Mitä jos... ratkaisemme fysiikan perusongelmia. Kaikki odottaa teoriaa, josta ei voi tulla mitään

Mikä antaa meille vastauksen sellaisiin mysteereihin kuin pimeä aine ja pimeä energia, maailmankaikkeuden alun mysteeri, painovoiman luonne, aineen etu antiaineeseen nähden, ajan suunta, painovoiman yhdistäminen muihin fyysisiin vuorovaikutuksiin , luonnonvoimien suuri yhdistäminen yhdeksi perusperiaatteeksi, niin sanottuun kaiken teoriaan asti?

Einsteinin mukaan ja monien muiden erinomaisten nykyfyysikojen, fysiikan tavoitteena on nimenomaan luoda teoria kaikesta (TV). Tällaisen teorian käsite ei kuitenkaan ole yksiselitteinen. Kaiken teoriana tunnettu ToE on hypoteettinen fysikaalinen teoria, joka kuvaa johdonmukaisesti kaikkea fyysisiä ilmiöitä ja voit ennustaa minkä tahansa kokeen tuloksen. Nykyään tätä lausetta käytetään yleisesti kuvaamaan teorioita, jotka yrittävät muodostaa yhteyden yleinen suhteellisuusteoria. Toistaiseksi mikään näistä teorioista ei ole saanut kokeellista vahvistusta.

Tällä hetkellä edistynein teoria, joka väittää olevansa TW, perustuu holografiseen periaatteeseen. 11-ulotteinen M-teoria. Sitä ei ole vielä kehitetty, ja monet pitävät sitä pikemminkin kehityssuuntana kuin varsinaisena teoriana.

Monet tiedemiehet epäilevät, että jokin "kaiken teoria" on edes mahdollista, ja mitä alkeellisimmassa mielessä logiikkaan perustuva. Kurt Gödelin lause sanoo, että mikä tahansa riittävän monimutkainen looginen järjestelmä on joko sisäisesti epäjohdonmukainen (voidaan todistaa lause ja sen ristiriitaisuus siinä) tai epätäydellinen (on triviaaleja oikeita lauseita, joita ei voida todistaa). Stanley Jackie huomautti vuonna 1966, että TW:n on oltava monimutkainen ja yhtenäinen matemaattinen teoria, joten se on väistämättä epätäydellinen.

Kaiken teoriassa on erityinen, omaperäinen ja tunteellinen tapa. holografinen hypoteesi (1), siirtämällä tehtävä hieman erilaiseen suunnitelmaan. Mustan aukon fysiikka näyttää osoittavan, että universumimme ei ole sitä, mitä aistimme kertovat meille. Meitä ympäröivä todellisuus voi olla hologrammi, ts. kaksiulotteisen tason projektio. Tämä koskee myös itse Gödelin lausetta. Mutta ratkaiseeko tällainen teoria kaikesta ongelmasta, antaako se meidän kohdata sivilisaation haasteet?

Kuvaile maailmankaikkeutta. Mutta mikä on universumi?

Meillä on tällä hetkellä kaksi kattavaa teoriaa, jotka selittävät melkein kaikki fyysiset ilmiöt: Einsteinin painovoimateoria (yleinen suhteellisuusteoria) i. Ensimmäinen selittää hyvin makroobjektien liikkeen jalkapalloista galakseihin. hän tuntee hyvin atomeja ja subatomisia hiukkasia. Ongelmana on se nämä kaksi teoriaa kuvaavat maailmaamme täysin eri tavoin. Kvanttimekaniikassa tapahtumat tapahtuvat kiinteää taustaa vasten. aika-avaruus – kun w on joustava. Miltä kaarevan aika-avaruuden kvanttiteoria näyttää? Me emme tiedä.

Ensimmäiset yritykset luoda yhtenäinen teoria kaikesta ilmestyivät pian julkaisun jälkeen yleinen suhteellisuusteoriaennen kuin ymmärrämme ydinvoimia hallitsevat peruslait. Nämä käsitteet, jotka tunnetaan nimellä Kaluzi-Kleinin teoria, pyrki yhdistämään painovoiman sähkömagnetismiin.

Vuosikymmeniä merkkijonoteoria, joka edustaa ainetta koostuvana pienet värisevät kielet tai energia silmukka, pidetään parhaana luomiseen yhtenäinen fysiikan teoria. Jotkut fyysikot pitävät kuitenkin parempana kkaapelipysäytyslenkin painovoimajossa itse ulkoavaruus koostuu pienistä silmukoista. Kuitenkaan ei merkkijonoteoriaa eikä silmukan kvanttigravitaatiota ole testattu kokeellisesti.

Suuret yhtenäiset teoriat (GUT:t), jotka yhdistävät kvanttikromodynamiikan ja teorian sähköheikoista vuorovaikutuksista, edustavat vahvaa, heikkoa ja sähkömagneettista vuorovaikutusta yhden vuorovaikutuksen ilmentymänä. Mikään aikaisemmista suurista yhtenäisistä teorioista ei kuitenkaan ole saanut kokeellista vahvistusta. Suuren yhtenäisen teorian yhteinen piirre on protonin hajoamisen ennustaminen. Tätä prosessia ei ole vielä havaittu. Tästä seuraa, että protonin eliniän on oltava vähintään 1032 vuotta.

Vuoden 1968 vakiomalli yhdisti vahvat, heikot ja sähkömagneettiset voimat yhden kattavan sateenvarjon alle. Kaikki hiukkaset ja niiden vuorovaikutukset on otettu huomioon ja monia uusia ennusteita on tehty, mukaan lukien yksi iso yhdistymisennustus. Suurilla energioilla, luokkaa 100 GeV (energia, joka tarvitaan kiihdyttämään yksi elektroni 100 miljardin voltin potentiaaliin), sähkömagneettisia ja heikkoja voimia yhdistävä symmetria palautuu.

Uusien olemassaolo ennustettiin, ja W- ja Z-bosonien löydön myötä vuonna 1983 nämä ennusteet vahvistivat. Neljä päävoimaa vähennettiin kolmeen. Yhdistämisen taustalla on ajatus, että kaikki kolme vakiomallin voimaa ja ehkä jopa korkeampi painovoimaenergia yhdistetään yhdeksi rakenteeksi.

2. Standardimallia kuvaava Langrange-yhtälö, joka on jaettu viiteen komponenttiin.

Jotkut ovat ehdottaneet, että jopa korkeammilla energioilla, ehkä noin Planckin mittakaava, myös painovoima yhdistyy. Tämä on yksi merkkijonoteorian tärkeimmistä motiiveista. Erittäin mielenkiintoista näissä ideoissa on se, että jos haluamme yhdistymistä, meidän on palautettava symmetria korkeammissa energioissa. Ja jos ne ovat tällä hetkellä rikki, se johtaa johonkin havaittavaan, uusiin hiukkasiin ja uusiin vuorovaikutuksiin.

Standardimallin Lagrangian on ainoa yhtälö, joka kuvaa hiukkasia i standardimallin vaikutus (2). Se koostuu viidestä itsenäisestä osasta: yhtälön vyöhykkeen 1 gluoneista, kahdella merkityssä osassa heikot bosonit, kolmella, on matemaattinen kuvaus siitä, miten aine on vuorovaikutuksessa heikon voiman ja Higgsin kentän kanssa, haamuhiukkaset, jotka vähentävät Higgsin kentän ylijäämä neljännen osissa ja kohdassa viisi kuvatut henget Fadejev-Popovjotka vaikuttavat heikon vuorovaikutuksen redundanssiin. Neutriinomassaa ei oteta huomioon.

Vaikka Vakiomalli voimme kirjoittaa sen yhdeksi yhtälöksi, se ei todellakaan ole homogeeninen kokonaisuus siinä mielessä, että on olemassa monia erillisiä, riippumattomia lausekkeita, jotka hallitsevat maailmankaikkeuden eri komponentteja. Standardimallin erilliset osat eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, koska värivaraus ei vaikuta sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen ja kysymykset jäävät vastaamatta, miksi vuorovaikutukset, joita pitäisi tapahtua, esimerkiksi CP-rikkomus vahvoissa vuorovaikutuksissa, eivät toimi. tapahtua.

Kun symmetriat palautuvat (potentiaalin huipulla), yhdistyminen tapahtuu. Kuitenkin aivan pohjalla murtuva symmetria on sopusoinnussa nykyisen maailmankaikkeuden ja uudenlaisten massiivisten hiukkasten kanssa. Joten mitä "kaikesta" tämän teorian pitäisi olla? Se, joka on, ts. todellinen epäsymmetrinen maailmankaikkeus tai yksi ja symmetrinen, mutta lopulta ei se, jonka kanssa olemme tekemisissä.

"Täydellisten" mallien petollinen kauneus

Lars English väittää teoksessa The No Theory of Everything, ettei ole olemassa yhtä ainoaa sääntöjoukkoa, joka voisi toimia Yhdistä yleinen suhteellisuusteoria kvanttimekaniikkaankoska se, mikä on totta kvanttitasolla, ei välttämättä ole totta painovoiman tasolla. Ja mitä suurempi ja monimutkaisempi järjestelmä on, sitä enemmän se eroaa sen osatekijöistä. "Kysymys ei ole siitä, että nämä painovoimasäännöt olisivat ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa, vaan että niitä ei voida johtaa kvanttifysiikasta", hän kirjoittaa.

Kaikki tiede, tarkoituksella tai ei, perustuu lähtökohtaan niiden olemassaolosta. objektiivisia fyysisiä lakejajotka sisältävät keskenään yhteensopivan joukon fyysisiä peruspostulaatteja, jotka kuvaavat fyysisen universumin ja kaiken sen käyttäytymistä. Tällainen teoria ei tietenkään edellytä täydellistä selitystä tai kuvausta kaikesta olemassa olevasta, mutta todennäköisimmin se kuvaa tyhjentävästi kaikki todennettavissa olevat fysikaaliset prosessit. Loogisesti yksi välittömistä hyödyistä tällaisen TW-ymmärryksessä olisi lopettaa kokeet, joissa teoria ennustaa negatiivisia tuloksia.

Useimmat fyysikot joutuvat lopettamaan tutkimuksen ja hankkimaan elantonsa opettamalla, ei tutkimalla. Yleisö ei kuitenkaan luultavasti välitä siitä, voidaanko painovoimaa selittää aika-avaruuden kaarevuuden avulla.

Tietysti on toinenkin mahdollisuus - universumi ei yksinkertaisesti tule yhdistymään. Symmetriat, joihin olemme päässeet, ovat yksinkertaisesti omia matemaattisia keksintöjämme, eivätkä ne kuvaa fyysistä maailmankaikkeutta.

Nautil.Us-sivuston korkean profiilin artikkelissa Sabina Hossenfelder (3), tutkija Frankfurtin Institute for Advanced Studysta, arvioi, että "koko ajatus kaiken teoriasta perustuu epätieteelliseen olettamukseen". ”Tämä ei ole paras strategia tieteellisten teorioiden kehittämiseen. (…) Kauneuden tukeminen teorian kehityksessä on historiallisesti toiminut huonosti. Hänen mielestään luontoa ei ole syytä kuvata kaiken teorialla. Vaikka tarvitsemme painovoiman kvanttiteorian välttääksemme loogisen epäjohdonmukaisuuden luonnonlaeissa, standardimallin voimien ei tarvitse olla yhtenäisiä eikä niitä tarvitse yhdistää painovoiman kanssa. Kyllä se olisi mukavaa, mutta se on tarpeetonta. Vakiomalli toimii hyvin ilman yhtenäistämistä, tutkija korostaa. Luonto ei selvästikään välitä siitä, mitä fyysikot pitävät kaunista matematiikkaa, neiti Hossenfelder sanoo vihaisesti. Fysiikassa teoreettisen kehityksen läpimurrot liittyvät matemaattisten epäjohdonmukaisuuksien ratkaisuun, ei kauniisiin ja "valmiisiin" malleihin.

Näistä raittiista kehotuksista huolimatta uusia ehdotuksia kaiken teoriaksi esitetään jatkuvasti, kuten Garrett Lisin vuonna 2007 julkaistu The Exceptionally Simple Theory of Everything. Siinä on se ominaisuus, että prof. Hossenfelder on kaunis ja se voidaan näyttää kauniisti houkuttelevilla visualisoinneilla (4). Tämä teoria, nimeltään E8, väittää, että avain maailmankaikkeuden ymmärtämiseen on matemaattinen esine symmetrisen ruusukkeen muodossa.

Lisi loi tämän rakenteen piirtämällä alkuainehiukkaset kaavioon, joka ottaa huomioon myös tunnetut fyysiset vuorovaikutukset. Tuloksena on 248 pisteen monimutkainen kahdeksanulotteinen matemaattinen rakenne. Jokainen näistä pisteistä edustaa hiukkasia, joilla on erilaiset ominaisuudet. Kaaviossa on joukko hiukkasia, joilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka "puuttuvat". Ainakin joillakin näistä "puuttuneista" on teoreettisesti jotain tekemistä painovoiman kanssa, mikä kattaa kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian välisen kuilun.

4. Visualisointiteoria E8

Joten fyysikkojen on työskenneltävä täyttääkseen "Fox-pistorasian". Jos se onnistuu, mitä tapahtuu? Monet vastaavat sarkastisesti, että ei mitään erikoista. Vain kaunis kuva valmistuisi. Tämä konstruktio voi olla arvokas tässä mielessä, koska se näyttää meille, mitä todellisia seurauksia "kaiken teorian" loppuun saattamisella olisi. Ehkä käytännössä merkityksetön.