Τι κι αν... λύσουμε θεμελιώδη προβλήματα στη φυσική. Όλα περιμένουν μια θεωρία από την οποία τίποτα δεν μπορεί να προέλθει

Τι θα μας δώσει την απάντηση σε τέτοια μυστήρια όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, το μυστήριο της αρχής του Σύμπαντος, η φύση της βαρύτητας, το πλεονέκτημα της ύλης έναντι της αντιύλης, η κατεύθυνση του χρόνου, η ενοποίηση της βαρύτητας με άλλες φυσικές αλληλεπιδράσεις , η μεγάλη ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης σε ένα βασικό, μέχρι τη λεγόμενη θεωρία των πάντων;

Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν και πολλών άλλων εξαιρετικών σύγχρονων φυσικών, ο στόχος της φυσικής είναι ακριβώς να δημιουργήσει μια θεωρία των πάντων (TV). Ωστόσο, η έννοια μιας τέτοιας θεωρίας δεν είναι μονοσήμαντη. Γνωστή ως η θεωρία των πάντων, η ToE είναι μια υποθετική φυσική θεωρία που περιγράφει με συνέπεια τα πάντα φυσικά φαινόμενα και σας επιτρέπει να προβλέψετε το αποτέλεσμα οποιουδήποτε πειράματος. Σήμερα, αυτή η φράση χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει θεωρίες που προσπαθούν να δημιουργήσουν μια σύνδεση γενική θεωρία της σχετικότητας. Μέχρι στιγμής, καμία από αυτές τις θεωρίες δεν έχει λάβει πειραματική επιβεβαίωση.

Προς το παρόν, η πιο προηγμένη θεωρία που ισχυρίζεται ότι είναι TW βασίζεται στην ολογραφική αρχή. 11-διάστατη θεωρία Μ. Δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί και θεωρείται από πολλούς ως κατεύθυνση ανάπτυξης παρά ως πραγματική θεωρία.

Πολλοί επιστήμονες αμφιβάλλουν ότι κάτι σαν «θεωρία των πάντων» είναι ακόμη δυνατό, και με την πιο βασική έννοια, βασίζεται στη λογική. Το θεώρημα του Kurt Gödel λέει ότι οποιοδήποτε αρκετά περίπλοκο λογικό σύστημα είναι είτε εσωτερικά ασυνεπές (μπορεί κανείς να αποδείξει μια πρόταση και την αντίφασή της σε αυτήν) είτε είναι ελλιπές (υπάρχουν ασήμαντα αληθείς προτάσεις που δεν μπορούν να αποδειχθούν). Ο Stanley Jackie παρατήρησε το 1966 ότι η TW πρέπει να είναι μια σύνθετη και συνεκτική μαθηματική θεωρία, επομένως θα είναι αναπόφευκτα ημιτελής.

Υπάρχει ένας ιδιαίτερος, πρωτότυπος και συναισθηματικός τρόπος της θεωρίας των πάντων. ολογραφική υπόθεση (1), μεταφέροντας την εργασία σε ένα ελαφρώς διαφορετικό σχέδιο. Η φυσική των μαύρων τρυπών φαίνεται να δείχνει ότι το σύμπαν μας δεν είναι αυτό που μας λένε οι αισθήσεις μας. Η πραγματικότητα που μας περιβάλλει μπορεί να είναι ένα ολόγραμμα, δηλ. προβολή ενός δισδιάστατου επιπέδου. Αυτό ισχύει και για το ίδιο το θεώρημα του Gödel. Αλλά μια τέτοια θεωρία των πάντων λύνει τυχόν προβλήματα, μας επιτρέπει να αντιμετωπίσουμε τις προκλήσεις του πολιτισμού;

Περιγράψτε το σύμπαν. Τι είναι όμως το σύμπαν;

Αυτήν τη στιγμή έχουμε δύο γενικές θεωρίες που εξηγούν σχεδόν όλα τα φυσικά φαινόμενα: Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν (γενική σχετικότητα) i. Το πρώτο εξηγεί καλά την κίνηση μακρο-αντικειμένων, από μπάλες ποδοσφαίρου έως γαλαξίες. είναι πολύ γνώστης των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων. Το πρόβλημα είναι ότι αυτές οι δύο θεωρίες περιγράφουν τον κόσμο μας με εντελώς διαφορετικούς τρόπους. Στην κβαντομηχανική, τα γεγονότα λαμβάνουν χώρα σε ένα σταθερό υπόβαθρο. χωροχρόνος – ενώ το w είναι ευέλικτο. Πώς θα μοιάζει η κβαντική θεωρία του κυρτού χωροχρόνου; Δεν ξέρουμε.

Οι πρώτες προσπάθειες για τη δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας των πάντων εμφανίστηκαν λίγο μετά τη δημοσίευση γενική θεωρία της σχετικότηταςπριν καταλάβουμε τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν τις πυρηνικές δυνάμεις. Αυτές οι έννοιες, γνωστές ως Θεωρία Kaluzi-Klein, προσπάθησε να συνδυάσει τη βαρύτητα με τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Για δεκαετίες, η θεωρία χορδών, η οποία αντιπροσωπεύει την ύλη ως αποτελούμενη από μικροσκοπικές δονούμενες χορδές Lub ενεργειακό βρόχο, θεωρείται το καλύτερο για δημιουργία ενοποιημένη θεωρία της φυσικής. Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί προτιμούν το κβαρύτητα βρόχου καλωδίουστο οποίο ο ίδιος ο εξωτερικός χώρος αποτελείται από μικροσκοπικούς βρόχους. Ωστόσο, ούτε η θεωρία χορδών ούτε η κβαντική βαρύτητα βρόχου έχουν δοκιμαστεί πειραματικά.

Οι θεωρίες μεγάλης ενοποίησης (GUTs), που συνδυάζουν την κβαντική χρωμοδυναμική και τη θεωρία των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων, αντιπροσωπεύουν τις ισχυρές, αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ως εκδήλωση μιας ενοποιημένης αλληλεπίδρασης. Ωστόσο, καμία από τις προηγούμενες μεγάλες ενοποιημένες θεωρίες δεν έχει λάβει πειραματική επιβεβαίωση. Ένα κοινό χαρακτηριστικό της μεγάλης ενοποιημένης θεωρίας είναι η πρόβλεψη της διάσπασης του πρωτονίου. Αυτή η διαδικασία δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί. Από αυτό προκύπτει ότι η διάρκεια ζωής ενός πρωτονίου πρέπει να είναι τουλάχιστον 1032 χρόνια.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο του 1968 ένωσε τις ισχυρές, τις αδύναμες και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις κάτω από μια γενική ομπρέλα. Όλα τα σωματίδια και οι αλληλεπιδράσεις τους έχουν ληφθεί υπόψη και έχουν γίνει πολλές νέες προβλέψεις, συμπεριλαμβανομένης μιας μεγάλης πρόβλεψης ενοποίησης. Σε υψηλές ενέργειες, της τάξης των 100 GeV (η ενέργεια που απαιτείται για την επιτάχυνση ενός μόνο ηλεκτρονίου σε ένα δυναμικό 100 δισεκατομμυρίων βολτ), θα αποκατασταθεί η συμμετρία που ενοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς δυνάμεις.

Η ύπαρξη νέων είχε προβλεφθεί και με την ανακάλυψη των μποζονίων W και Z το 1983, αυτές οι προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν. Οι τέσσερις κύριες δυνάμεις μειώθηκαν σε τρεις. Η ιδέα πίσω από την ενοποίηση είναι ότι και οι τρεις δυνάμεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, και ίσως ακόμη και η υψηλότερη ενέργεια της βαρύτητας, συνδυάζονται σε μια δομή.

2. Η εξίσωση Langrange που περιγράφει το Καθιερωμένο Μοντέλο, χωρισμένη σε πέντε συνιστώσες.

Κάποιοι έχουν προτείνει ότι σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες, ίσως γύρω Κλίμακα Planck, η βαρύτητα θα συνδυαστεί επίσης. Αυτό είναι ένα από τα κύρια κίνητρα της θεωρίας χορδών. Αυτό που είναι πολύ ενδιαφέρον σε αυτές τις ιδέες είναι ότι αν θέλουμε ενοποίηση, πρέπει να αποκαταστήσουμε τη συμμετρία στις υψηλότερες ενέργειες. Και αν είναι επί του παρόντος σπασμένα, οδηγεί σε κάτι παρατηρήσιμο, νέα σωματίδια και νέες αλληλεπιδράσεις.

Το Lagrangian του Καθιερωμένου Μοντέλου είναι η μόνη εξίσωση που περιγράφει τα σωματίδια i επιρροή του Καθιερωμένου Μοντέλου (2). Αποτελείται από πέντε ανεξάρτητα μέρη: σχετικά με τα γλουόνια στη ζώνη 1 της εξίσωσης, αδύναμα μποζόνια στο τμήμα που σημειώνεται με δύο, σημειώνεται με τρία, είναι μια μαθηματική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο η ύλη αλληλεπιδρά με την ασθενή δύναμη και το πεδίο Higgs, σωματίδια φαντάσματα που αφαιρούν η περίσσεια του πεδίου Higgs σε μέρη του τέταρτου, και τα πνεύματα που περιγράφονται κάτω από πέντε Fadeev-Popovπου επηρεάζουν τον πλεονασμό της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Οι μάζες των νετρίνων δεν λαμβάνονται υπόψη.

αν και τυπικό μοντέλο μπορούμε να το γράψουμε ως μια ενιαία εξίσωση, δεν είναι πραγματικά ένα ομοιογενές σύνολο με την έννοια ότι υπάρχουν πολλές ξεχωριστές, ανεξάρτητες εκφράσεις που διέπουν τα διάφορα συστατικά του σύμπαντος. Ξεχωριστά μέρη του Καθιερωμένου Μοντέλου δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, επειδή το χρωματικό φορτίο δεν επηρεάζει τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις και τα ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα γιατί οι αλληλεπιδράσεις που θα πρέπει να συμβούν, για παράδειγμα, παραβίαση CP σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, δεν λειτουργούν. λαμβάνει χώρα.

Όταν αποκατασταθούν οι συμμετρίες (στην αιχμή του δυναμικού), επέρχεται ενοποίηση. Ωστόσο, η συμμετρία που σπάει στο κάτω μέρος είναι συνεπής με το σύμπαν που έχουμε σήμερα, μαζί με νέα είδη σωματιδίων μεγάλης μάζας. Τι «από όλα» θα έπρεπε να είναι αυτή η θεωρία; Αυτή που είναι, δηλ. ένα πραγματικό ασύμμετρο σύμπαν, ή ένα και συμμετρικό, αλλά τελικά όχι αυτό με το οποίο έχουμε να κάνουμε.

Η απατηλή ομορφιά των «ολοκληρωμένων» μοντέλων

Ο Lars English, στο The No Theory of Everything, υποστηρίζει ότι δεν υπάρχει ένα ενιαίο σύνολο κανόνων που θα μπορούσε συνδυάζουν τη γενική σχετικότητα με την κβαντική μηχανικήγιατί αυτό που είναι αληθινό σε κβαντικό επίπεδο δεν ισχύει απαραίτητα και στο επίπεδο της βαρύτητας. Και όσο μεγαλύτερο και πιο σύνθετο είναι το σύστημα, τόσο περισσότερο διαφέρει από τα συστατικά του στοιχεία. «Το θέμα δεν είναι ότι αυτοί οι κανόνες βαρύτητας έρχονται σε αντίθεση με την κβαντική μηχανική, αλλά ότι δεν μπορούν να προκύψουν από την κβαντική φυσική», γράφει.

Όλη η επιστήμη, ηθελημένα ή μη, βασίζεται στην υπόθεση της ύπαρξής τους. αντικειμενικοί φυσικοί νόμοιτα οποία συνεπάγονται ένα αμοιβαία συμβατό σύνολο θεμελιωδών φυσικών αξιωμάτων που περιγράφουν τη συμπεριφορά του φυσικού σύμπαντος και των πάντων σε αυτό. Φυσικά, μια τέτοια θεωρία δεν συνεπάγεται μια πλήρη εξήγηση ή περιγραφή όλων όσων υπάρχουν, αλλά, πιθανότατα, περιγράφει εξαντλητικά όλες τις επαληθεύσιμες φυσικές διαδικασίες. Λογικά, ένα από τα άμεσα οφέλη μιας τέτοιας κατανόησης του TW θα ήταν να σταματήσει πειράματα στα οποία η θεωρία προβλέπει αρνητικά αποτελέσματα.

Οι περισσότεροι φυσικοί θα πρέπει να σταματήσουν την έρευνα και να ζήσουν τη διδασκαλία, όχι την έρευνα. Ωστόσο, το κοινό πιθανότατα δεν ενδιαφέρεται αν η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να εξηγηθεί με βάση την καμπυλότητα του χωροχρόνου.

Φυσικά, υπάρχει μια άλλη πιθανότητα - το Σύμπαν απλά δεν θα ενωθεί. Οι συμμετρίες στις οποίες καταλήξαμε είναι απλώς δικές μας μαθηματικές εφευρέσεις και δεν περιγράφουν το φυσικό σύμπαν.

Σε ένα άρθρο υψηλού προφίλ για το Nautil.Us, η Sabina Hossenfelder (3), επιστήμονας στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών της Φρανκφούρτης, εκτίμησε ότι «η όλη ιδέα μιας θεωρίας των πάντων βασίζεται σε μια αντιεπιστημονική υπόθεση». «Αυτή δεν είναι η καλύτερη στρατηγική για την ανάπτυξη επιστημονικών θεωριών. (…) Η εξάρτηση από την ομορφιά στην ανάπτυξη της θεωρίας δεν λειτούργησε ιστορικά άσχημα». Κατά τη γνώμη της, δεν υπάρχει λόγος η φύση να περιγράφεται από μια θεωρία των πάντων. Ενώ χρειαζόμαστε μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας για να αποφύγουμε μια λογική ασυνέπεια στους νόμους της φύσης, οι δυνάμεις στο Καθιερωμένο Μοντέλο δεν χρειάζεται να ενοποιηθούν και δεν χρειάζεται να ενοποιηθούν με τη βαρύτητα. Θα ήταν ωραίο, ναι, αλλά είναι περιττό. Το τυπικό μοντέλο λειτουργεί καλά χωρίς ενοποίηση, τονίζει ο ερευνητής. Η φύση σαφώς δεν ενδιαφέρεται για το τι πιστεύουν οι φυσικοί ότι είναι όμορφα μαθηματικά, λέει θυμωμένη η κ. Hossenfelder. Στη φυσική, οι ανακαλύψεις στη θεωρητική ανάπτυξη συνδέονται με την επίλυση μαθηματικών ασυνεπειών και όχι με όμορφα και «τελειωμένα» μοντέλα.

Παρά αυτές τις νηφάλιες νουθεσίες, διαρκώς διατυπώνονται νέες προτάσεις για μια θεωρία των πάντων, όπως η The Exceptionally Simple Theory of Everything του Garrett Lisi, η οποία δημοσιεύτηκε το 2007. Έχει το χαρακτηριστικό ότι ο Prof. Ο Hossenfelder είναι όμορφος και μπορεί να παρουσιαστεί όμορφα με ελκυστικές απεικονίσεις (4). Αυτή η θεωρία, που ονομάζεται E8, ισχυρίζεται ότι το κλειδί για την κατανόηση του σύμπαντος είναι μαθηματικό αντικείμενο με τη μορφή συμμετρικής ροζέτας.

Η Lisi δημιούργησε αυτή τη δομή σχεδιάζοντας στοιχειώδη σωματίδια σε ένα γράφημα που λαμβάνει επίσης υπόψη γνωστές φυσικές αλληλεπιδράσεις. Το αποτέλεσμα είναι μια σύνθετη οκταδιάστατη μαθηματική δομή 248 σημείων. Κάθε ένα από αυτά τα σημεία αντιπροσωπεύει σωματίδια με διαφορετικές ιδιότητες. Υπάρχει μια ομάδα σωματιδίων στο διάγραμμα με ορισμένες ιδιότητες που «λείπουν». Τουλάχιστον μερικά από αυτά τα «λείποντα» θεωρητικά έχουν να κάνουν με τη βαρύτητα, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας.

4. Θεωρία οπτικοποίησης Ε8

Οι φυσικοί λοιπόν πρέπει να δουλέψουν για να γεμίσουν την «πρίζα της αλεπούς». Αν πετύχει, τι θα γίνει; Πολλοί απαντούν σαρκαστικά ότι τίποτα το ιδιαίτερο. Απλά μια όμορφη εικόνα θα τελείωνε. Αυτή η κατασκευή μπορεί να είναι πολύτιμη με αυτή την έννοια, καθώς μας δείχνει ποιες θα ήταν οι πραγματικές συνέπειες της ολοκλήρωσης μιας «θεωρίας των πάντων». Ίσως ασήμαντο από πρακτική άποψη.