O jeigu... spręstume esmines fizikos problemas. Viskas laukia teorijos, iš kurios nieko negali kilti

Kas duos mums atsakymą į tokias paslaptis kaip tamsioji materija ir tamsioji energija, Visatos pradžios paslaptis, gravitacijos prigimtis, materijos pranašumas prieš antimateriją, laiko kryptis, gravitacijos susivienijimas su kitomis fizinėmis sąveikomis , didysis gamtos jėgų susijungimas į vieną pagrindinį, iki vadinamosios visko teorijos?

Anot Einšteino ir daugelio kitų iškilių šiuolaikinių fizikų, fizikos tikslas yra sukurti visko teoriją (TV). Tačiau tokios teorijos samprata nėra vienareikšmė. Žinomas kaip visko teorija, ToE yra hipotetinė fizinė teorija, kuri nuosekliai aprašo viską fizikiniai reiškiniai ir leidžia numatyti bet kurio eksperimento rezultatą. Šiais laikais ši frazė dažniausiai naudojama apibūdinti teorijas, kurios bando užmegzti ryšį su bendroji reliatyvumo teorija. Kol kas nė viena iš šių teorijų negavo eksperimentinio patvirtinimo.

Šiuo metu pažangiausia teorija, pretenduojanti į TW, yra pagrįsta holografiniu principu. 11 matmenų M teorija. Ji dar nesukurta ir daugelio manoma, kad tai yra vystymosi kryptis, o ne tikra teorija.

Daugelis mokslininkų abejoja, kad kažkas panašaus į „visko teoriją“ yra netgi įmanoma, o pačia pagrindine prasme pagrįsta logika. Kurto Gödelio teorema sako, kad bet kuri pakankamai sudėtinga loginė sistema yra arba viduje nenuosekli (galima įrodyti sakinį ir jo prieštaravimą jame), arba nepilna (yra trivialiai teisingų sakinių, kurių neįmanoma įrodyti). Stanley Jackie 1966 m. pastebėjo, kad TW turi būti sudėtinga ir nuosekli matematinė teorija, todėl ji neišvengiamai bus neišsami.

Yra ypatingas, originalus ir emocingas visko teorijos būdas. holografinė hipotezė (1), perkeliant užduotį į kiek kitokį planą. Atrodo, kad juodųjų skylių fizika rodo, kad mūsų visata nėra tokia, kokią mums sako mūsų pojūčiai. Mus supanti realybė gali būti holograma, t.y. dvimatės plokštumos projekcija. Tai galioja ir pačiai Gödelio teoremai. Tačiau ar tokia visko teorija išsprendžia kokias nors problemas, ar leidžia susidoroti su civilizacijos iššūkiais?

Apibūdinkite visatą. Bet kas yra visata?

Šiuo metu turime dvi visa apimančias teorijas, kurios paaiškina beveik visus fizinius reiškinius: Einšteino gravitacijos teorija (bendrasis reliatyvumas) i. Pirmasis gerai paaiškina makro objektų judėjimą nuo futbolo kamuolių iki galaktikų. jis labai gerai išmano atomus ir subatomines daleles. Problema ta šios dvi teorijos mūsų pasaulį apibūdina visiškai skirtingai. Kvantinėje mechanikoje įvykiai vyksta fiksuotame fone. laiko-erdvės – o w yra lankstus. Kaip atrodys išlenktos erdvės ir laiko kvantinė teorija? Mes nežinome.

Pirmieji bandymai sukurti vieningą visko teoriją pasirodė netrukus po publikacijos bendroji reliatyvumo teorijakol nesuprantame pagrindinių branduolinių pajėgų dėsnių. Šios sąvokos, žinomos kaip Kaluzi-Kleino teorija, siekė sujungti gravitaciją su elektromagnetizmu.

Dešimtmečius stygų teorija, kuri reiškia, kad materija yra sudaryta iš mažytės vibruojančios stygos arba energijos kilpa, laikomas geriausiu kuriant vieninga fizikos teorija. Tačiau kai kurie fizikai teikia pirmenybę kkabelinės kilpos gravitacijakurioje pati kosminė erdvė susideda iš mažyčių kilpelių. Tačiau nei stygų teorija, nei kilpos kvantinė gravitacija nebuvo eksperimentiškai išbandyti.

Didžiosios unifikuotos teorijos (GUT), jungiančios kvantinę chromodinamiką ir elektrosilpnos sąveikos teoriją, atspindi stiprią, silpną ir elektromagnetinę sąveiką kaip vienos sąveikos apraišką. Tačiau nė viena iš ankstesnių didžiųjų unifikuotų teorijų negavo eksperimentinio patvirtinimo. Bendras Didžiosios unifikuotos teorijos bruožas yra protono skilimo numatymas. Šis procesas dar nepastebėtas. Iš to išplaukia, kad protono gyvenimo trukmė turi būti bent 1032 metai.

1968 m. standartinis modelis sujungė stipriąsias, silpnąsias ir elektromagnetines jėgas po vienu visaapimančiu skėčiu. Buvo atsižvelgta į visas daleles ir jų sąveiką, buvo pateikta daug naujų prognozių, įskaitant vieną didelę suvienijimo prognozę. Esant didelei energijai, maždaug 100 GeV (energija, reikalinga vienam elektronui pagreitinti iki 100 milijardų voltų potencialo), bus atkurta simetrija, vienijanti elektromagnetines ir silpnąsias jėgas.

Buvo prognozuojamas naujų egzistavimas, o 1983 m. atradus W ir Z bozonus, šios prognozės pasitvirtino. Keturios pagrindinės pajėgos buvo sumažintos iki trijų. Suvienijimo idėja yra ta, kad visos trys standartinio modelio jėgos ir galbūt net didesnė gravitacijos energija yra sujungtos į vieną struktūrą.

2. Langrange lygtis, apibūdinanti standartinį modelį, suskirstyta į penkis komponentus.

Kai kurie teigė, kad esant dar aukštesnėms energijoms, galbūt aplink Plancko skalė, susijungs ir gravitacija. Tai viena iš pagrindinių stygų teorijos motyvų. Šiose idėjose labai įdomu yra tai, kad jei norime susivienijimo, turime atkurti simetriją esant aukštesnėms energijoms. Ir jei jie šiuo metu sulaužomi, tai veda prie kažko pastebimo, naujų dalelių ir naujų sąveikų.

Standartinio modelio Lagranžo yra vienintelė lygtis, apibūdinanti daleles t.y Standartinio modelio įtaka (2). Jį sudaro penkios nepriklausomos dalys: apie gliuonus lygties 1 zonoje, silpnus bozonus dalyje, pažymėtoje dviem, pažymėtoje trimis, yra matematinis aprašymas, kaip medžiaga sąveikauja su silpnąja jėga ir Higgso lauku, vaiduoklio daleles, kurios atima. Higso lauko perteklius ketvirtojo dalimis ir dvasios, aprašytos po penkiais Fadejevas-Popovaskurios įtakoja silpnosios sąveikos pertekliškumą. Neutrinų masės neatsižvelgiama.

Nors Standartinis modelis galime parašyti ją kaip vieną lygtį, ji iš tikrųjų nėra vienalytė visuma ta prasme, kad yra daug atskirų, nepriklausomų išraiškų, valdančių įvairius visatos komponentus. Atskiros Standartinio modelio dalys tarpusavyje nesąveikauja, nes spalvinis krūvis neturi įtakos elektromagnetinei ir silpnajai sąveikai, o lieka neatsakyti klausimai, kodėl sąveikos, kurios turėtų atsirasti, pavyzdžiui, CP pažeidimas esant stipriai sąveikai, neveikia. užimti vietą.

Atsistačius simetrijoms (esant potencialo viršūnei), įvyksta unifikacija. Tačiau pačiame dugne lūžtanti simetrija atitinka šiandieninę visatą ir naujų rūšių masyvias daleles. Taigi, kas „iš visko“ turėtų būti ši teorija? Ta, kuri yra, t.y. tikroji asimetrinė visata arba viena ir simetriška, bet galiausiai ne ta, su kuria susiduriame.

Apgaulingas „išbaigtų“ modelių grožis

Larsas Englishas knygoje „The No Theory of Everything“ teigia, kad nėra vieno taisyklių rinkinio, kuris galėtų sujungti bendrąjį reliatyvumą su kvantine mechanikanes tai, kas yra tiesa kvantiniame lygmenyje, nebūtinai yra tiesa gravitacijos lygyje. Ir kuo didesnė ir sudėtingesnė sistema, tuo labiau ji skiriasi nuo ją sudarančių elementų. „Esmė ne ta, kad šios gravitacijos taisyklės prieštarauja kvantinei mechanikai, o tai, kad jų negalima išvesti iš kvantinės fizikos“, – rašo jis.

Visas mokslas, tyčia ar ne, remiasi jų egzistavimo prielaida. objektyvūs fiziniai dėsniaikurie apima tarpusavyje suderinamą pagrindinių fizinių postulatų rinkinį, apibūdinantį fizinės visatos ir visko joje elgesį. Žinoma, tokia teorija nereiškia išsamaus visko, kas egzistuoja, paaiškinimo ar aprašymo, bet greičiausiai ji išsamiai aprašo visus patikrinamus fizinius procesus. Logiškai mąstant, vienas iš tiesioginių tokio TW supratimo pranašumų būtų sustabdyti eksperimentus, kuriuose teorija numato neigiamus rezultatus.

Dauguma fizikų turės nustoti tyrinėti ir užsidirbti pragyvenimui mokydami, o ne tyrinėdami. Tačiau visuomenei tikriausiai nerūpi, ar gravitacijos jėgą galima paaiškinti erdvėlaikio kreivumu.

Žinoma, yra ir kita galimybė – Visata paprasčiausiai nesusijungs. Simetrijos, kurias pasiekėme, yra tiesiog mūsų pačių matematiniai išradimai ir neapibūdina fizinės visatos.

Didelio atgarsio sulaukusiame straipsnyje „Nautil.Us“ Frankfurto pažangiųjų studijų instituto mokslininkė Sabina Hossenfelder (3) įvertino, kad „visa visko teorijos idėja yra pagrįsta nemoksline prielaida“. „Tai nėra pati geriausia strategija kuriant mokslines teorijas. (...) Pasikliovimas grožiu kuriant teoriją istoriškai veikė prastai. Jos nuomone, nėra jokios priežasties gamtą apibūdinti visko teorija. Nors mums reikia kvantinės gravitacijos teorijos, kad išvengtume loginio gamtos dėsnių neatitikimo, standartinio modelio jėgos neturi būti suvienodintos ir neturi būti suvienodintos su gravitacija. Taip, būtų malonu, bet tai nereikalinga. Standartinis modelis puikiai veikia ir be unifikacijos, – pabrėžia mokslininkė. Gamtai akivaizdžiai nerūpi, ką fizikai laiko gražia matematika, – piktai sako M. Hossenfelder. Fizikoje teorinės raidos proveržiai siejami su matematinių neatitikimų sprendimu, o ne su gražiais ir „pabaigtais“ modeliais.

Nepaisant šių blaivių įspėjimų, nuolat pateikiami nauji pasiūlymai dėl visko teorijos, pavyzdžiui, Garretto Lisi „Išskirtinai paprasta visko teorija“, paskelbta 2007 m. Jis turi savybę, kurią prof. Hossenfelderis yra gražus ir gali būti gražiai parodytas patraukliomis vizualizacijomis (4). Ši teorija, vadinama E8, teigia, kad visatos supratimo raktas yra matematinis objektas simetriškos rozetės pavidalu.

Lisi sukūrė šią struktūrą, nubraižydamas elementarias daleles grafike, kuriame atsižvelgiama ir į žinomas fizines sąveikas. Rezultatas yra sudėtinga aštuonių matmenų matematinė 248 taškų struktūra. Kiekvienas iš šių taškų žymi skirtingų savybių daleles. Diagramoje yra dalelių grupė su tam tikromis savybėmis, kurių „trūksta“. Bent kai kurie iš šių „trūkstamų“ teoriškai turi kažką bendro su gravitacija, jungiančiu atotrūkį tarp kvantinės mechanikos ir bendrosios reliatyvumo teorijos.

4. Vizualizacijos teorija E8

Taigi fizikai turi dirbti, kad užpildytų „Lapės lizdą“. Jei pavyks, kas bus? Daugelis sarkastiškai atsako, kad nieko ypatingo. Tiesiog gražus paveikslas būtų baigtas. Ši konstrukcija gali būti vertinga šia prasme, nes parodo, kokios būtų tikrosios „visko teorijos“ užbaigimo pasekmės. Galbūt nereikšminga praktine prasme.