Що, якщо... ми вирішимо фундаментальні проблеми у фізиці. Все чекає на теорію, з якої нічого не може вийти
Що дасть нам розгадка таких загадок, як темна матерія та темна енергія, таємниця початку Всесвіту, природа гравітації, перевага матерії над антиматерією, напрямок часу, поєднання гравітації з іншими фізичними взаємодіями, велике об'єднання сил природи в одну основну, аж до так званого теорія всього ?
Згідно з Ейнштейном і багатьох інших видатних сучасних фізиків мета фізики таки полягає у тому, щоб створити теорію всього (ТВ). Однак концепція такої теорії не є однозначною. Відома як теорія всього, ToE, це гіпотетична фізична теорія, що послідовно описує все фізичні явища і дозволяє передбачити результат будь-якого експерименту. В даний час ця фраза зазвичай використовується для опису теорій, які намагаються встановити зв'язок з загальна теорія відносності. Поки що жодна з таких теорій не отримала експериментального підтвердження.
В даний час найпередовіша теорія, що претендує на звання TW, заснована на голографічному принципі. 11-мірна М-теорія. Він ще розроблений і багатьма вважається напрямом розвитку, а чи не фактичної теорією.
Багато вчених сумніваються, що щось на зразок «теорії всього» взагалі можливо, причому в самому базовому сенсі, заснованому на логіці. Теорема Курта Геделя каже, що будь-яка досить складна логічна система або внутрішньо суперечлива (можна довести пропозицію та її суперечність у ньому), або неповна (існують тривіально справжні пропозиції, які не можна довести). Стенлі Джакі зауважив у 1966 році, що TW має бути складною та послідовною математичною теорією, тому вона неминуче буде неповною.
Існує особливий, оригінальний та емоційний спосіб теорії всього. голографічна гіпотеза (1), перекладаючи завдання дещо інший план. Фізика чорних дірок, мабуть, вказує на те, що наш Всесвіт — це не те, що нам кажуть наші почуття. Реальність, яка оточує, може бути голограмою, тобто. проекцією двовимірної площини. Це стосується і самої теореми Геделя. Але чи вирішує така теорія всі проблеми, чи дозволяє нам протистояти викликам цивілізації?
Опишіть всесвіт. Але який всесвіт?
В даний час у нас є дві всеосяжні теорії, що пояснюють майже всі фізичні явища: Теорія гравітації Ейнштейна (Загальна теорія відносності) i. Перша добре пояснює рух макрооб'єктів, від футбольних м'ячів до галактик. він дуже добре розуміється на атомах і субатомних частках. Проблема в тому що ці дві теорії абсолютно по-різному описують наш світ. У квантовій механіці події відбуваються на фіксованому тлі. простір-час - У той час як w є гнучким. Як виглядатиме квантова теорія викривленого простору-часу? Ми не знаємо.
Перші спроби створити єдину теорію всього з'явилися незабаром після публікації загальна теорія відносностіперш ніж ми зрозуміємо фундаментальні закони, які керують ядерними силами. Ці поняття, відомі як Теорія Калузі-Клейна, прагнув поєднати гравітацію з електромагнетизмом.
Протягом десятиліть теорія струн, яка представляє матерію, що складається з крихітні вібруючі струни або енергетична петля, вважається найкращим для створення єдина теорія фізики. Однак деякі фізики віддають перевагу kвантова петльова гравітаційнав якому саме космічний простір складається з крихітних петель. Проте ні теорія струн, ні петльова квантова гравітація були експериментально перевірені.
Теорії великого об'єднання (ТВО), що поєднують квантову хромодинаміку і теорію електрослабких взаємодій, становлять сильну, слабку та електромагнітну взаємодії як прояв єдиної взаємодії. Однак і жодна з попередніх теорій великого об'єднання не отримала експериментального підтвердження. Загальною рисою теорії великого поєднання є передбачення розпаду протона. Цей процес поки що не спостерігається. Звідси випливає, що життя протона має бути щонайменше 1032 років.
Стандартна модель 1968 року об'єднала сильні, слабкі та електромагнітні взаємодії під однією всеосяжною парасолькою. Були розглянуті всі частинки та їх взаємодії, і було зроблено багато нових передбачень, у тому числі одне велике пророцтво про об'єднання. При високих енергіях, близько 100 ГеВ (енергія, необхідна для прискорення одного електрона до потенціалу 100 мільярдів вольт), буде відновлено симетрію, що поєднує електромагнітну та слабку взаємодії.
Було передбачено існування нових, і з відкриттям бозонів W і Z 1983 року ці передбачення підтвердилися. Чотири основні сили було скорочено до трьох. Ідея об'єднання полягає в тому, що всі три сили Стандартної моделі та, можливо, навіть вищої енергії гравітації об'єднуються в одну структуру.
2. Рівняння Лангранжа, що описує стандартну модель, розбите на п'ять складових.
Дехто припускав, що при ще більш високих енергіях, можливо, близько Планківська шкала, Сила тяжіння також об'єднається. Це з основних мотивів теорії струн. Що дуже цікаво в цих ідеях, то це те, що якщо ми хочемо об'єднання, ми повинні відновити симетрію при вищих енергіях. І якщо вони в даний час зламані, це призводить до чогось спостерігається, нових частинок і нових взаємодій.
Лагранжіан Стандартної моделі - це єдине рівняння, що описує частинки i вплив Стандартної моделі (2). Воно складається з п'яти незалежних частин: про глюони в зоні 1 рівняння, слабкі бозони в частині, зазначеній двома, зазначеної трьома, є математичним описом того, як матерія взаємодіє зі слабкою взаємодією і полем Хіггса, частинками-привидами, які віднімають перевищення поля Хіггса частини четвертої, а парфуми, описані під п'ятьма Фадєєв-Поповякі впливають на надмірність слабкої взаємодії. Маси нейтрино не враховуються.
Хоча стандартна модель ми можемо записати як одне рівняння, насправді це однорідне ціле тому, що є безліч окремих, незалежних висловів, управляючих різними компонентами всесвіту. Окремі частини Стандартної моделі не взаємодіють одна з одною, оскільки колірний заряд не впливає на електромагнітну та слабку взаємодію, і залишаються без відповіді питання, чому взаємодії, які мають відбуватися, наприклад, порушення СР-симетрії при сильних взаємодіях, не діють. відбуватися.
Коли симетрії відновлюються (на піку потенціалу) відбувається об'єднання. Однак порушення симетрії в самому низу відповідає Всесвіту, який ми маємо сьогодні, поряд з новими видами масивних частинок. То якою ж «з усього» має бути ця теорія? Та, що є, тобто. реальний асиметричний Всесвіт чи єдиний і симетричний, але зрештою не той, з яким ми маємо справу.
Оманлива краса «комплектних» моделей
Ларс Інгліш у книзі «Теорії всього не існує» стверджує, що не існує єдиного набору правил, який міг би поєднати загальну теорію відносності з квантовою механікоютому що те, що вірне на квантовому рівні, не обов'язково вірне на рівні гравітації. І чим більша і складніша система, тим більше вона відрізняється від її елементів. "Справа не в тому, що ці правила гравітації суперечать квантовій механіці, але і в тому, що вони не можуть бути виведені з квантової фізики", - пише він.
Вся наука, навмисно чи ні, ґрунтується на передумові їхнього існування. об'єктивні фізичні закониякі спричиняють взаємно сумісний набір фундаментальних фізичних постулатів, що описують поведінку фізичного всесвіту і всього в ньому. Звичайно, така теорія не тягне за собою повного пояснення або опису всього існуючого, але, швидше за все, вичерпно описує всі фізичні процеси, що перевіряються. За логікою речей, однією з безпосередніх переваг такого розуміння TW було припинення експериментів, у яких теорія передбачає негативні результати.
Більшості вчених-фізиків доведеться припинити дослідження та заробляти на життя викладанням, а не дослідженнями. Проте громадськості, мабуть, однаково, як і тому, чи можна пояснити силу гравітації з погляду викривлення простору-часу.
Звичайно, є й інша можливість — Всесвіт просто не поєднається. Симетрії, до яких ми прийшли, є нашими власними математичними винаходами і не описують фізичний всесвіт.
У гучній статті для Nautil.Us Сабіна Хоссенфельдер (3), вчений із Франкфуртського інституту перспективних досліджень, оцінила, що «вся ідея теорії всього ґрунтується на ненауковому припущенні». «Це не найкраща стратегія для розвитку наукових теорій. (…) Опора на красу у розвитку теорії історично працювала погано». На її думку, немає жодних підстав для того, щоб природа описувалася теорією всього. У той час, як нам потрібна квантова теорія гравітації, щоб уникнути логічної невідповідності в законах природи, сили в Стандартній моделі не потрібно поєднувати і не поєднувати з гравітацією. Було б непогано, але це непотрібно. Стандартна модель добре працює без уніфікації, наголошує дослідник. Природі явно все одно, що фізики вважають красивою математикою, зло каже пані Хоссенфельдер. У фізиці прориви в теоретичному розвитку пов'язані з вирішенням математичних невідповідностей, а не з красивими та «закінченими» моделями.
Незважаючи на ці тверезі умовляння, постійно висуваються нові пропозиції теорії всього, як, наприклад, робота Гаррета Лісі «Винятково проста теорія всього», опублікована в 2007 році. У ньому є особливість, що проф. Хоссенфельдер прекрасний і його можна красиво показати за допомогою привабливої візуалізації (4). Ця теорія, звана E8, стверджує, що ключем до розуміння Всесвіту є математичний об'єкт у формі симетричної розетки.
Лізі створив цю структуру, завдавши елементарних частинок на графік, який також враховує відомі фізичні взаємодії. В результаті вийшла складна восьмивимірна математична структура із 248 точок. Кожна з цих точок є частинками з різними властивостями. На діаграмі є група частинок з певними властивостями, які відсутні. Принаймні деякі з цих «недостаючих» теоретично мають якесь відношення до гравітації, долаючи розрив між квантовою механікою та загальною теорією відносності.
4. Теорія візуалізації E8
Тож фізики мають працювати, щоб заповнити «Лисину розетку». Якщо це вдасться, що станеться? Багато хто уїдливо відповідає, що нічого особливого. Просто красива картинка була б закінчена. Ця побудова може бути цінною в цьому сенсі, оскільки вона показує нам, якими були б реальні наслідки завершення «теорії всього». Можливо, незначно у практичному сенсі.
