Nylig, Quanta har utforsket samarbeidet mellom fysikk og matematikk om en av de viktigste ideene innen vitenskap: kvantefeltteori. De grunnleggende objektene i en kvantefeltteori er kvantefelt, som sprer seg over universet og, gjennom sine svingninger, gir opphav til de mest grunnleggende fenomenene i den fysiske verden. Vi har lagt vekt på den uavsluttede virksomheten i både fysikk og matematikk - måtene fysikere fortsatt ikke fullt ut forstår en teori de bruker så effektivt på, og de store belønningene som venter matematikere hvis de kan gi en fullstendig beskrivelse av hva kvantefeltteori faktisk er.

Denne ufullstendigheten betyr imidlertid ikke at arbeidet har vært utilfredsstillende så langt.

For vår siste oppføring i denne "Math Meets QFT"-serien, utforsker vi den mest fremtredende kvantefeltteorien av dem alle: standardmodellen. Som Cambridge-fysikeren David Tong sier det i den medfølgende videoen, er det "den mest suksessrike vitenskapelige teorien gjennom tidene" til tross for at den er bekledd med et "søppelnavn."

Standardmodellen beskriver fysikk i de tre romlige dimensjonene og en tidsdimensjon i universet vårt. Den fanger samspillet mellom et dusin kvantefelt som representerer fundamentale partikler og en håndfull tilleggsfelt som representerer krefter. Standardmodellen binder dem alle sammen til en enkelt ligning som forskere har bekreftet utallige ganger, ofte med forbløffende nøyaktighet. I videoen leder professor Tong oss gjennom ligningen termin for termin, og introduserer oss for alle delene av teorien og hvordan de passer sammen. Standardmodellen er komplisert, men den er lettere å jobbe med enn mange andre kvantefeltteorier. Det er fordi noen ganger feltene til standardmodellen samhandler ganske svakt med hverandre, som forfatter Charlie Wood beskrev i andre stykke i serien vår.

Standardmodellen har vært en velsignelse for fysikken, men den har også hatt litt bakruseffekt. Det har vært usedvanlig effektivt til å forklare eksperimenter vi kan gjøre her på jorden, men det kan ikke forklare flere hovedtrekk ved det bredere universet, inkludert virkningen av tyngdekraften på korte avstander og tilstedeværelsen av mørk materie og mørk energi. Fysikere vil gjerne gå utover standardmodellen til en enda mer omfattende fysisk teori. Men som fysiker Davide Gaiotto legg den i første stykket i serien vår, gløden til standardmodellen er så sterk at det er vanskelig å se forbi den.

Og det er kanskje der matematikk kommer inn. Matematikere må utvikle et nytt perspektiv på kvantefeltteori hvis de vil forstå det på en selvkonsistent og streng måte. Det er grunn til å håpe at denne nye utsikten vil løse mange av de største åpne spørsmålene innen fysikk.

Prosessen med å bringe QFT inn i matematikk kan ta litt tid - kanskje til og med århundrer, som fysikeren Nathan Seiberg spekulert i tredje stykket i serien vår — men det er også allerede godt i gang. Nå har matematikk og kvantefeltteori utvilsomt møtt hverandre. Det gjenstår å se hva som skjer ettersom de virkelig blir kjent med hverandre.