Hvad hvis... vi løser fundamentale problemer i fysik. Alt venter på en teori, hvorfra intet kan komme

Hvad vil give os svaret på sådanne mysterier som mørkt stof og mørk energi, mysteriet om universets begyndelse, tyngdekraftens natur, stoffets fordel frem for antistof, tidens retning, tyngdekraftens forening med andre fysiske interaktioner , den store forening af naturkræfterne til én grundlæggende, op til den såkaldte teori om alting ?

Ifølge Einstein og mange andre fremragende moderne fysikere, er fysikkens mål netop at skabe en teori om alting (TV). Begrebet en sådan teori er dog ikke entydig. Kendt som teorien om alting, er ToE en hypotetisk fysisk teori, der konsekvent beskriver alt fysiske fænomener og giver dig mulighed for at forudsige resultatet af ethvert eksperiment. I dag er denne sætning almindeligvis brugt til at beskrive teorier, der forsøger at skabe forbindelse med generel relativitetsteori. Indtil videre har ingen af ​​disse teorier modtaget eksperimentel bekræftelse.

På nuværende tidspunkt er den mest avancerede teori, der hævder at være TW, baseret på det holografiske princip. 11-dimensionel M-teori. Den er endnu ikke udviklet og anses af mange for at være en udviklingsretning frem for en egentlig teori.

Mange videnskabsmænd tvivler på, at noget som en "teori om alting" overhovedet er muligt, og i den mest basale forstand baseret på logik. Kurt Gödels sætning siger, at ethvert tilstrækkeligt komplekst logisk system enten er internt inkonsistent (man kan bevise en sætning og dens modsigelse i den) eller ufuldstændig (der er trivielt sande sætninger, som ikke kan bevises). Stanley Jackie bemærkede i 1966, at TW må være en kompleks og sammenhængende matematisk teori, så den vil uundgåeligt være ufuldstændig.

Der er en speciel, original og følelsesmæssig måde at teorien om alting på. holografisk hypotese (1), overførsel af opgaven til en lidt anden plan. Fysikken i sorte huller synes at indikere, at vores univers ikke er, hvad vores sanser fortæller os. Den virkelighed, der omgiver os, kan være et hologram, dvs. projektion af et todimensionalt plan. Det gælder også selve Gödels sætning. Men løser sådan en teori om alting nogen problemer, giver den os mulighed for at konfrontere civilisationens udfordringer?

Beskriv universet. Men hvad er universet?

Vi har i øjeblikket to overordnede teorier, der forklarer næsten alle fysiske fænomener: Einsteins teori om tyngdekraften (generel relativitetsteori) i. Den første forklarer godt bevægelsen af ​​makroobjekter, fra fodbolde til galakser. han er meget vidende om atomer og subatomære partikler. Problemet er det disse to teorier beskriver vores verden på helt forskellige måder. I kvantemekanikken foregår begivenheder på en fast baggrund. rumtid – mens w er fleksibel. Hvordan vil kvanteteorien om buet rumtid se ud? Vi ved det ikke.

De første forsøg på at skabe en samlet teori om alt dukkede op kort efter offentliggørelsen generel relativitetsteorifør vi forstår de grundlæggende love, der styrer atomstyrker. Disse begreber, kendt som Kaluzi-Klein teori, søgte at kombinere tyngdekraften med elektromagnetisme.

I årtier, strengteori, som repræsenterer stof som værende opbygget af små vibrerende strenge eller energisløjfe, anses for at være den bedste til at skabe samlet teori om fysik. Nogle fysikere foretrækker dog kkabelstagsløkketyngdekrafthvori det ydre rum selv består af bittesmå løkker. Imidlertid er hverken strengteori eller sløjfekvantetyngdekraft blevet testet eksperimentelt.

Store foreningsteorier (GUT'er), der kombinerer kvantekromodynamik og teorien om elektrosvage interaktioner, repræsenterer de stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner som en manifestation af én samlet interaktion. Imidlertid har ingen af ​​de tidligere store forenede teorier modtaget eksperimentel bekræftelse. Et fælles træk ved den store forenede teori er forudsigelsen af ​​protonens henfald. Denne proces er endnu ikke blevet observeret. Det følger heraf, at en protons levetid skal være mindst 1032 år.

Standardmodellen fra 1968 forenede de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter under én overordnet paraply. Alle partikler og deres vekselvirkninger er blevet overvejet, og mange nye forudsigelser er blevet lavet, inklusive en stor foreningsforudsigelse. Ved høje energier, i størrelsesordenen 100 GeV (den energi, der kræves for at accelerere en enkelt elektron til et potentiale på 100 milliarder volt), vil symmetrien, der forener de elektromagnetiske og svage kræfter, blive genoprettet.

Eksistensen af ​​nye blev forudsagt, og med opdagelsen af ​​W- og Z-bosonerne i 1983 blev disse forudsigelser bekræftet. De fire hovedstyrker blev reduceret til tre. Tanken bag foreningen er, at alle tre kræfter i Standardmodellen, og måske endda den højere tyngdekraftsenergi, er kombineret i én struktur.

2. Langrange-ligningen, der beskriver standardmodellen, opdelt i fem komponenter.

Nogle har foreslået, at ved endnu højere energier, måske omkring Planck skala, vil tyngdekraften også kombineres. Dette er en af ​​hovedmotivationerne for strengteori. Det, der er meget interessant ved disse ideer, er, at hvis vi ønsker forening, er vi nødt til at genoprette symmetri ved højere energier. Og hvis de i øjeblikket er i stykker, fører det til noget observerbart, nye partikler og nye interaktioner.

Standardmodellens Lagrangian er den eneste ligning, der beskriver partikler, dvs Standardmodellens indflydelse (2). Den består af fem uafhængige dele: om gluoner i zone 1 af ligningen, svage bosoner i delen markeret med to, markeret med tre, er en matematisk beskrivelse af, hvordan stof interagerer med den svage kraft og Higgs-feltet, spøgelsespartikler, der trækker fra overskuddet af Higgs-feltet i dele af det fjerde, og ånderne beskrevet under fem Fadeev-Popovsom påvirker redundansen af ​​den svage interaktion. Neutrinomasser tages ikke i betragtning.

Skønt Standard model vi kan skrive det som en enkelt ligning, det er egentlig ikke en homogen helhed i den forstand, at der er mange separate, uafhængige udtryk, der styrer de forskellige komponenter i universet. Separate dele af Standardmodellen interagerer ikke med hinanden, fordi farveladningen ikke påvirker de elektromagnetiske og svage interaktioner, og spørgsmål forbliver ubesvarede, hvorfor interaktioner, der skulle forekomme, for eksempel CP-brud i stærke interaktioner, ikke virker. finde sted.

Når symmetrierne genoprettes (på toppen af ​​potentialet), sker der forening. Imidlertid er symmetrien, der bryder helt nede i bunden, i overensstemmelse med det univers, vi har i dag, sammen med nye slags massive partikler. Så hvad "ud af alt" skal denne teori være? Den der er, dvs. et rigtigt asymmetrisk univers, eller et og symmetrisk, men i sidste ende ikke det, vi har med at gøre.

Den vildledende skønhed ved "komplette" modeller

Lars English, i The No Theory of Everything, argumenterer for, at der ikke er et enkelt sæt regler, der kunne kombinere generel relativitetsteori med kvantemekanikfordi det, der er sandt på kvanteniveauet, ikke nødvendigvis er sandt på gravitationsniveauet. Og jo større og mere kompleks systemet er, jo mere adskiller det sig fra dets bestanddele. "Pointen er ikke, at disse tyngdekraftsregler er i modstrid med kvantemekanikken, men at de ikke kan udledes af kvantefysikken," skriver han.

Al videnskab, med vilje eller ej, er baseret på præmissen om deres eksistens. objektive fysiske lovesom indebærer et gensidigt kompatibelt sæt af grundlæggende fysiske postulater, der beskriver det fysiske univers' adfærd og alt i det. Selvfølgelig indebærer en sådan teori ikke en fuldstændig forklaring eller beskrivelse af alt, hvad der eksisterer, men højst sandsynligt beskriver den udtømmende alle verificerbare fysiske processer. Logisk set ville en af ​​de umiddelbare fordele ved en sådan forståelse af TW være at stoppe eksperimenter, hvor teorien forudsiger negative resultater.

De fleste fysikere bliver nødt til at stoppe med at forske og leve af at undervise, ikke at forske. Offentligheden er dog nok ligeglad med, om tyngdekraften kan forklares ud fra rumtidens krumning.

Selvfølgelig er der en anden mulighed - universet vil simpelthen ikke forene sig. De symmetrier, vi er nået frem til, er simpelthen vores egne matematiske opfindelser og beskriver ikke det fysiske univers.

I en højprofileret artikel for Nautil.Us vurderede Sabina Hossenfelder (3), en videnskabsmand ved Frankfurt Institute for Advanced Study, at "hele ideen om en teori om alting er baseret på en uvidenskabelig antagelse." "Dette er ikke den bedste strategi til at udvikle videnskabelige teorier. (...) Tilliden til skønhed i udviklingen af ​​teori har historisk set fungeret dårligt." Efter hendes mening er der ingen grund til, at naturen skal beskrives ved en teori om alting. Mens vi har brug for en kvanteteori om tyngdekraften for at undgå en logisk inkonsistens i naturlovene, behøver kræfterne i Standardmodellen ikke at være forenet og behøver ikke at være forenet med tyngdekraften. Det ville være rart, ja, men det er unødvendigt. Standardmodellen fungerer godt uden ensretning, understreger forskeren. Naturen er tydeligvis ligeglad med, hvad fysikere synes er smuk matematik, siger fru Hossenfelder vredt. I fysik er gennembrud i teoretisk udvikling forbundet med løsningen af ​​matematiske uoverensstemmelser, og ikke med smukke og "færdige" modeller.

På trods af disse nøgterne formaninger fremsættes konstant nye forslag til en teori om alting, såsom Garrett Lisis The Exceptionally Simple Theory of Everything, udgivet i 2007. Det har den egenskab, at Prof. Hossenfelder er smuk og kan vises smukt med attraktive visualiseringer (4). Denne teori, kaldet E8, hævder, at nøglen til at forstå universet er matematisk objekt i form af en symmetrisk roset.

Lisi skabte denne struktur ved at plotte elementarpartikler på en graf, der også tager højde for kendte fysiske interaktioner. Resultatet er en kompleks ottedimensionel matematisk struktur på 248 punkter. Hvert af disse punkter repræsenterer partikler med forskellige egenskaber. Der er en gruppe partikler i diagrammet med visse egenskaber, der "mangler". I det mindste nogle af disse "manglende" har teoretisk noget at gøre med tyngdekraften, der bygger bro mellem kvantemekanik og generel relativitet.

4. Visualiseringsteori E8

Så fysikere skal arbejde for at fylde "Fox-soklen". Hvis det lykkes, hvad vil der så ske? Mange svarer sarkastisk, at der ikke er noget særligt. Bare et smukt billede ville være færdigt. Denne konstruktion kan være værdifuld i denne forstand, da den viser os, hvad de reelle konsekvenser af at gennemføre en "teori om alting" ville være. Måske ubetydelig i praktisk forstand.