Шта ако... решимо фундаменталне проблеме у физици. Све чека теорију из које ништа не може изаћи

Шта ће решење за такве мистерије као што су тамна материја и тамна енергија, мистерија почетка Универзума, природа гравитације, предност материје над антиматеријом, правац времена, уједињење гравитације са другим физичким интеракцијама, велико уједињење природних сила у једну главну силу, до такозване теорије свега, да ли нам?

Према Ајнштајну и многих других изузетних савремених физичара, циљ физике је управо стварање теорије свега (ТХ). Међутим, концепт такве теорије није једнозначан. Позната као Теорија свега, ТоЕ, то је хипотетичка физичка теорија која доследно описује све физичке појаве и омогућава вам да предвидите резултат било ког експеримента. Данас се та фраза обично користи за описивање теорија које покушавају да успоставе везу са општа теорија релативности. До сада ниједна од ових теорија није добила експерименталну потврду.

Тренутно, најнапреднија теорија која тврди да је ТВ заснована је на холографском принципу. 11-димензионална М-теорија. Она још није развијена и многи сматрају да је то правац развоја, а не стварна теорија.

Многи научници сумњају да је нешто попут „теорије свега“ уопште могуће, у најосновнијем, логичном смислу. Теорема Курта Гедела каже да је сваки довољно сложен логички систем или изнутра неконзистентан (реченица и њена противречност унутар ње се може доказати) или непотпун (постоје тривијално истините реченице које се не могу доказати). Стенли Џеки је 1966. приметио да ТВ мора бити сложена и кохерентна математичка теорија, тако да ће неизбежно бити непотпуна.

Постоји посебан, оригиналан и емотиван начин теорије свега. холографска хипотеза (1), преносећи проблем на мало другачији ниво. Чини се да физика црне рупе указује да наш универзум није оно што нам наша чула говоре. Реалност која нас окружује може бити холограм, тј. пројекција дводимензионалне равни. Ово важи и за саму Геделову теорему. Али да ли таква теорија свега решава проблеме, дозвољава ли нам да се суочимо са изазовима цивилизације?

Опишите универзум. Али какав универзум?

Тренутно имамо две свеобухватне теорије које објашњавају скоро све физичке појаве: Ајнштајнова теорија гравитације (општа теорија релативности) и. Први добро објашњава кретање макро објеката, од фудбалских лопти до галаксија. веома је упућен у атоме и субатомске честице. Проблем је у томе ове две теорије потпуно другачије описују наш свет. У квантној механици, догађаји се дешавају на фиксној позадини. Време простор – док је в флексибилан. Како би изгледала квантна теорија закривљеног простор-времена? Не знамо.

Први покушаји да се створи јединствена теорија свега појавили су се убрзо након објављивања општа теорија релативностипре него што схватимо основне законе који регулишу нуклеарне силе. Ови концепти, познати као Калузи-Клајн теорија, настојао је да комбинује гравитацију са електромагнетизмом.

Деценијама, теорија струна, која замишља да се материја састоји од ситне вибрирајуће жице или енергетска петља, сматра се најбољим за стварање јединствена теорија физике. Међутим, неки физичари преферирају кгравитација петље са кабловимау којој је сам спољни простор сачињен од сићушних петљи. Међутим, ни теорија струна ни квантна гравитација у петљи нису експериментално тестирани.

Велике уједињене теорије (ГУТ), које комбинују квантну хромодинамику и теорију електрослабих интеракција, представљају јаке, слабе и електромагнетне силе као манифестације једне уједињене силе. Међутим, ниједна од претходних теорија великог уједињења није добила експерименталну потврду. Заједничка карактеристика теорије великог уједињења је предвиђање распада протона. Овај процес још није примећен. Из тога следи да животни век протона мора бити најмање 1032 године.

Стандардни модел из 1968. довео је јаке, слабе и електромагнетне силе под један свеобухватни кишобран. Размотрене су све честице и њихове интеракције, и направљена су многа нова предвиђања, укључујући једно велико предвиђање о уједињењу. При високим енергијама, реда величине 100 ГеВ (енергија потребна да се један електрон убрза до потенцијала од 100 милијарди волти), симетрија која обједињује електромагнетне и слабе интеракције ће бити обновљена.

Предвиђено је постојање нових, а открићем В и З бозона 1983. године, ова предвиђања су потврђена. Четири главне снаге су сведене на три. Идеја уједињења је да се све три силе Стандардног модела и можда чак и већа енергетска гравитација комбинују у једну структуру.

2. Лангрангеова једначина, која описује стандардни модел, подељена је на пет компоненти.

Неки су то сугерисали при још вишим енергијама, можда около Планкова скала, гравитација ће се такође ујединити. Ово је једна од главних мотивација теорије струна. Оно што је веома интересантно у вези са овим идејама је да ако желимо уједињење, морамо да вратимо симетрију на вишим енергијама. А ако су тренутно покварени, то доводи до нечега видљивог, нових честица и нових интеракција.

Лагранжијан стандардног модела је једина једначина која описује честице и утицај Стандардног модела (2). Састоји се од пет независних делова: глуони у зони 1 једначине, слаби бозони у делу означеном са два, означеним са три, математички је опис интеракције материје са слабом силом и Хигсовим пољем, честице духова које одузимају вишак Хигсово поље у четвртом делу, и духови описани под пет Фадејев-Поповкоји утичу на редундантност слабе интеракције. Масе неутрина се не узимају у обзир.

Мада Стандардни модел можемо написати као једну једначину, то заправо није хомогена целина у смислу да постоји много одвојених, независних израза који управљају различитим компонентама универзума. Појединачни делови Стандардног модела не ступају у интеракцију једни са другима, пошто набој боје не утиче на електромагнетне и слабе силе, а остају неодговорена питања зашто интеракције до којих би требало да дође, као што је нарушавање ЦП симетрије у јаким интеракцијама, не дођу оперисати. узети место.

Када се симетрије обнове (на врхунцу потенцијала), долази до уједињења. Међутим, кршење симетрије на самом дну одговара Универзуму који имамо данас, заједно са новим типовима масивних честица. Дакле, шта би „од свих ствари“ требало да буде ова теорија? Онај који постоји, тј. прави асиметричан Универзум или један и симетричан, али на крају не онај са којим имамо посла.

Варљива лепота „комплетних“ модела

Ларс Инглиш, у својој књизи Тхере Ис Но Тхеори оф Еверитхинг, тврди да не постоји јединствен скуп правила који могу комбинују општу релативност са квантном механикомјер оно што је тачно на квантном нивоу није нужно тачно и на гравитационом нивоу. И што је систем већи и сложенији, то се више разликује од својих саставних елемената. „Не ради се о томе да су ова правила гравитације у супротности са квантном механиком, већ да се не могу извести из квантне физике“, пише он.

Сва наука, намерно или не, заснива се на премиси њиховог постојања. објективни физички законикоји подразумевају међусобно компатибилан скуп фундаменталних физичких постулата који описују понашање физичког универзума и свега у њему. Наравно, таква теорија не подразумева потпуно објашњење или опис свега што постоји, али, највероватније, исцрпно описује све физичке процесе који се могу проверити. Логично, једна од непосредних предности разумевања ТВ на овај начин била би заустављање експеримената у којима теорија предвиђа негативне резултате.

Већина научника физике мораће да престане да истражује и зарађује за живот подучавањем, а не истраживањем. Међутим, јавност вероватно није брига да ли се гравитација може објаснити у смислу закривљености простор-времена.

Наравно, постоји још једна могућност - Универзум се једноставно неће ујединити. Симетрије до којих смо дошли су једноставно наши сопствени математички изуми и не описују физички универзум.

У оштром чланку за Наутил.Ус, Сабине Хоссенфелдер (3), научница са Франкфуртског института за напредне студије, оценила је да је „цела идеја теорије свега заснована на ненаучној претпоставци“. „Ово није добра стратегија за развој научних теорија. (...) Ослањање на лепоту у теоријском развоју је историјски лоше деловало.” По њеном мишљењу, нема разлога да се природа описује теоријом свега. Док нам је потребна квантна теорија гравитације да бисмо избегли логичку недоследност у законима природе, силе у Стандардном моделу не морају да буду уједињене и не морају да буду уједињене са гравитацијом. Било би лепо, да, али је непотребно. Стандардни модел добро функционише без унификације, наглашава истраживач. Природа очигледно не мари шта физичари сматрају лепом математиком, љутито каже госпођа Хосенфелдер. У физици, продори у теоријском развоју повезани су са решавањем математичких недоследности, а не са лепим и „потпуним“ моделима.

Упркос овим трезвеним саветима, непрестано се износе нови предлози теорије-свега, као што је Гарретт Лиси из 2007. Изузетно једноставна теорија свега. Посебност је што је проф. Хосенфелдер је леп и може се лепо приказати са атрактивном визуелизацијом (4). Ова теорија, названа Е8, каже да је кључ за разумевање универзума математички објекат у облику симетричне розете.

Лиси је створио ову структуру тако што је уцртао елементарне честице на граф који такође узима у обзир познате физичке интеракције. Резултат је била сложена осмодимензионална математичка структура од 248 тачака. Свака од ових тачака представља честице са различитим својствима. На дијаграму се налази група честица са одређеним својствима која „недостају“. Барем неки од ових "несталих" теоретски имају неке везе са гравитацијом, премошћујући јаз између квантне механике и опште теорије релативности.

4. Е8 Теорија визуелизације

Дакле, физичари морају да раде да би попунили Лисичину розету. Ако ово успе, шта ће се догодити? Многи саркастично одговарају да то није ништа посебно. Само лепа слика би била потпуна. Ова конструкција може бити драгоцена у том смислу, јер нам показује какве би биле стварне последице комплетирања „теорије свега“. Можда безначајно у практичном смислу.