Što ako... riješimo temeljne probleme u fizici. Sve čeka teoriju iz koje ništa ne može proizaći

Što će nam dati odgovor na takve misterije kao što su tamna tvar i tamna energija, misterij početka svemira, priroda gravitacije, prednost materije nad antimaterijom, smjer vremena, ujedinjenje gravitacije s drugim fizičkim interakcijama , veliko ujedinjenje prirodnih sila u jednu osnovnu, do tzv. teorije svega ?

Prema Einsteinu i mnogih drugih izvanrednih modernih fizičara, cilj fizike je upravo stvoriti teoriju svega (TV). Međutim, koncept takve teorije nije jednoznačan. Poznata kao teorija svega, ToE je hipotetska fizička teorija koja sve dosljedno opisuje fizičke pojave i omogućuje vam da predvidite rezultat bilo kojeg eksperimenta. Danas se ovaj izraz obično koristi za opisivanje teorija koje pokušavaju uspostaviti vezu s njima opća teorija relativnosti. Do sada niti jedna od ovih teorija nije dobila eksperimentalnu potvrdu.

Trenutno, najnaprednija teorija koja tvrdi da je TW temelji se na holografskom principu. 11-dimenzionalna M-teorija. Ona još nije razvijena i mnogi je smatraju smjerom razvoja, a ne stvarnom teorijom.

Mnogi znanstvenici sumnjaju da je nešto poput "teorije svega" uopće moguće, i to u najosnovnijem smislu, utemeljeno na logici. Teorem Kurta Gödela kaže da je svaki dovoljno složen logički sustav ili unutarnje nedosljedan (može se dokazati rečenica i njezina proturječnost u njoj) ili nepotpun (postoje trivijalno istinite rečenice koje se ne mogu dokazati). Stanley Jackie je 1966. primijetio da TW mora biti složena i koherentna matematička teorija, tako da će neizbježno biti nepotpuna.

Postoji poseban, originalan i emocionalan način teorije svega. holografska hipoteza (1), prebacujući zadatak na nešto drugačiji plan. Čini se da fizika crne rupe ukazuje da naš svemir nije ono što nam naša osjetila govore. Realnost koja nas okružuje može biti hologram, t.j. projekcija dvodimenzionalne ravnine. To vrijedi i za sam Gödelov teorem. No, rješava li takva teorija svega ikakve probleme, dopušta li nam da se suočimo s civilizacijskim izazovima?

Opišite svemir. Ali što je svemir?

Trenutno imamo dvije sveobuhvatne teorije koje objašnjavaju gotovo sve fizičke pojave: Einsteinova teorija gravitacije (opća teorija relativnosti) i. Prvi dobro objašnjava kretanje makro objekata, od nogometnih lopti do galaksija. vrlo je upućen u atome i subatomske čestice. Problem je u tome ove dvije teorije opisuju naš svijet na potpuno različite načine. U kvantnoj mehanici događaji se odvijaju u fiksnoj pozadini. prostor-vrijeme – dok je w fleksibilan. Kako će izgledati kvantna teorija zakrivljenog prostor-vremena? Ne znamo.

Prvi pokušaji stvaranja jedinstvene teorije svega pojavili su se ubrzo nakon objave opća teorija relativnostiprije nego shvatimo temeljne zakone koji upravljaju nuklearnim silama. Ovi koncepti, poznati kao Kaluzi-Klein teorija, nastojao je kombinirati gravitaciju s elektromagnetizmom.

Desetljećima, teorija struna, koja predstavlja materiju kao da se sastoji od sitne vibrirajuće žice ili energetska petlja, smatra se najboljim za stvaranje jedinstvena teorija fizike. Međutim, neki fizičari preferiraju kgravitacija petlje s kabelomu kojem je i sam vanjski prostor sastavljen od sićušnih petlji. Međutim, ni teorija struna ni kvantna gravitacija u petlji nisu eksperimentalno ispitani.

Velike unificirane teorije (GUT), koje kombiniraju kvantnu kromodinamiku i teoriju elektroslabih interakcija, predstavljaju jake, slabe i elektromagnetske interakcije kao manifestaciju jedne jedine interakcije. Međutim, niti jedna od prethodnih teorija velikog ujedinjenja nije dobila eksperimentalnu potvrdu. Zajednička značajka teorije velikog ujedinjenja je predviđanje raspada protona. Ovaj proces još nije uočen. Iz ovoga slijedi da životni vijek protona mora biti najmanje 1032 godine.

Standardni model iz 1968. ujedinio je jake, slabe i elektromagnetske sile pod jednim sveobuhvatnim kišobranom. Razmotrene su sve čestice i njihove interakcije, te su napravljena mnoga nova predviđanja, uključujući jedno veliko predviđanje ujedinjenja. Pri visokim energijama, reda veličine 100 GeV (energija potrebna za ubrzanje jednog elektrona do potencijala od 100 milijardi volti), obnovit će se simetrija koja ujedinjuje elektromagnetske i slabe sile.

Predviđeno je postojanje novih, a otkrićem W i Z bozona 1983. ta su predviđanja potvrđena. Četiri glavne snage svedene su na tri. Ideja koja stoji iza ujedinjenja je da se sve tri sile Standardnog modela, a možda čak i viša energija gravitacije, kombiniraju u jednu strukturu.

2. Langrangeova jednadžba koja opisuje standardni model, podijeljena u pet komponenti.

Neki su to sugerirali na još višim energijama, možda okolo Planckova ljestvica, gravitacija će se također kombinirati. Ovo je jedna od glavnih motivacija teorije struna. Ono što je vrlo zanimljivo u vezi s ovim idejama je da ako želimo ujedinjenje, moramo vratiti simetriju na višim energijama. A ako su trenutno pokvareni, to dovodi do nečega vidljivog, novih čestica i novih interakcija.

Lagrangijan standardnog modela jedina je jednadžba koja opisuje čestice i utjecaj Standardnog modela (2). Sastoji se od pet neovisnih dijelova: o gluonima u zoni 1 jednadžbe, slabim bozonima u dijelu označenom s dva, označenom s tri, matematički je opis interakcije materije sa slabom silom i Higgsovim poljem, česticama duha koje oduzimaju višak Higgsovog polja u dijelovima četvrtog, i duhovi opisani pod pet Fadejev-Popovkoji utječu na redundantnost slabe interakcije. Mase neutrina se ne uzimaju u obzir.

Iako Standardni model možemo to zapisati kao jednu jednadžbu, to zapravo nije homogena cjelina u smislu da postoji mnogo odvojenih, neovisnih izraza koji upravljaju različitim komponentama svemira. Odvojeni dijelovi Standardnog modela međusobno ne djeluju, jer naboj u boji ne utječe na elektromagnetske i slabe interakcije, a ostaju neodgovorena pitanja zašto interakcije koje bi se trebale dogoditi, na primjer, kršenje CP u jakim interakcijama, ne funkcioniraju. odvijati.

Kada se simetrije obnove (na vrhuncu potencijala), dolazi do ujedinjenja. Međutim, prekid simetrije na samom dnu u skladu je sa svemirom koji danas imamo, zajedno s novim vrstama masivnih čestica. Dakle, što bi "od svega" trebala biti ova teorija? Onaj koji je, t.j. pravi asimetričan svemir, ili jedan i simetričan, ali u konačnici ne onaj s kojim imamo posla.

Varljiva ljepota "kompletnih" modela

Lars English, u The No Theory of Everything, tvrdi da ne postoji jedinstven skup pravila koji bi to mogao kombinirati opću relativnost s kvantnom mehanikomjer ono što je istinito na kvantnoj razini nije nužno istinito na razini gravitacije. I što je sustav veći i složeniji, to se više razlikuje od svojih sastavnih elemenata. "Poanta nije u tome da su ova pravila gravitacije u suprotnosti s kvantnom mehanikom, već da se ne mogu izvesti iz kvantne fizike", piše on.

Sva znanost, namjerno ili ne, temelji se na premisi njihovog postojanja. objektivni fizikalni zakonikoji podrazumijevaju međusobno kompatibilan skup temeljnih fizikalnih postulata koji opisuju ponašanje fizičkog svemira i svega u njemu. Naravno, takva teorija ne podrazumijeva cjelovito objašnjenje ili opis svega što postoji, ali, najvjerojatnije, iscrpno opisuje sve provjerljive fizičke procese. Logično, jedna od neposrednih prednosti takvog razumijevanja TW-a bila bi zaustavljanje eksperimenata u kojima teorija predviđa negativne rezultate.

Većina fizičara morat će prestati s istraživanjem i zarađivati ​​za život podučavanjem, a ne istraživanjem. Međutim, javnost vjerojatno ne mari može li se sila gravitacije objasniti u smislu zakrivljenosti prostor-vremena.

Naravno, postoji još jedna mogućnost – Svemir se jednostavno neće ujediniti. Simetrije do kojih smo došli jednostavno su naši vlastiti matematički izumi i ne opisuju fizički svemir.

U visokom članku za Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), znanstvenica s Frankfurtskog instituta za napredne studije, ocijenila je da se "cijela ideja teorije svega temelji na neznanstvenoj pretpostavci". “Ovo nije najbolja strategija za razvoj znanstvenih teorija. (...) Oslanjanje na ljepotu u razvoju teorije je kroz povijest loše djelovalo.” Prema njezinom mišljenju, nema razloga da se priroda opisuje teorijom svega. Dok nam je potrebna kvantna teorija gravitacije kako bismo izbjegli logičku nedosljednost u zakonima prirode, sile u Standardnom modelu ne moraju biti ujedinjene i ne moraju biti ujedinjene s gravitacijom. Bilo bi lijepo, da, ali je nepotrebno. Standardni model dobro funkcionira bez objedinjavanja, naglašava istraživač. Prirodi očito nije važno što fizičari misle da je lijepa matematika, ljutito kaže gospođa Hossenfelder. U fizici se pomaci u teorijskom razvoju povezuju s rješavanjem matematičkih nedosljednosti, a ne s lijepim i "gotovim" modelima.

Unatoč tim trijeznim upozorenjima, neprestano se iznose novi prijedlozi za teoriju svega, kao što je The Exceptionally Simple Theory of Everything Garretta Lisija, objavljena 2007. godine. Ima obilježje da je prof. Hossenfelder je lijep i može se lijepo prikazati atraktivnim vizualizacijama (4). Ova teorija, nazvana E8, tvrdi da je ključ za razumijevanje svemira matematički objekt u obliku simetrične rozete.

Lisi je stvorio ovu strukturu iscrtavajući elementarne čestice na graf koji također uzima u obzir poznate fizičke interakcije. Rezultat je složena osmodimenzionalna matematička struktura od 248 točaka. Svaka od ovih točaka predstavlja čestice s različitim svojstvima. Na dijagramu se nalazi skupina čestica s određenim svojstvima koja „nedostaju“. Barem neki od ovih "nestalih" teoretski imaju neke veze s gravitacijom, premošćujući jaz između kvantne mehanike i opće relativnosti.

4. Teorija vizualizacije E8

Dakle, fizičari moraju raditi kako bi napunili "Fox socket". Ako uspije, što će se dogoditi? Mnogi sarkastično odgovaraju da ništa posebno. Samo bi lijepa slika bila gotova. Ova konstrukcija može biti vrijedna u tom smislu jer nam pokazuje kakve bi bile stvarne posljedice dovršetka "teorije svega". Možda beznačajno u praktičnom smislu.