Šta ako... rešimo fundamentalne probleme u fizici. Sve čeka teoriju iz koje ništa ne može proizaći

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

Prema Ajnštajnu i mnogih drugih izvanrednih modernih fizičara, cilj fizike je upravo stvaranje teorije svega (TV). Međutim, koncept takve teorije nije jednoznačan. Poznata kao teorija svega, ToE je hipotetička fizička teorija koja dosljedno sve opisuje fizičke pojave i omogućava vam da predvidite rezultat bilo kojeg eksperimenta. Danas se ova fraza obično koristi za opisivanje teorija koje pokušavaju uspostaviti vezu s njima opšta teorija relativnosti. Do sada nijedna od ovih teorija nije dobila eksperimentalnu potvrdu.

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

Mnogi naučnici sumnjaju da je nešto poput "teorije svega" uopšte moguće, i to u najosnovnijem smislu, zasnovano na logici. Teorema Kurta Gödela kaže da je svaki dovoljno složen logički sistem ili interno nekonzistentan (može se dokazati rečenica i njena kontradiktornost 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 nekompletna.

Postoji poseban, originalan i emotivan način teorije svega. holografska hipoteza (1), prebacujući zadatak na nešto drugačiji plan. Čini se da fizika crne rupe ukazuje da naš univerzum nije ono što nam naša čula govore. Realnost koja nas okružuje može biti hologram, tj. projekcija dvodimenzionalne ravni. Ovo važi i za samu Gedelovu teoremu. Ali da li takva teorija svega rješava ikakve probleme, dozvoljava li nam da se suočimo sa izazovima civilizacije?

Opišite univerzum. Ali šta je svemir?

Trenutno imamo dvije sveobuhvatne teorije koje objašnjavaju gotovo sve fizičke pojave: Ajnštajnova teorija gravitacije (opšta relativnost) i. Prvi dobro objašnjava kretanje makro objekata, od fudbalskih lopti do galaksija. veoma 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-vreme – dok je w fleksibilan. Kako će izgledati kvantna teorija zakrivljenog prostor-vremena? Ne znamo.

Prvi pokušaji da se stvori jedinstvena teorija svega pojavili su se ubrzo nakon objavljivanja opšta teorija relativnostiprije nego što shvatimo fundamentalne zakone koji upravljaju nuklearnim silama. Ovi koncepti, poznati kao Calusi-Klein teorija, pokušao je kombinirati gravitaciju s elektromagnetizmom.

Decenijama postoji teorija struna, koja predstavlja materiju kao da je sastavljena od sićušne vibrirajuće žice ili energetska petlja, smatra se najboljim za kreiranje jedinstvena teorija fizike. Međutim, neki fizičari preferiraju kgravitacija petlje sa kablovimau kojoj je sam vanjski prostor sastavljen od sićušnih petlji. Međutim, ni teorija struna ni kvantna gravitacija u petlji nisu eksperimentalno testirani.

Velike unificirane teorije (GUT), koje kombinuju kvantnu hromodinamiku i teoriju elektroslabih interakcija, predstavljaju jake, slabe i elektromagnetne interakcije kao manifestaciju jedne jedine interakcije. Međutim, nijedna od prethodnih teorija velikog ujedinjenja nije dobila eksperimentalnu potvrdu. Zajednička karakteristika 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 elektromagnetne sile pod jednim sveobuhvatnim kišobranom. Razmotrene su sve čestice i njihove interakcije, i napravljena su 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 elektromagnetne i slabe sile.

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

2. Langrangeova jednačina koja opisuje standardni model, podijeljena na pet komponenti.

Neki su sugerirali da pri još višim energijama, možda okolo Plankova skala, gravitacija će se takođe kombinovati. Ovo je jedna od glavnih motivacija teorije struna. Ono što je veoma interesantno u vezi sa ovim idejama je da ako želimo ujedinjenje, moramo da vratimo simetriju na višim energijama. A ako su trenutno pokvareni, to vodi do nečega vidljivog, novih čestica i novih interakcija.

Lagranžijan standardnog modela je jedina jednačina koja opisuje čestice i uticaj Standardnog modela (2). Sastoji se od pet nezavisnih delova: o gluonima u zoni 1 jednačine, slabim bozonima u delu označenom sa dva, označenom sa tri, matematički je opis interakcije materije sa slabom silom i Higsovim poljem, česticama duha koje oduzimaju višak Higsovog polja u dijelovima četvrtog, i duhovi opisani pod pet Fadejev-Popovkoji utiču na redundantnost slabe interakcije. Mase neutrina se ne uzimaju u obzir.

Iako Standardni model možemo to zapisati kao jednu jednačinu, to zapravo nije homogena celina u smislu da postoji mnogo odvojenih, nezavisnih izraza koji upravljaju različitim komponentama univerzuma. Odvojeni dijelovi Standardnog modela ne stupaju u interakciju jedni s drugima, jer naboj boje ne utiče na elektromagnetne i slabe interakcije, a ostaju neodgovorena pitanja zašto interakcije do kojih bi trebalo doći, na primjer, kršenje CP u jakim interakcijama, ne funkcioniraju. zauzmi mjesto.

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

Varljiva ljepota "kompletnih" modela

Lars English, u knjizi The No Theory of Everything, tvrdi da ne postoji jedinstven skup pravila koji bi to mogao kombinuju opštu relativnost sa kvantnom mehanikomjer ono što je istinito na kvantnom nivou nije nužno tačno i na nivou gravitacije. I što je sistem veći i složeniji, to se više razlikuje od svojih sastavnih elemenata. "Poenta 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 nauka, namjerno ili ne, zasniva se na premisi njihovog postojanja. objektivni fizički zakonikoji podrazumevaju međusobno kompatibilan skup osnovnih fizičkih postulata koji opisuju ponašanje fizičkog univerzuma i svega u njemu. Naravno, takva teorija ne podrazumijeva potpuno objašnjenje ili opis svega što postoji, ali, najvjerovatnije, 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 će morati da prestane da istražuje i živi od nastave, a ne od istraživanja. Međutim, javnost vjerovatno nije briga da li se sila gravitacije može objasniti u smislu zakrivljenosti prostor-vremena.

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

U visokom članku za Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), naučnica sa Frankfurtskog instituta za napredne studije, ocijenila je da je "cijela ideja teorije svega zasnovana na nenaučnoj pretpostavci". “Ovo nije najbolja strategija za razvoj naučnih teorija. (...) Oslanjanje na lepotu u razvoju teorije je kroz istoriju loše delovalo.” Po njenom mišljenju, nema razloga da se priroda opisuje teorijom svega. Dok nam je potrebna kvantna teorija gravitacije da bismo izbjegli logičku nedosljednost u zakonima prirode, sile u Standardnom modelu ne moraju biti ujedinjene i ne moraju biti ujedinjene sa gravitacijom. Bilo bi lijepo, da, ali je nepotrebno. Standardni model dobro funkcionira bez unifikacije, naglašava istraživač. Prirodu očigledno nije briga šta fizičari misle da je prelepa matematika, ljutito kaže gospođa Hosenfelder. U fizici se pomaci u teorijskom razvoju povezuju s rješavanjem matematičkih nedosljednosti, a ne s lijepim i "gotovim" modelima.

Uprkos ovim trezvenim upozorenjima, stalno se iznose novi prijedlozi za teoriju svega, kao što je Izuzetno jednostavna teorija svega Garretta Lisija, objavljena 2007. Ima osobinu koju prof. Hossenfelder je lijep i može se lijepo prikazati sa atraktivnim vizualizacijama (4). Ova teorija, nazvana E8, tvrdi da je ključ za razumijevanje univerzuma matematički objekat u obliku simetrične rozete.

Lisi je stvorio ovu strukturu iscrtavanjem elementarnih čestica na grafu koji također uzima u obzir poznate fizičke interakcije. Rezultat je složena osmodimenzionalna matematička struktura od 248 tačaka. Svaka od ovih tačaka predstavlja čestice sa različitim svojstvima. Na dijagramu postoji grupa čestica sa određenim svojstvima koja „nedostaju“. Barem neki od ovih "nestalih" teoretski imaju neke veze sa gravitacijom, premošćujući jaz između kvantne mehanike i opšte teorije relativnosti.

4. Teorija vizualizacije E8

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