Kaj če... rešimo temeljne probleme v fiziki. Vse čaka na teorijo, iz katere nič ne more izhajati

Kaj nam bo dalo odgovor na takšne skrivnosti, kot sta temna snov in temna energija, skrivnost začetka vesolja, narava gravitacije, prednost snovi pred antimaterijo, smer časa, poenotenje gravitacije z drugimi fizičnimi interakcijami , veliko združitev naravnih sil v eno osnovno, do tako imenovane teorije vsega ?

Po Einsteinu in mnogih drugih izjemnih sodobnih fizikov, je cilj fizike prav ustvariti teorijo vsega (TV). Vendar koncept takšne teorije ni nedvoumen. ToE, znana kot teorija vsega, je hipotetična fizična teorija, ki dosledno opisuje vse fizični pojavi in vam omogoča predvidevanje rezultatov katerega koli poskusa. Dandanes se ta stavek običajno uporablja za opis teorij, s katerimi poskušajo vzpostaviti povezavo splošna teorija relativnosti. Doslej nobena od teh teorij ni dobila eksperimentalne potrditve.

Trenutno najbolj napredna teorija, ki trdi, da je TW, temelji na holografskem principu. 11-dimenzionalna M-teorija. Še ni bila razvita in jo mnogi menijo, da gre za smer razvoja in ne za dejansko teorijo.

Mnogi znanstveniki dvomijo, da je kaj takega kot "teorija vsega" sploh mogoče, in v najbolj osnovnem smislu, ki temelji na logiki. Izrek Kurta Gödela pravi, da je vsak dovolj zapleten logični sistem bodisi notranje nedosleden (lahko dokažemo stavek in njegovo protislovje v njem) ali nepopoln (obstajajo trivialno resnični stavki, ki jih ni mogoče dokazati). Stanley Jackie je leta 1966 pripomnil, da mora biti TW zapletena in koherentna matematična teorija, zato bo neizogibno nepopolna.

Obstaja poseben, izviren in čustven način teorije vsega. holografska hipoteza (1), prenos naloge na nekoliko drugačen načrt. Zdi se, da fizika črnih lukenj kaže, da naše vesolje ni tisto, kar nam govorijo naši čuti. Realnost, ki nas obdaja, je lahko hologram, t.j. projekcija dvodimenzionalne ravnine. To velja tudi za sam Gödelov izrek. Toda ali taka teorija vsega rešuje kakšne težave, ali nam omogoča soočenje z izzivi civilizacije?

Opiši vesolje. Toda kaj je vesolje?

Trenutno imamo dve splošni teoriji, ki pojasnjujeta skoraj vse fizične pojave: Einsteinova teorija gravitacije (splošna teorija relativnosti) i. Prvi dobro razloži gibanje makro objektov, od nogometnih žog do galaksij. zelo dobro pozna atome in subatomske delce. Težava je v tem ti dve teoriji opisujeta naš svet na povsem različne načine. V kvantni mehaniki se dogodki odvijajo na fiksnem ozadju. prostor-čas – medtem ko je w prilagodljiv. Kako bo izgledala kvantna teorija ukrivljenega prostora-časa? Ne vemo.

Prvi poskusi oblikovanja enotne teorije vsega so se pojavili kmalu po objavi splošna teorija relativnostipreden razumemo temeljne zakone, ki urejajo jedrske sile. Ti koncepti, znani kot Kaluzi-Kleinova teorija, poskušal združiti gravitacijo z elektromagnetizmom.

Desetletja velja teorija strun, ki predstavlja, da je snov sestavljena iz drobne vibrirajoče strune ali energijska zanka, velja za najboljšega za ustvarjanje enotna teorija fizike. Vendar imajo nekateri fiziki raje kgravitacija kabelske zankev katerem je sam vesolje sestavljen iz drobnih zank. Vendar pa niti teorija strun niti kvantna gravitacija zanke nista bili eksperimentalno preverjeni.

Velike poenotene teorije (GUT), ki združujejo kvantno kromodinamiko in teorijo elektrošibkih interakcij, predstavljajo močne, šibke in elektromagnetne interakcije kot manifestacijo ene same interakcije. Vendar nobena od prejšnjih teorij velikega poenotenja ni dobila eksperimentalne potrditve. Skupna značilnost teorije velikega poenotenja je napoved razpada protona. Ta proces še ni bil opažen. Iz tega sledi, da mora biti življenjska doba protona najmanj 1032 let.

Standardni model iz leta 1968 je združil močne, šibke in elektromagnetne sile pod enim krovnim dežnikom. Upoštevani so bili vsi delci in njihove interakcije in narejenih je bilo veliko novih napovedi, vključno z eno veliko napovedjo združitve. Pri visokih energijah, reda 100 GeV (energija, potrebna za pospešitev enega samega elektrona do potenciala 100 milijard voltov), ​​se bo obnovila simetrija, ki združuje elektromagnetne in šibke sile.

Napovedan je bil obstoj novih, z odkritjem W in Z bozonov leta 1983 pa so se te napovedi potrdile. Štiri glavne sile so se zmanjšale na tri. Ideja za združitvijo je, da so vse tri sile standardnega modela in morda celo višja energija gravitacije združene v eno strukturo.

2. Langrangeova enačba, ki opisuje standardni model, razdeljena na pet komponent.

Nekateri so predlagali, da pri še višjih energijah, morda okoli Planckova lestvica, se bo združila tudi gravitacija. To je ena glavnih motivacij teorije strun. Kar je pri teh idejah zelo zanimivo, je, da če želimo poenotenje, moramo obnoviti simetrijo pri višjih energijah. In če so trenutno pokvarjeni, to vodi do nečesa opaznega, novih delcev in novih interakcij.

Lagrangian standardnega modela je edina enačba, ki opisuje delce i vpliv standardnega modela (2). Sestavljen je iz petih neodvisnih delov: o gluonih v coni 1 enačbe, šibkih bozonih v delu, označenem z dvema, označenem s tri, je matematični opis interakcije snovi s šibko silo in Higgsovim poljem, duhovnimi delci, ki odštevajo presežek Higgsovega polja v delih četrtega in duhovi, opisani pod pet Fadejev-Popovki vplivajo na redundanco šibke interakcije. Mase nevtrinov se ne upoštevajo.

Čeprav Standardni model lahko ga zapišemo kot eno samo enačbo, v resnici ni homogena celota v smislu, da obstaja veliko ločenih, neodvisnih izrazov, ki urejajo različne komponente vesolja. Posamezni deli standardnega modela med seboj ne delujejo, ker barvni naboj ne vpliva na elektromagnetne in šibke interakcije, vprašanja pa ostajajo neodgovorjena, zakaj interakcije, ki bi se morale zgoditi, na primer kršitev CP pri močnih interakcijah, ne delujejo. zgoditi se.

Ko se simetrije obnovijo (na vrhuncu potenciala), pride do poenotenja. Vendar pa je kršitev simetrije na samem dnu skladna z vesoljem, ki ga imamo danes, skupaj z novimi vrstami masivnih delcev. Kaj bi torej morala biti ta teorija »od vsega«? Tisti, ki je, tj. resnično asimetrično vesolje ali eno in simetrično, a na koncu ne tisto, s katerim imamo opravka.

Varljiva lepota "popolnih" modelov

Lars English v The No Theory of Everything trdi, da ne obstaja enoten sklop pravil, ki bi lahko združiti splošno relativnost s kvantno mehanikoker to, kar je res na kvantni ravni, ni nujno res na ravni gravitacije. In večji in bolj zapleten je sistem, bolj se razlikuje od svojih sestavnih elementov. "Bistvo ni v tem, da so ta pravila gravitacije v nasprotju s kvantno mehaniko, ampak da jih ni mogoče izpeljati iz kvantne fizike," piše.

Vsa znanost, namerno ali ne, temelji na predpostavki njihovega obstoja. objektivni fizikalni zakoniki pomenijo medsebojno združljiv niz temeljnih fizičnih postulatov, ki opisujejo obnašanje fizičnega vesolja in vsega v njem. Seveda takšna teorija ne vključuje popolne razlage ali opisa vsega, kar obstaja, ampak najverjetneje izčrpno opisuje vse preverljive fizikalne procese. Logično je, da bi bila ena od neposrednih prednosti takšnega razumevanja TW ustavitev eksperimentov, pri katerih teorija napoveduje negativne rezultate.

Večina fizikov bo morala prenehati z raziskovanjem in se preživljati s poučevanjem, ne pa z raziskovanjem. Vendar javnosti verjetno ni vseeno, ali je silo gravitacije mogoče razložiti z ukrivljenostjo prostor-časa.

Seveda obstaja še ena možnost - Vesolje se preprosto ne bo združilo. Simetrije, do katerih smo prišli, so preprosto naši lastni matematični izumi in ne opisujejo fizičnega vesolja.

Sabina Hossenfelder (3), znanstvenica z Frankfurtskega inštituta za napredne študije, je v odmevnem članku za Nautil.Us ocenila, da "celotna ideja teorije vsega temelji na neznanstveni predpostavki." »To ni najboljša strategija za razvoj znanstvenih teorij. (...) Zanašanje na lepoto pri razvoju teorije je v preteklosti slabo delovalo." Po njenem mnenju ni razloga, da bi naravo opisovali s teorijo vsega. Medtem ko potrebujemo kvantno teorijo gravitacije, da se izognemo logični nedoslednosti v zakonih narave, sil v standardnem modelu ni treba poenotiti in jih ni treba poenotiti z gravitacijo. Bilo bi lepo, ja, vendar je nepotrebno. Standardni model deluje dobro brez poenotenja, poudarja raziskovalec. Naravi očitno ni mar, kaj fiziki menijo, da je lepa matematika, jezno pove gospa Hossenfelder. V fiziki so preboji v teoretičnem razvoju povezani z reševanjem matematičnih nedoslednosti in ne z lepimi in "dokončanimi" modeli.

Kljub tem treznim opozorilom se nenehno pojavljajo novi predlogi teorije vsega, na primer The Exceptionally Simple Theory of Everything Garretta Lisija, objavljena leta 2007. Ima lastnost, da je prof. Hossenfelder je lep in ga je mogoče lepo prikazati s privlačnimi vizualizacijami (4). Ta teorija, imenovana E8, trdi, da je ključ do razumevanja vesolja matematični objekt v obliki simetrične rozete.

Lisi je to strukturo ustvaril tako, da je elementarne delce narisal na graf, ki upošteva tudi znane fizične interakcije. Rezultat je zapletena osemdimenzionalna matematična struktura 248 točk. Vsaka od teh točk predstavlja delce z različnimi lastnostmi. Na diagramu je skupina delcev z določenimi lastnostmi, ki "manjkajo". Vsaj nekateri od teh "manjkajočih" imajo teoretično nekaj opraviti z gravitacijo, ki premosti vrzel med kvantno mehaniko in splošno relativnostjo.

4. Teorija vizualizacije E8

Torej morajo fiziki delati, da napolnijo "fox socket". Če bo uspelo, kaj se bo zgodilo? Mnogi sarkastično odgovarjajo, da nič posebnega. Samo lepa slika bi bila končana. Ta konstrukcija je lahko v tem smislu dragocena, saj nam pokaže, kakšne bi bile resnične posledice dokončanja »teorije vsega«. Morda nepomembno v praktičnem smislu.