Einsfein, His fhe Life of alberf Einsfein t-ife and ltniverse (New York, Siry'on €t Schusten 2OO7)Elinstein uakes froru sVecial

chapters G and 7 had a lot ol discussion aboul reconciling quanturu vuechanics and general relafivify- See lheir notes for references-

pages 15q-,r6o

-

and exhilarating inside look at lhe slory of lhe gravitational wave discovObservatorY), see Janna Levin, Black (r{ew A- Kno?i, 2O1G)York, Allred Hote Blues and Ofher Songs from Oufer SPace

Eq - For a lascinating

"age ery ruade at LTGO (uaser Tnterleroaeter Gravitational'Wave pages

1G1-,167

- rhis is called the "potenlial forruulalion" ol elecfrouagnefisrv\

and

it is fhe starling

lor uosl quantut treafaents, and lor lhe journey to generalizalions of this aVVroach to describe other forces- Tt culainales in whaf's called qaantA$ lield theorY- A verY accessible account ol lhe workings ol the prototyVe quanturu theory of light and charged parficles, which fhis disaussior is leading

Voinl

to, is Richard ?- =eynruan, QEQ, The Sfrange Theory of Lighf and Maffer (?rincelon, NJ. ?rinceton universitY Press, 1qa5). already frou what you've encountered in earlier conversations, and aaybe you've done soae follow-uV reading- Tn case you wanl ruore, here's a short and accessible account ol asVecls ol lhe quanturu fheory, with a Varticle physies leel to if, Brian

You,ve

no doubl been lhinking

aSout qAantun theory

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Cox and Jetl rorshaw, The Quanfuru Universe (and Why Anyfhing fhaf Can HaPPen, ?oes) (Boston, ?a Capo ?ress, 2012)- For someone wanfing to delve aore deeply it is hard to think ol a better starl than this, Leonard Susskind and Art Friednant Quanfun4 Mechanics, rhe rheorefical Minimuru (New york, Basic Books, 2c.14)- The ?olkinghorne book aenlioned in the chapter 7 notes tor page 14t1 (?anel 4) is also a good soaYce-

page

and engagingly writlen) sources that delve into quanturu lield theory and say ruuch ruore aSoul things like gauge invariance are AnthonY zee, Quanfuru Field Theory in a Nufshell (?rinceton' ?rinceton universilY ?resl 2o1o)t ToM Lancaster and stevhen J' Blundell, Quanfuru Fietd Theory for fhe Oiffed An4afeur (Oxford, Oxlord tlniversily Press, 2014),rGE

- Two good lechnical (buf lorgivingly

1Gq-17O - The books yuenlioned above will have lots of discussion and lurther ex?lanalion aSoul those wonderful lools called Feynnan diagrams and lheir use in quanlurn lield theory-

?age,

?age 17O - A note on lhe yuediuru- Be sure to use your evident (because you've read this far) knowledge of how lirue works in contevuporary sequenfial art to lully exVlore how FeYnYaan diagrarus workRead those ?anels in lhe conventional orden wilh

liae ticking

6y as you Move sequenfiallY, and

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403

Nofes of dilferent types ol gluon. rhis is what you'll see called "large N" in olher of lhe size ol the slructure that generalizes the circle (the "rank" ol lhe "gauge group/' tor those interesfed) and the nuuber of dillerent types ol gluon lhal generalize the

?age 'rE2 - A large

nuvnber

sources. rypically, N is a ueasure

Vhoton grows as N2-

Page9 ,lE2-lEg - rhis divuension-crossing connection between the physics ol gauge theory and Vhysics ol gravity is called lhe AdS/CFT corres?ondence, and it is an examVle ol a Sroader Vhenovuenon in string theory called gauge/gravity dualify.* The change in dimension is parl of fhe reason it is referred to as "hologra?hic-"** AdS./CFr can be Vhrased in such a way that needs no relerence to its string lheory origins, and it is so robusl in its structure that il has becovue a powerlul lool lor tackling physics problerus lhat (once upon a tiue) seerued very far from lhe concerns of sfring theory, used by scientists in a variety of fields such as condensed Matter physics and nuclear Vhysics to organize certain kinds of physics- To dafe, few accessible nonexpert accounts oF AdS/CFT exist in Sook forru-*** i-i.ere is an excellent article by sorue of its Vioneers, Tgor Klebanov and Juan Maldacenq "solving Quantuvu Field Theories via Curved S?acelirues,t' Physics roday G2 (2OOq), 28- (An o?en access version is here, hlt?s, / / arxiv-org / abs / gr-qc /q31OO2G / -)

*The best understood version of the correspondence involves exfra fields that gives the whole ruodel an exlra syruruelry called "supersyr,z,metry" bul thaf's well beyond lhe scoVe of this conversalion. S,ee the reading-

**The

lhal gravily is lundaruentally

to be caVlured using physics in one divnension fewer than il operates in (i-e-, if is "halographic") is due to Gerard'f Hooft See his essay in A- Ali, J. ellis, and S