Dacă... rezolvăm probleme fundamentale din fizică. Totul așteaptă o teorie din care nimic nu poate veni

Ce ne va oferi răspunsul la mistere precum materia întunecată și energia întunecată, misterul începutului Universului, natura gravitației, avantajul materiei față de antimaterie, direcția timpului, unificarea gravitației cu alte interacțiuni fizice , marea unificare a forțelor naturii într-o singură bază, până la așa-numita teorie a tuturor?

Potrivit lui Einstein și mulți alți fizicieni moderni remarcabili, scopul fizicii este tocmai acela de a crea o teorie a tuturor lucrurilor (TV). Cu toate acestea, conceptul unei astfel de teorii nu este clar. Cunoscută sub numele de teoria tuturor, ToE este o teorie fizică ipotetică care descrie în mod constant totul fenomene fizice și vă permite să preziceți rezultatul oricărui experiment. În zilele noastre, această expresie este folosită în mod obișnuit pentru a descrie teoriile care încearcă să facă o legătură cu teoria generală a relativității. Până acum, niciuna dintre aceste teorii nu a primit confirmare experimentală.

În prezent, cea mai avansată teorie care pretinde a fi TW se bazează pe principiul holografic. Teoria M cu 11 dimensiuni. Nu a fost încă dezvoltat și este considerat de mulți mai degrabă o direcție de dezvoltare decât o teorie reală.

Mulți oameni de știință se îndoiesc că ceva de genul unei „teorii a tuturor” este chiar posibil și, în cel mai elementar sens, se bazează pe logică. Teorema Kurt Gödel spune că orice sistem logic suficient de complex este fie inconsecvent intern (se poate dovedi o propoziție și contradicția ei în ea), fie incomplet (există propoziții trivial adevărate care nu pot fi dovedite). Stanley Jackie a remarcat în 1966 că TW trebuie să fie o teorie matematică complexă și coerentă, deci va fi inevitabil incompletă.

Există o modalitate specială, originală și emoționantă a teoriei tuturor lucrurilor. ipoteza holografică (1), transferând sarcina într-un plan ușor diferit. Fizica găurilor negre pare să indice că universul nostru nu este ceea ce simțurile noastre ne spun. Realitatea care ne înconjoară poate fi o hologramă, adică. proiecția unui plan bidimensional. Acest lucru este valabil și pentru teorema lui Gödel în sine. Dar o astfel de teorie a tuturor rezolvă probleme, ne permite să ne confruntăm cu provocările civilizației?

Descrie universul. Dar ce este universul?

În prezent avem două teorii generale care explică aproape toate fenomenele fizice: Teoria gravitației a lui Einstein (relativitatea generală) i. Prima explică bine mișcarea obiectelor macro, de la mingi de fotbal la galaxii. este foarte informat despre atomi și particule subatomice. Problema este că aceste două teorii descriu lumea noastră în moduri complet diferite. În mecanica cuantică, evenimentele au loc pe un fundal fix. spațiu timp – în timp ce w este flexibil. Cum va arăta teoria cuantică a spațiului-timp curbat? Nu știm.

Primele încercări de a crea o teorie unificată a tuturor au apărut la scurt timp după publicare teoria generală a relativitățiiînainte de a înțelege legile fundamentale care guvernează forțele nucleare. Aceste concepte, cunoscute ca Teoria Kaluzi-Klein, a căutat să combine gravitația cu electromagnetismul.

De zeci de ani, teoria corzilor, care reprezintă materia ca fiind alcătuită din corzi mici care vibrează sau bucla de energie, este considerat cel mai bun pentru a crea teoria unificată a fizicii. Cu toate acestea, unii fizicieni preferă kgravitație în buclă cu tirantîn care spațiul însuși este alcătuit din bucle minuscule. Cu toate acestea, nici teoria corzilor și nici gravitația cuantică în buclă nu au fost testate experimental.

Marile teorii unificate (GUT), care combină cromodinamica cuantică și teoria interacțiunilor electroslabe, reprezintă interacțiunile puternice, slabe și electromagnetice ca o manifestare a unei singure interacțiuni. Cu toate acestea, niciuna dintre teoriile mari unificate anterioare nu a primit confirmare experimentală. O caracteristică comună a teoriei marii unificate este predicția dezintegrarii protonului. Acest proces nu a fost încă observat. De aici rezultă că durata de viață a unui proton trebuie să fie de cel puțin 1032 de ani.

Modelul standard din 1968 a unificat forțele puternice, slabe și electromagnetice sub o singură umbrelă. Au fost luate în considerare toate particulele și interacțiunile lor și au fost făcute multe predicții noi, inclusiv o mare predicție de unificare. La energii mari, de ordinul a 100 GeV (energia necesară pentru a accelera un singur electron la un potențial de 100 de miliarde de volți), va fi restabilită simetria care unifică forțele electromagnetice și cele slabe.

S-a prezis existența altora noi, iar odată cu descoperirea bosonilor W și Z în 1983, aceste predicții au fost confirmate. Cele patru forțe principale au fost reduse la trei. Ideea din spatele unificării este că toate cele trei forțe ale Modelului Standard și, posibil, chiar și energia mai mare a gravitației, sunt combinate într-o singură structură.

2. Ecuația Langrange care descrie Modelul Standard, împărțit în cinci componente.

Unii au sugerat că la energii chiar mai mari, poate în jur Scara Planck, gravitația se va combina și ea. Aceasta este una dintre principalele motivații ale teoriei corzilor. Ceea ce este foarte interesant la aceste idei este că, dacă vrem unificare, trebuie să restabilim simetria la energii superioare. Și dacă sunt rupte în prezent, duce la ceva observabil, noi particule și noi interacțiuni.

Lagrangianul modelului standard este singura ecuație care descrie particulele i influența modelului standard (2). Este format din cinci părți independente: despre gluoni din zona 1 a ecuației, bosoni slabi în partea marcată cu doi, marcată cu trei, este o descriere matematică a modului în care materia interacționează cu forța slabă și câmpul Higgs, particule fantomă care scad excesul câmpului Higgs în părți ale celui de-al patrulea și spiritele descrise sub cinci Fadeev-Popovcare afectează redundanţa interacţiunii slabe. Masele de neutrini nu sunt luate în considerare.

Deși Model standard o putem scrie ca o singură ecuație, nu este cu adevărat un întreg omogen în sensul că există multe expresii separate, independente care guvernează diferitele componente ale universului. Părți separate ale modelului standard nu interacționează între ele, deoarece încărcătura de culoare nu afectează interacțiunile electromagnetice și slabe, iar întrebările rămân fără răspuns de ce interacțiunile care ar trebui să apară, de exemplu, încălcarea CP în interacțiuni puternice, nu funcționează. avea loc.

Când simetriile sunt restaurate (la vârful potențialului), are loc unificarea. Cu toate acestea, simetria care se sparge în partea de jos este în concordanță cu universul pe care îl avem astăzi, împreună cu noi tipuri de particule masive. Deci, care ar trebui să fie „din toate” această teorie? Cel care este, i.e. un adevărat univers asimetric, sau unul și simetric, dar în cele din urmă nu cel cu care avem de-a face.

Frumusețea înșelătoare a modelelor „complete”.

Lars English, în The No Theory of Everything, susține că nu există un singur set de reguli care ar putea combina relativitatea generală cu mecanica cuanticăpentru că ceea ce este adevărat la nivel cuantic nu este neapărat adevărat la nivelul gravitației. Și cu cât sistemul este mai mare și mai complex, cu atât se deosebește mai mult de elementele sale constitutive. „Ideea nu este că aceste reguli ale gravitației contrazic mecanica cuantică, ci că nu pot fi derivate din fizica cuantică”, scrie el.

Toată știința, intenționată sau nu, se bazează pe premisa existenței lor. legi fizice obiectivecare implică un set compatibil reciproc de postulate fizice fundamentale care descriu comportamentul universului fizic și tot ceea ce se află în el. Desigur, o astfel de teorie nu presupune o explicație sau descriere completă a tot ceea ce există, dar, cel mai probabil, descrie exhaustiv toate procesele fizice verificabile. În mod logic, unul dintre beneficiile imediate ale unei astfel de înțelegeri a TW ar fi oprirea experimentelor în care teoria prezice rezultate negative.

Majoritatea fizicienilor vor trebui să se oprească din cercetare și să-și câștige existența predând, nu cercetând. Cu toate acestea, publicului probabil nu-i pasă dacă forța gravitației poate fi explicată în termeni de curbură spațiu-timp.

Desigur, există o altă posibilitate - Universul pur și simplu nu se va uni. Simetriile la care am ajuns sunt pur și simplu propriile noastre invenții matematice și nu descriu universul fizic.

Într-un articol de mare profil pentru Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), un om de știință la Institutul de Studii Avansate din Frankfurt, a apreciat că „întreaga idee a unei teorii a totul se bazează pe o presupunere neștiințifică”. „Aceasta nu este cea mai bună strategie pentru dezvoltarea teoriilor științifice. (…) Bazarea pe frumusețe în dezvoltarea teoriei a funcționat prost istoric.” În opinia ei, nu există niciun motiv pentru ca natura să fie descrisă de o teorie a tuturor. Deși avem nevoie de o teorie cuantică a gravitației pentru a evita o inconsecvență logică în legile naturii, forțele din Modelul Standard nu trebuie să fie unificate și nu trebuie să fie unificate cu gravitația. Ar fi frumos, da, dar e inutil. Modelul standard funcționează bine fără unificare, subliniază cercetătorul. Natura în mod clar nu-i pasă de ceea ce fizicienii cred că este o matematică frumoasă, spune doamna Hossenfelder furioasă. În fizică, descoperirile în dezvoltarea teoretică sunt asociate cu soluționarea inconsecvențelor matematice, și nu cu modele frumoase și „terminate”.

În ciuda acestor admonestări sobre, noi propuneri pentru o teorie a totul sunt în mod constant înaintate, cum ar fi The Exceptionally Simple Theory of Everything de Garrett Lisi, publicată în 2007. Are caracteristica că Prof. Hossenfelder este frumos și poate fi arătat frumos cu vizualizări atractive (4). Această teorie, numită E8, susține că cheia înțelegerii universului este obiect matematic sub forma unei rozete simetrice.

Lisi a creat această structură prin trasarea particulelor elementare pe un grafic care ia în considerare și interacțiunile fizice cunoscute. Rezultatul este o structură matematică complexă în opt dimensiuni de 248 de puncte. Fiecare dintre aceste puncte reprezintă particule cu proprietăți diferite. Există un grup de particule în diagramă cu anumite proprietăți care „lipsesc”. Cel puțin unele dintre aceste „dispărute” au teoretic ceva de-a face cu gravitația, reducând decalajul dintre mecanica cuantică și relativitatea generală.

4. Teoria vizualizării E8

Așa că fizicienii trebuie să lucreze pentru a umple „priza Fox”. Dacă va reuși, ce se va întâmpla? Mulți răspund sarcastic că nimic special. Doar o imagine frumoasă ar fi terminată. Această construcție poate fi valoroasă în acest sens, întrucât ne arată care ar fi consecințele reale ale finalizării unei „teorii a totul”. Poate nesemnificativ în sens practic.