Co jeśli... rozwiążemy fundamentalne problemy fizyki. Wszystko czeka na teorię, z której nic nie może pochodzić

Co da nam odpowiedź na takie zagadki jak ciemna materia i ciemna energia, tajemnica początku Wszechświata, natura grawitacji, przewaga materii nad antymaterią, kierunek czasu, unifikacja grawitacji z innymi oddziaływaniami fizycznymi , wielka unifikacja sił natury w jedną podstawową, aż do tzw. teorii wszystkiego ?

Według Einsteina i wielu innych wybitnych współczesnych fizyków, celem fizyki jest właśnie stworzenie teorii wszystkiego (telewizja). Jednak koncepcja takiej teorii nie jest jednoznaczna. Znana jako teoria wszystkiego, ToE jest hipotetyczną teorią fizyczną, która konsekwentnie opisuje wszystko zjawiska fizyczne i pozwala przewidzieć wynik dowolnego eksperymentu. W dzisiejszych czasach to wyrażenie jest powszechnie używane do opisu teorii, które próbują nawiązać połączenie z ogólna teoria względności. Jak dotąd żadna z tych teorii nie uzyskała eksperymentalnego potwierdzenia.

Obecnie najbardziej zaawansowana teoria podająca się za TW opiera się na zasadzie holograficznej. 11-wymiarowa teoria M. Nie została jeszcze opracowana i przez wielu uważana jest za kierunek rozwoju, a nie faktyczną teorię.

Wielu naukowców wątpi, czy coś takiego jak „teoria wszystkiego” jest w ogóle możliwe iw najbardziej podstawowym sensie oparte na logice. Twierdzenie Kurta Gödla mówi, że każdy dostatecznie złożony system logiczny jest albo wewnętrznie niespójny (można w nim udowodnić zdanie i jego sprzeczność), albo niekompletny (są zdania trywialnie prawdziwe, których nie można udowodnić). Stanley Jackie zauważył w 1966 roku, że TW musi być złożoną i spójną teorią matematyczną, więc nieuchronnie będzie niekompletna.

Teoria wszystkiego ma swój szczególny, oryginalny i emocjonalny sposób. hipoteza holograficzna (1), przeniesienie zadania na nieco inny plan. Fizyka czarnych dziur wydaje się wskazywać, że nasz wszechświat nie jest tym, co mówią nam nasze zmysły. Otaczająca nas rzeczywistość może być hologramem, czyli rzut dwuwymiarowej płaszczyzny. Dotyczy to również samego twierdzenia Gödla. Ale czy taka teoria wszystkiego rozwiązuje jakiekolwiek problemy, czy pozwala stawić czoła wyzwaniom cywilizacji?

Opisz wszechświat. Ale czym jest wszechświat?

Obecnie mamy dwie nadrzędne teorie, które wyjaśniają prawie wszystkie zjawiska fizyczne: Teoria grawitacji Einsteina (ogólna teoria względności) ja. Pierwsza dobrze wyjaśnia ruch obiektów makro, od piłek nożnych po galaktyki. ma dużą wiedzę na temat atomów i cząstek subatomowych. Problemem jest te dwie teorie opisują nasz świat w zupełnie inny sposób. W mechanice kwantowej wydarzenia rozgrywają się na ustalonym tle. czasoprzestrzeń – podczas gdy w jest elastyczne. Jak będzie wyglądać kwantowa teoria zakrzywionej czasoprzestrzeni? Nie wiemy.

Pierwsze próby stworzenia jednolitej teorii wszystkiego pojawiły się wkrótce po publikacji ogólna teoria względnościzanim zrozumiemy podstawowe prawa rządzące siłami jądrowymi. Te pojęcia, znane jako Teoria Kaluzi-Kleina, starał się połączyć grawitację z elektromagnetyzmem.

Przez dziesięciolecia teoria strun, która przedstawia materię jako złożoną z małe wibrujące struny Lub pętla energetyczna, uważany jest za najlepszy do tworzenia ujednolicona teoria fizyki. Jednak niektórzy fizycy wolą kPętla wantowa grawitacyjnaw którym sama przestrzeń kosmiczna składa się z maleńkich pętli. Jednak ani teoria strun, ani pętlowa grawitacja kwantowa nie zostały eksperymentalnie zweryfikowane.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT), łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych, przedstawiają oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego oddziaływania. Jednak żadna z poprzednich wielkich teorii zunifikowanych nie uzyskała eksperymentalnego potwierdzenia. Wspólną cechą wielkiej zunifikowanej teorii jest przewidywanie rozpadu protonu. Ten proces nie został jeszcze zaobserwowany. Wynika z tego, że czas życia protonu musi wynosić co najmniej 1032 lata.

Model Standardowy z 1968 roku zjednoczył silne, słabe i elektromagnetyczne siły pod jednym nadrzędnym parasolem. Uwzględniono wszystkie cząstki i ich interakcje oraz dokonano wielu nowych przewidywań, w tym jednej dużej prognozy unifikacji. Przy wysokich energiach, rzędu 100 GeV (energia wymagana do przyspieszenia pojedynczego elektronu do potencjału 100 miliardów woltów), zostanie przywrócona symetria jednocząca siły elektromagnetyczne i słabe.

Przepowiedziano istnienie nowych, a odkrycie bozonów W i Z w 1983 roku potwierdziło się. Cztery główne siły zostały zredukowane do trzech. Ideą unifikacji jest to, że wszystkie trzy siły Modelu Standardowego, a być może nawet wyższa energia grawitacji, są połączone w jedną strukturę.

2. Równanie Langrange'a opisujące Model Standardowy podzielony na pięć składowych.

Niektórzy sugerują, że przy jeszcze wyższych energiach, być może około Skala Plancka, grawitacja również się połączy. Jest to jedna z głównych motywacji teorii strun. Bardzo interesujące w tych pomysłach jest to, że jeśli chcemy zjednoczenia, musimy przywrócić symetrię przy wyższych energiach. A jeśli są obecnie zepsute, prowadzi to do czegoś obserwowalnego, nowych cząstek i nowych interakcji.

Lagrangean Modelu Standardowego jest jedynym równaniem opisującym cząstki i wpływ Modelu Standardowego (2). Składa się z pięciu niezależnych części: o gluonach w strefie 1 równania, o słabych bozonach w części oznaczonej dwoma, oznaczonej trzema, to matematyczny opis interakcji materii ze słabym oddziaływaniem i polem Higgsa, cząstki duchów, które odejmują nadmiar pola Higgsa w częściach czwartego i duchy opisane w piątym Fadeev-Popovktóre wpływają na redundancję słabej interakcji. Masy neutrin nie są brane pod uwagę.

Chociaż Model standardowy możemy zapisać to jako pojedyncze równanie, nie jest to tak naprawdę jednorodna całość w tym sensie, że istnieje wiele oddzielnych, niezależnych wyrażeń, które rządzą różnymi składnikami wszechświata. Poszczególne części Modelu Standardowego nie oddziałują ze sobą, ponieważ ładunek barwny nie wpływa na oddziaływania elektromagnetyczne i słabe, a pytania pozostają bez odpowiedzi, dlaczego oddziaływania, które powinny wystąpić, na przykład naruszenie CP w oddziaływaniach silnych, nie działają. odbywać się.

Po przywróceniu symetrii (u szczytu potencjału) następuje zjednoczenie. Jednak załamanie symetrii na samym dole jest zgodne z dzisiejszym wszechświatem, wraz z nowymi rodzajami masywnych cząstek. Czym więc „ze wszystkiego” powinna być ta teoria? Ten, który jest, czyli prawdziwy asymetryczny wszechświat lub jeden i symetryczny, ale ostatecznie nie ten, z którym mamy do czynienia.

Zwodnicze piękno „kompletnych” modeli

Lars English w The No Theory of Everything twierdzi, że nie ma jednego zestawu reguł, które mogłyby: połączyć ogólną teorię względności z mechaniką kwantowąponieważ to, co jest prawdziwe na poziomie kwantowym, niekoniecznie jest prawdziwe na poziomie grawitacji. A im większy i bardziej złożony system, tym bardziej różni się od swoich elementów składowych. „Nie chodzi o to, że te reguły grawitacji są sprzeczne z mechaniką kwantową, ale że nie można ich wyprowadzić z fizyki kwantowej”, pisze.

Cała nauka, celowo lub nie, opiera się na przesłance ich istnienia. obiektywne prawa fizycznektóre pociągają za sobą wzajemnie zgodny zestaw fundamentalnych postulatów fizycznych opisujących zachowanie fizycznego wszechświata i wszystkiego w nim. Oczywiście taka teoria nie zawiera pełnego wyjaśnienia ani opisu wszystkiego, co istnieje, ale najprawdopodobniej wyczerpująco opisuje wszystkie weryfikowalne procesy fizyczne. Logicznie rzecz biorąc, jedną z bezpośrednich korzyści takiego zrozumienia TW byłoby zaprzestanie eksperymentów, w których teoria przewiduje negatywne wyniki.

Większość fizyków będzie musiała przestać prowadzić badania i zarabiać na życie nauczaniem, a nie badaniami. Jednak opinii publicznej prawdopodobnie nie obchodzi, czy siłę grawitacji można wytłumaczyć krzywizną czasoprzestrzeni.

Oczywiście istnieje inna możliwość – Wszechświat po prostu się nie zjednoczy. Symetrie, do których doszliśmy, są po prostu naszymi własnymi matematycznymi wynalazkami i nie opisują fizycznego wszechświata.

W głośnym artykule dla Nautil.Us Sabina Hossenfelder (3), naukowiec z Frankfurt Institute for Advanced Study, oceniła, że ​​„cała idea teorii wszystkiego opiera się na nienaukowym założeniu”. „To nie jest najlepsza strategia rozwoju teorii naukowych. (…) Poleganie na pięknie w rozwoju teorii historycznie słabo się sprawdzało”. Jej zdaniem nie ma powodu, aby opisywać naturę teorią wszystkiego. Chociaż potrzebujemy kwantowej teorii grawitacji, aby uniknąć logicznej niespójności praw natury, siły w Modelu Standardowym nie muszą być ujednolicone i nie muszą być ujednolicone z grawitacją. Byłoby miło, tak, ale to niepotrzebne. Model standardowy działa dobrze bez unifikacji – podkreśla badaczka. Natury wyraźnie nie obchodzi, co fizycy uważają za piękną matematykę, mówi ze złością pani Hossenfelder. W fizyce przełomy w rozwoju teoretycznym wiążą się z rozwiązaniem niespójności matematycznych, a nie z pięknymi i „skończonymi” modelami.

Pomimo tych trzeźwych napomnień, wciąż pojawiają się nowe propozycje teorii wszystkiego, takie jak Wyjątkowo prosta teoria wszystkiego Garretta Lisiego, opublikowana w 2007 roku. Ma tę cechę, że prof. Hossenfelder jest piękny i można go pięknie pokazać dzięki atrakcyjnym wizualizacjom (4). Ta teoria, zwana E8, twierdzi, że kluczem do zrozumienia wszechświata jest obiekt matematyczny w postaci symetrycznej rozety.

Lisi stworzył tę strukturę, wykreślając cząstki elementarne na wykresie, który uwzględnia również znane interakcje fizyczne. Rezultatem jest złożona ośmiowymiarowa struktura matematyczna składająca się z 248 punktów. Każdy z tych punktów reprezentuje cząstki o różnych właściwościach. Na diagramie znajduje się grupa cząstek, których „brakuje” pewnych właściwości. Przynajmniej niektóre z tych „brakujących” teoretycznie mają coś wspólnego z grawitacją, wypełniając lukę między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności.

4. Teoria wizualizacji E8

Fizycy muszą więc pracować, aby wypełnić „gniazdo lisa”. Jeśli to się powiedzie, co się stanie? Wielu sarkastycznie odpowiada, że ​​nic specjalnego. Tylko ładny obrazek byłby gotowy. Ta konstrukcja może być cenna w tym sensie, ponieważ pokazuje nam, jakie byłyby rzeczywiste konsekwencje skompletowania „teorii wszystkiego”. Być może nieistotne w sensie praktycznym.