Seems like a lot of work to be able to see your hair parted on the right side of your head.

I recently finished reading Brian Greene’s The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, and I enjoyed it so much that I thought I should write a bit of a recommendation for it. As you probably gather from the title, it’s essentially a book about the state of modern string theory: what it says, where it’s from, where it’s going, etc. However, the book is aimed squarely at curious lay-readers, and in the course of getting to string theory it covers both relativity and quantum theory in ways that most people should be able to follow.

And it is the author’s ability to cast complex, abstract ideas in everyday experience that is probably the book’s greatest strength. Greene doesn’t shy away from talking about spacetime or hidden Calabi-Yau dimensions, but he always finds ways to make them…well, approachable. I came away from the book with a good understanding of the spirit of the topics (or at least, I think I did!), but I never felt forced into really uncomfortable territory; I got the best part of the sausage, but I didn’t have to see it made. If, as Einstein said, “You do not really understand something unless you can explain it to your grandmother”, Greene seems to have proven that he knows what he’s talking about.

In some ways, Greene uses Jared Diamond’s technique of, for lack of a better term, “appropriate repetition”. He manages to repeat important points at the right times and in the right contexts so that, even if you don’t fully grasp them at first, they become clearer and clearer each time. I imagine that this is a difficult technique for a writer (the “appropriate part, not the repetition), but it’s brilliant when it’s done correctly.

On the downside, I could have done with a little less discussion of the author’s own work. While I’m sure it was important to the development of string theory, he tends to get into details of his work that feel out of place. The book drastically changes pace when he gets into the minutiae of his contributions, and it breaks up the flow of ideas at some awkward times.

Also, I’d like to make a comment about the format. I read this book on a Sony eReader and, for whatever reason, all of the diagrams were missing from the text. Considering how much he relies on pictures to communicate complex ideas, I think I really missed out on some of the best parts of the book.

I don’t want to end on a down-note, though! All in all, this is a brilliant book, and I recommend it to any fan of popular science or anyone who just wants to know what nerds are doing with particle accelerators these days.

Happy Friday!  Here’s the week’s roundup, including a short reflection on this past week’s Mooniversaries that have dominated the science headlines…

5) Organ trafficking. My friend Rachel called me last night, irate about the New Jersey corruption sweep that led to the arrests of 44 people, including elected officials and religious leaders for bank fraud, money laundering and cash bribes.  And…organ trafficking.  Individuals were allegedly enticed to sell their own kidneys for $10,000, after which the traffickers sold them for more than $150,000.  The bioethical issues around organ donation are tricky, especially when there is a shortage of available organs and thousands die each year waiting for transplants. But if a person is willing to sell an organ to make some money, should there be a legal market that handles these types of transactions? The idea makes my skin crawl, and not so much about the selling, but the exploitative side of the buying…What do you think?

4) A cosmic gas bubble. I’m not ashamed to admit that some of my favorite findings have little to do with the actual science…sometimes the pictures are just super-cool!  This week, a nebula called the Cygnus Bubble (discovered by yet another amateur astronomer!) was officially classified as nebula PN G75.5+1.7. Nebulae (the plural form) occur when huge stars (release their gasses into a cloud). Almost looks like a sci-fi image, but it’s totally real (check here for more images):

The Cygnus Bubble! Image credit: Keith Quattrocchi and Mel Helm

3) In need of a vacuum repairman. It’s heartbreaking to hear of yet another problem at the CERN Large Hadron Collider, which went live last September and has been broken pretty much ever since. It was reported this week that the world’s largest (and arguably least efficient in producing data) particle accelerator has 2 vacuum leaks that will keep it offline until at least November. And further tests need to be done to ensure there are no more leaks, so it’s possible the LHC won’t be up and running again until even later. Another huge disappointment for those waiting on the huge discoveries expected from the LHC; perhaps not so bad news for our own Fermilab, who’s particle accelerator has produced some pretty amazing findings lately. Not that we’re competing or anything…:-)

2) A bacterium did my math homework! OK, not quite, but a ridiculously cool (and kind of confusing) study published in the Journal of Bioengineering provides new evidence that bacteria can be designed to solve a commonly-recognized math problem – the Hamiltonian Path. You may have seen one in a mind-puzzle book, a problem in which you’re challenged to go from one point to another, touching all points in between only once. I’m terrible at those, but apparently, if you recreate this problem at the DNA level, bacteria are far better at getting it right.

A classic Hamiltonian Path…get from one end to the other, touching each node only once.

In the study, each point, or node, was created as 1/2 of a gene that coded for a function or activity that the scientists could easily measure (like fluorescence under UV light). The DNA was engineered Bacteria are well-known for their ability to move their DNA around, so their ability to solve the Hamiltonian Path was measured by how many of the split genes became intact.  The authors propose that engineered bacteria are potentially capable of solving highly complex problems, but given how late humans were to arrive on the evolutionary tree (especially compared to bacteria), perhaps these findings are just another example of how we are just catching up to what nature invented millions of years ago.

1) A Lunar reflection. You’d have to be living in a cave to have missed that the past couple of weeks have been huge for NASA: July 17th marked the 40th anniversary of the launching of the Apollo 11 lunar mission that landed the first men on the Moon July 20th; the 33rd anniversary of the Viking lander’s operation on Mars as the first lander on the red planet; space shuttle Endeavour finally made liftoff, after 6 technical and weather delays, and allowed celebration of the Mooniveraries by 13 astronauts in space, the most ever in orbit at the same time. Despite a few glitches, like the announcement that NASA lost or erased the original live transmission of the moon landing, there were some pretty awesome moments – 40 year-old foot tracks and a 40 year-old experiment still running on the lunar surface! All this reflection on the past has led to the obvious question – what’s next? With a waning presidential plan to go back to the Moon by 2020, and increased focused on reaching Mars, it’s possible humans have made their last lunar voyages. Which is a bit sad, perhaps, but opens the door even wider for brand-new discoveries.

Have a great weekend,

-Rabiah

There’s no English translation since this’s a translation from a book.

ต่อไปนี้เป็นบทแปลและสรุปจาก Wilczek’s Fantastic Realities บท What Matters for Matter เขียนในปี 2003 ซึ่งน่าจะมีประโยชน์สำหรับคนที่ต้องการเห็นภาพรวมว่า โมเดลที่เราใช้อธิบายจักรวาลอยู่ในตอนนี้คืออะไรและเรากำลังใช้โมเดลไหนที่ง่ายที่สุดในขอบเขตของระบบที่ตนศึกษา(เช่น พลังงานไม่สูงมากนักสำหรับนักเคมีทั่วไป) มีคอมเมนต์เพิ่มเติมสำหรับคนที่ไม่คุ้นเคยกับเรื่องแบบนี้นักเช่นนักชีวะทั่วไป

ภาพของโลกในระดับโมเลกุล

[หรือ electronic level เพราะว่าในโลกของชีวิตประจำวันในระดับที่เรารับรู้ได้นั้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแรงที่สุด ที่เรารู้สึกว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงส่วนใหญ่เพราะว่าเราอยู่กับโลกที่มีมวลมากเทียบกับเรา จริงๆแล้วแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงกว่าแรงโน้มถ่วงใน order of magnitude 10 ยกกำลัง 43 คิดดูว่าแม่เหล็กเล็กๆสามารถยกเข็มหมุดต้านแรงโน้มถ่วงของโลกทั้งใบได้ ในขณะที่วัตถุส่วนใหญ่เช่นร่างกายของเราเองเมื่อมองโดยรวมแล้วมีประจุ "ลบ" และ"บวก" พอดีกันเป๊ะๆเราจึงไม่รู้สึกถึงแรงอันมหาศาลนี้]

โลกใบแรก QM

นักแสดงของโมเดลแรกนี้มีแค่อิเล็กตรอนภายใต้กฏเกณฑ์ของกลศาสตร์ควอนตัม โมเดลของเรามีประจุไฟฟ้าที่มีประจุเป็นจำนวนเต็มคูณกับค่าคงที่ e และมีตำแหน่งชัดเจนใน space  แค่อาศัยคำอธิบายของ”กล่องดำ”นี้เราก็สามารถอธิบายนิวเคลียสได้ โลกนี้เป็นแค่การประมาณของโลกที่ฟิสิกส์ปัจจุบันนำเสนอ ในโลกนี้นิวเคลียสหนักเป็นอนันต์เท่าของอิเล็กตรอนแทนที่จะเป็นแค่หลักพันเท่า และขีดจำกัดความเร็วก็เป็นอนันต์ อย่างไรก็ตามโมเดลนี้เป็นโมเดลที่ประหยัดมากเพราะใช้ parameter เพียงแค่ ประจุ e, ค่าคงที่ ,และมวลอิเล็กตรอน  ซึ่งเราสามารถแทนค่าพวกนี้ด้วยหน่วยที่เหมาะสมได้ทำให้เราไม่มี free parameter เลย

แต่โลกนี้ก็ไม่ได้น่าเบื่อเพราะว่ามันสามารถกำเนิดโครงสร้างที่หลากหลายและซับซ้อนได้ เราพอจะบอกได้ว่าโมเลกุลแบบไหนที่เราสามารถมีได้ด้วยการคำนวณจุดต่ำสุดของพลังงานซึ่งเป็นฟังก์ชันของประจุ source (ละเอียดกว่านั้นจริงๆแล้วเราต้องให้กฎของสมมาตรเพื่อกำหนด quantum statistic ของอิเล็กตรอนด้วย)

โลกใบที่สอง QED (Quantum Electrodynamics)

เมื่อเราคำนึงถึงขีดจำกัดความเร็ว(”ความเร็วแสง”) ด้วยแล้วก็จะได้ภาพของโลกที่ใกล้เคียงความจริงมากกว่าเดิม เปลี่ยนจากสมการSchrödinger มาเป็นสมการดิแรกและกฎของคูลอมบ์มาเป็นสมการแม็กซ์เวลแทนและแนะนำเราคอนเซปต์ใหม่ photon และ virtual photon แต่โลกจะดูสมบูรณ์แบบน้อยลงเพราะเราต้องยอมรับค่าคงที่ fine structure constant   แต่นั่นทำให้เราสามารถทำนายพลวัฒน์ของสปิน, Lamb shift, radiation และอื่นๆได้

โลกใบที่สาม “ทุกอย่างของเคมีและส่วนใหญ่ของฟิสิกส์”

ถึงกระนั้นโมเดลของเราก็ยังไม่รวมปรากฎการณ์เช่น ปฏิกริยาเคมี การแพร่ และ หลายๆอย่างเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนเช่น vibrational spectra และ rotational spectra เพราะโมเลกุลของเราขยับไม่ได้! เราจึงต้องใช้ parameter อีกมากมายเท่าที่จำเป็นในการคำนวณเช่น เช่น มวลของนิวเคลียสต่างๆและไอโซโทป, สปิน, magnetic moment ฯลฯ แต่ด้วยโมเดลนี้เองเราก็ได้ทฤษฎีที่ดิแรกบอกว่าครอบคลุม “ทุกอย่างของเคมีและส่วนใหญ่ของฟิสิกส์”

โลกใบที่สี่ QCD (Quantum Chromodynamics) 1

เกิดจาก QED และ QCD ในแบบกะทัดรัด โลกใบนี้สร้างนิวเคลียสเพียงแค่จากอนุภาคไร้มวล: color gluons และ up, down quarks เหมือนกับโลกใบแรก โมเดลนี้มี parameter ที่สามารถแลกเป็นหน่วยได้คือ ,c, และมวล  ซึ่งพวกเราเชื่อว่าโมเดลนี้สามารถคำนวณ 10-20% ของสมบัติทางนิวเคลียร์ได้

 โลกใบที่ห้า QCD 2

คือโลกใบที่สี่ที่เพิ่มมวล  และ  เข้าไปทำให้โมเดลถูกต้องตามความเป็นจริงมากขึ้นแลกกับความประหยัด ทฤษฎีนี้อธิบาย”โลก”ตามความหมายทางฟิสิกส์ซึ่งเป็นโลกในชีวิตประจำวันของเรา– terrestrial matter ให้คำอธิบายของสสาร”ปกติ”ในสภาพ”ปกติ”ได้อย่างดี

จริงๆแล้วความน่าเชื่อถือของ QCD ไม่ได้มาจากการคำนวณสมบัตินิวเคลียร์อย่างที่หลายๆคนคงจะเดาและดูน่าจะเป็นแบบนั้น เพราะไม่มีใครรู้ว่าในทางปฏิบัติจะคำนวณอย่างไร สนามทดสอบของทฤษฎีนี้คือการทดลองที่ใช้พลังงานสูงมากพอที่จะทำให้ quarks, gluons และ coupling ของมันโผล่มาให้เห็นอย่างชัดเจน นอกจากนั้นผลการคำนวณอย่างคร่าวๆของโครงสร้างของโปรตอนและ hadron spectrum เป็นที่น่าพอใจ ความสำเร็จที่ผ่านมาเป็นปัจจัยสำคัญมากเพราะทฤษฎีนี้เป็นทฤษฎีที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนอะไรตามใจได้เลยถ้าเรายอมรับผลของกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพพิเศษ

วิธีปรับปรุงโลกใบที่ห้าอย่างตรงไปตรงมาก็คือการก้าวเข้าสู่ standard model ซึ่งทำให้เราทำนายปรากฎการณ์ในรังสีคอสมิกและเครื่องเร่งอนุภาคได้ แต่ทำให้ต้องมี parameter เพิ่มมาประมาณ 20 parameters ส่วนใหญ่เป็นมวลและ weak mixing angle ของอนุภาคที่ไม่เสถียร สถานการณ์นี้ดูคล้ายกับตอนที่เราขยับออกมาจากโลกใบแรกแต่ในปัจจุบันเรายังไม่มี “Beyond the Standard Model” ที่แน่ชัดและความสวยงามและความถูกต้องแม่นยำมักจะกลายเป็นเรื่องขัดแย้งกัน

ความขัดแย้งยังเกิดระหว่างความสมบูรณ์และประโยชน์ในการนำไปใช้อีกด้วย มีคนเคยกล่าวไว้ว่าเราสามารถบอกความก้าวหน้าของฟิสิกส์ได้ด้วยโจทย์ที่แก้ไม่ได้ กลศาสตร์นิวตันสามารถแก้ปัญหาของวัตถุสองวัตถุได้ แต่เมื่อขยายไปเป็นสามวัตถุก็แก้ไม่ได้แล้ว ในสัมพัทธภาพทั่วไปปัญหาของสองวัตถุก็แก้ไม่ได้ ใน quantum gravity vacuum (ความว่างที่”ไม่มีอะไรเลย”) ก็แก้ไม่ได้แล้ว

This summer, we’re excited to have 2 new high school interns working part-time in the Science Chicago office, Justin and Byron. As the newest members of the Science Crew, they’ll be helping out with a number of projects, including researching and writing here on the Blog.  And here’s the first post from Justin…

——————————————————————————————————————————-

Recently there have been a lot of movies that use “advanced” scientific principles to wow the audience. If you’re like me then you have probably wondered how close we actually are to some of these fanciful claims and have tried to get more information on the real science behind the movies. The problem we run into here is that the science behind the movies is very advanced and most of the people who understand it can’t explain it to an average person. So that’s why I am doing this blog. I will, to the best of my abilities, explain the movie science so that we can all understand it.

This week I’m going to explain teleportation. Teleportation has been central to many recent movies, namely Star Trek and Jumper. In these movies, teleportation is achieved through advanced science and superhuman abilities. However, even in our time teleportation is happening through science. Photons, particles of light, have been teleported about a yard (three feet) successfully at California Institute of Technology as well as several other sites. There scientists use a concept call entanglement to get around the problem caused by the Heisenberg Uncertainty principle. The principle basically states that you can’t know both the speed and the exact position of a particle at the same time because knowing one interrupts knowing the other.

Entanglement happens when two particles are brought together in the proper way so that when separated they react to each other so that ” if you tickle one  the other one laughs,” according to Cal Tech physicist Dr. Jeff Kimble. One particle then gets mixed with the information getting teleported. On the other end the scientists add the other particle and the information is teleported. This is similar to the way that two cups and a string work as “telephones” the cups are photons and the string or entanglement allows information to be transported. Without both particles or cups the information cannot be sent.

Hoping this helps!

-Justin D.