Čo ak... vyriešime základné problémy fyziky. Všetko čaká na teóriu, z ktorej nič nemôže prísť

Čo nám dá odpoveď na také záhady ako temná hmota a temná energia, záhada počiatku vesmíru, povaha gravitácie, výhoda hmoty nad antihmotou, smer času, zjednotenie gravitácie s inými fyzikálnymi interakciami? , veľké zjednotenie prírodných síl do jednej základnej, až po takzvanú teóriu všetkého ?

Podľa Einsteina a mnoho ďalších vynikajúcich moderných fyzikov, cieľom fyziky je práve vytvorenie teórie všetkého (TV). Pojem takejto teórie však nie je jednoznačný. ToE, známa ako teória všetkého, je hypotetická fyzikálna teória, ktorá dôsledne popisuje všetko fyzikálnych javov a umožňuje vám predpovedať výsledok akéhokoľvek experimentu. V súčasnosti sa táto fráza bežne používa na opis teórií, ktoré sa pokúšajú nadviazať spojenie všeobecná teória relativity. Zatiaľ žiadna z týchto teórií nebola experimentálne potvrdená.

V súčasnosti je najpokročilejšia teória vyhlasujúca sa za TW založená na holografickom princípe. 11-rozmerná M-teória. Ešte nebola vyvinutá a mnohí ju považujú skôr za smer vývoja než za skutočnú teóriu.

Mnohí vedci pochybujú, že niečo ako „teória všetkého“ je vôbec možné a v tom najzákladnejšom zmysle, založené na logike. Veta Kurta Gödela hovorí, že každý dostatočne zložitý logický systém je buď vnútorne nekonzistentný (dá sa dokázať veta a jej rozpor v nej) alebo neúplný (existujú triviálne pravdivé vety, ktoré nemožno dokázať). Stanley Jackie v roku 1966 poznamenal, že TW musí byť komplexná a koherentná matematická teória, takže bude nevyhnutne neúplná.

Existuje zvláštny, originálny a emocionálny spôsob teórie všetkého. holografická hypotéza (1), čím sa úloha presunie na trochu iný plán. Zdá sa, že fyzika čiernych dier naznačuje, že náš vesmír nie je taký, ako nám hovoria naše zmysly. Realita, ktorá nás obklopuje, môže byť hologram, t.j. premietanie dvojrozmernej roviny. To platí aj pre samotnú Gödelovu vetu. Rieši však takáto teória všetkého nejaké problémy, umožňuje nám čeliť civilizačným výzvam?

Opíšte vesmír. Ale čo je vesmír?

V súčasnosti máme dve zastrešujúce teórie, ktoré vysvetľujú takmer všetky fyzikálne javy: Einsteinova teória gravitácie (všeobecná relativita) i. Prvý dobre vysvetľuje pohyb makro objektov, od futbalových lôpt po galaxie. je veľmi dobre informovaný o atómoch a subatomárnych časticiach. Problém je v tom tieto dve teórie opisujú náš svet úplne odlišným spôsobom. V kvantovej mechanike sa udalosti odohrávajú na pevnom pozadí. časopriestor – pričom w je flexibilné. Ako bude vyzerať kvantová teória zakriveného časopriestoru? Nevieme.

Prvé pokusy o vytvorenie jednotnej teórie všetkého sa objavili už krátko po vydaní všeobecná teória relativitynež pochopíme základné zákony, ktorými sa riadia jadrové sily. Tieto pojmy, známe ako Kaluzi-Kleinova teória, sa snažil spojiť gravitáciu s elektromagnetizmom.

Desaťročia teória strún, ktorá predstavuje hmotu ako zloženú drobné vibrujúce struny alebo energetická slučka, je považovaný za najlepší na tvorbu jednotná teória fyziky. Niektorí fyzici však preferujú klanová gravitáciav ktorom samotný vonkajší priestor tvoria drobné slučky. Avšak ani teória strún, ani slučková kvantová gravitácia neboli experimentálne overené.

Veľké zjednotené teórie (GUT), spájajúce kvantovú chromodynamiku a teóriu elektroslabých interakcií, predstavujú silné, slabé a elektromagnetické interakcie ako prejav jedinej interakcie. Žiadna z predchádzajúcich veľkých zjednotených teórií však nedostala experimentálne potvrdenie. Spoločným znakom veľkej zjednotenej teórie je predpoveď rozpadu protónu. Tento proces ešte nebol pozorovaný. Z toho vyplýva, že životnosť protónu musí byť aspoň 1032 rokov.

Štandardný model z roku 1968 zjednotil silné, slabé a elektromagnetické sily pod jeden zastrešujúci dáždnik. Všetky častice a ich interakcie boli zvážené a bolo urobených mnoho nových predpovedí, vrátane jednej veľkej predpovede zjednotenia. Pri vysokých energiách, rádovo 100 GeV (energia potrebná na urýchlenie jedného elektrónu na potenciál 100 miliárd voltov), ​​sa obnoví symetria spájajúca elektromagnetické a slabé sily.

Predpovedala sa existencia nových a objavom bozónov W a Z v roku 1983 sa tieto predpovede potvrdili. Štyri hlavné sily sa zredukovali na tri. Myšlienkou zjednotenia je, že všetky tri sily Štandardného modelu a možno aj vyššia energia gravitácie sú spojené do jednej štruktúry.

2. Langrangeova rovnica popisujúca štandardný model, rozdelená do piatich komponentov.

Niektorí navrhli, že pri ešte vyšších energiách, možno okolo Planckova stupnica, spojí sa aj gravitácia. Toto je jedna z hlavných motivácií teórie strún. Na týchto myšlienkach je veľmi zaujímavé, že ak chceme zjednotenie, musíme obnoviť symetriu pri vyšších energiách. A ak sú momentálne rozbité, vedie to k niečomu pozorovateľnému, novým časticiam a novým interakciám.

Lagrangián štandardného modelu je jedinou rovnicou popisujúcou častice t.j vplyv štandardného modelu (2). Pozostáva z piatich nezávislých častí: o gluónoch v zóne 1 rovnice, o slabých bozónoch v časti označenej dvojkou, označenej trojkou, je matematickým popisom toho, ako hmota interaguje so slabou silou a Higgsovým poľom, častice duchov, ktoré odčítajú prebytok Higgsovho poľa v častiach štvrtého a duchov opísaných pod piatimi Fadeev-Popovktoré ovplyvňujú redundanciu slabej interakcie. Hmotnosti neutrín sa neberú do úvahy.

Hoci Štandardný model môžeme to napísať ako jedinú rovnicu, v skutočnosti to nie je homogénny celok v tom zmysle, že existuje veľa samostatných, nezávislých výrazov, ktorými sa riadia rôzne zložky vesmíru. Jednotlivé časti štandardného modelu spolu neinteragujú, pretože farebný náboj neovplyvňuje elektromagnetické a slabé interakcie a otázky zostávajú nezodpovedané, prečo nefungujú interakcie, ktoré by sa mali vyskytnúť, napríklad porušenie CP pri silných interakciách. konať.

Keď sa obnovia symetrie (na vrchole potenciálu), dôjde k zjednoteniu. Avšak symetria, ktorá sa láme úplne dole, je v súlade s vesmírom, ktorý máme dnes, spolu s novými druhmi masívnych častíc. Takže čo „zo všetkého“ by mala byť táto teória? Ten, ktorý je, t.j. skutočný asymetrický vesmír, alebo jeden a symetrický, ale v konečnom dôsledku nie ten, s ktorým máme do činenia.

Klamlivá krása „kompletných“ modelov

Lars English v knihe The No Theory of Everything tvrdí, že neexistuje jediný súbor pravidiel, ktorý by to dokázal spojiť všeobecnú teóriu relativity s kvantovou mechanikoupretože to, čo platí na kvantovej úrovni, nemusí nutne platiť na úrovni gravitácie. A čím je systém väčší a zložitejší, tým viac sa líši od svojich základných prvkov. „Ide o to, že tieto pravidlá gravitácie nie sú v rozpore s kvantovou mechanikou, ale že ich nemožno odvodiť z kvantovej fyziky,“ píše.

Celá veda, či už zámerne alebo nie, je založená na predpoklade ich existencie. objektívne fyzikálne zákonyktoré zahŕňajú vzájomne kompatibilný súbor základných fyzikálnych postulátov popisujúcich správanie sa fyzického vesmíru a všetkého v ňom. Takáto teória samozrejme nezahŕňa úplné vysvetlenie alebo opis všetkého, čo existuje, ale s najväčšou pravdepodobnosťou vyčerpávajúcim spôsobom opisuje všetky overiteľné fyzikálne procesy. Logicky, jednou z okamžitých výhod takéhoto chápania TW by bolo zastavenie experimentov, v ktorých teória predpovedá negatívne výsledky.

Väčšina fyzikov bude musieť prestať bádať a živiť sa vyučovaním, nie výskumom. Verejnosti je však zrejme jedno, či sa gravitačná sila dá vysvetliť z hľadiska zakrivenia časopriestoru.

Samozrejme, je tu aj iná možnosť – Vesmír sa jednoducho nezjednotí. Symetrie, ku ktorým sme dospeli, sú jednoducho naše vlastné matematické vynálezy a nepopisujú fyzický vesmír.

Vo vysokoprofilovom článku pre Nautil.Us Sabina Hossenfelder (3), vedkyňa z Frankfurtského inštitútu pre pokročilé štúdium, zhodnotila, že „celá myšlienka teórie všetkého je založená na nevedeckom predpoklade“. „Toto nie je najlepšia stratégia na rozvoj vedeckých teórií. (...) Spoliehanie sa na krásu vo vývoji teórie historicky fungovalo zle.“ Podľa nej nie je dôvod, aby bola príroda popisovaná teóriou všetkého. Zatiaľ čo potrebujeme kvantovú teóriu gravitácie, aby sme sa vyhli logickej nezrovnalosti v zákonoch prírody, sily v štandardnom modeli nemusia byť zjednotené a nemusia byť zjednotené s gravitáciou. Bolo by to pekné, áno, ale je to zbytočné. Štandardný model funguje dobre bez zjednotenia, zdôrazňuje výskumník. Prírodu zjavne nezaujíma, čo si fyzici myslia, že je krásna matematika, hovorí pani Hossenfelderová nahnevane. Vo fyzike sa prelomy v teoretickom vývoji spájajú s riešením matematických nezrovnalostí, a nie s krásnymi a „hotovými“ modelmi.

Napriek týmto triezvym napomenutiam sa neustále predkladajú nové návrhy teórie všetkého, ako napríklad Výnimočne jednoduchá teória všetkého od Garretta Lisiho, publikovaná v roku 2007. Má vlastnosť, ktorú prof. Hossenfelder je krásny a dá sa krásne ukázať pomocou atraktívnych vizualizácií (4). Táto teória s názvom E8 tvrdí, že kľúčom k pochopeniu vesmíru je matematický objekt vo forme symetrickej rozety.

Lisi vytvoril túto štruktúru vynesením elementárnych častíc do grafu, ktorý zohľadňuje aj známe fyzikálne interakcie. Výsledkom je zložitá osemrozmerná matematická štruktúra 248 bodov. Každý z týchto bodov predstavuje častice s rôznymi vlastnosťami. V diagrame je skupina častíc s určitými vlastnosťami, ktoré „chýbajú“. Aspoň niektoré z týchto „chýbajúcich“ majú teoreticky niečo spoločné s gravitáciou, čím premosťujú priepasť medzi kvantovou mechanikou a všeobecnou teóriou relativity.

4. Teória vizualizácie E8

Fyzici teda musia pracovať na vyplnení „Fox zásuvky“. Ak sa to podarí, čo sa stane? Mnohí sarkasticky odpovedajú, že nič zvláštne. Len pekný obrázok by bol hotový. Táto konštrukcia môže byť v tomto zmysle cenná, pretože nám ukazuje, aké by boli skutočné dôsledky dokončenia „teórie všetkého“. Možno bezvýznamné v praktickom zmysle.