Bagaimana jika... kita menyelesaikan masalah asas dalam fizik. Segala-galanya menunggu teori yang tidak boleh datang

Apa yang akan memberi kita jawapan kepada misteri seperti jirim gelap dan tenaga gelap, misteri permulaan Alam Semesta, sifat graviti, kelebihan jirim berbanding antijirim, arah masa, penyatuan graviti dengan interaksi fizikal yang lain , penyatuan besar kuasa-kuasa alam menjadi satu asas, sehinggalah yang dipanggil teori segala-galanya ?

Menurut Einstein dan ramai lagi ahli fizik moden yang cemerlang, matlamat fizik adalah untuk mencipta teori segala-galanya (TV). Walau bagaimanapun, konsep teori sedemikian tidak jelas. Dikenali sebagai teori segala-galanya, ToE ialah teori fizikal hipotetikal yang secara konsisten menerangkan segala-galanya fenomena fizikal dan membolehkan anda meramalkan keputusan sebarang eksperimen. Pada masa kini, frasa ini biasanya digunakan untuk menerangkan teori yang cuba membuat kaitan dengannya teori umum relativiti. Setakat ini, tiada satu pun daripada teori ini menerima pengesahan percubaan.

Pada masa ini, teori paling maju yang mendakwa sebagai TW adalah berdasarkan prinsip holografik. Teori M 11 dimensi. Ia masih belum dibangunkan dan dianggap oleh ramai sebagai hala tuju pembangunan dan bukannya teori sebenar.

Ramai saintis meragui bahawa sesuatu seperti "teori segala-galanya" adalah mungkin, dan dalam erti kata yang paling asas, berdasarkan logik. Teorem Kurt Gödel mengatakan bahawa mana-mana sistem logik yang cukup kompleks adalah sama ada secara dalaman tidak konsisten (seseorang boleh membuktikan ayat dan percanggahan di dalamnya) atau tidak lengkap (terdapat ayat yang benar-benar remeh yang tidak dapat dibuktikan). Stanley Jackie menyatakan pada tahun 1966 bahawa TW mestilah teori matematik yang kompleks dan koheren, jadi ia pasti tidak lengkap.

Terdapat cara yang istimewa, asli dan emosi bagi teori segala-galanya. hipotesis holografik (1), memindahkan tugas ke pelan yang sedikit berbeza. Fizik lubang hitam nampaknya menunjukkan bahawa alam semesta kita bukanlah seperti yang dikatakan oleh deria kita. Realiti yang mengelilingi kita boleh menjadi hologram, i.e. unjuran satah dua dimensi. Ini juga terpakai kepada teorem Gödel itu sendiri. Tetapi adakah teori segala-galanya menyelesaikan sebarang masalah, adakah ia membolehkan kita menghadapi cabaran tamadun?

Terangkan alam semesta. Tetapi apakah alam semesta?

Pada masa ini kami mempunyai dua teori menyeluruh yang menerangkan hampir semua fenomena fizikal: Teori graviti Einstein (relativiti am) i. Yang pertama menerangkan dengan baik pergerakan objek makro, daripada bola sepak ke galaksi. dia sangat arif tentang atom dan zarah subatom. Masalahnya ialah kedua-dua teori ini menggambarkan dunia kita dengan cara yang sama sekali berbeza. Dalam mekanik kuantum, peristiwa berlaku dengan latar belakang yang tetap. ruang masa – manakala w adalah fleksibel. Apakah rupa teori kuantum ruang-masa melengkung? Kami tidak tahu.

Percubaan pertama untuk mencipta teori bersatu tentang segala-galanya muncul sejurus selepas penerbitan teori umum relativitisebelum kita memahami undang-undang asas yang mengawal kuasa nuklear. Konsep-konsep ini, dikenali sebagai Teori Kaluzi-Klein, berusaha untuk menggabungkan graviti dengan elektromagnetisme.

Selama beberapa dekad, teori rentetan, yang mewakili jirim sebagai terdiri daripada tali bergetar kecil atau gelung tenaga, dianggap terbaik untuk mencipta teori fizik bersatu. Walau bagaimanapun, sesetengah ahli fizik lebih suka kgraviti gelung tinggal kabeldi mana angkasa lepas itu sendiri terdiri daripada gelung kecil. Walau bagaimanapun, teori rentetan mahupun graviti kuantum gelung belum disahkan secara eksperimen.

Teori bersatu besar (GUT), menggabungkan kromodinamik kuantum dan teori interaksi elektrolemah, mewakili interaksi yang kuat, lemah dan elektromagnet sebagai manifestasi satu interaksi tunggal. Walau bagaimanapun, tiada satu pun daripada teori gabungan besar sebelumnya telah menerima pengesahan percubaan. Ciri umum teori bersatu besar ialah ramalan pereputan proton. Proses ini masih belum diperhatikan. Ia berikutan daripada ini bahawa jangka hayat proton mestilah sekurang-kurangnya 1032 tahun.

Model Standard 1968 menyatukan daya yang kuat, lemah dan elektromagnet di bawah satu payung yang menyeluruh. Semua zarah dan interaksinya telah dipertimbangkan, dan banyak ramalan baharu telah dibuat, termasuk satu ramalan penyatuan besar. Pada tenaga tinggi, pada urutan 100 GeV (tenaga yang diperlukan untuk mempercepatkan satu elektron kepada potensi 100 bilion volt), simetri yang menyatukan daya elektromagnet dan lemah akan dipulihkan.

Kewujudan yang baru telah diramalkan, dan dengan penemuan boson W dan Z pada tahun 1983, ramalan ini telah disahkan. Empat kuasa utama dikurangkan kepada tiga. Idea di sebalik penyatuan ialah ketiga-tiga kuasa Model Standard, dan mungkin juga tenaga graviti yang lebih tinggi, digabungkan menjadi satu struktur.

2. Persamaan Langrange yang menerangkan Model Standard, dibahagikan kepada lima komponen.

Ada yang mencadangkan bahawa pada tenaga yang lebih tinggi, mungkin sekitar Skala planck, graviti juga akan bergabung. Ini adalah salah satu motivasi utama teori rentetan. Apa yang menarik tentang idea-idea ini ialah jika kita mahu penyatuan, kita perlu memulihkan simetri pada tenaga yang lebih tinggi. Dan jika ia rosak pada masa ini, ia membawa kepada sesuatu yang boleh diperhatikan, zarah baharu dan interaksi baharu.

Lagrangian Model Piawai ialah satu-satunya persamaan yang menerangkan zarah i pengaruh Model Standard (2). Ia terdiri daripada lima bahagian bebas: tentang gluon dalam zon 1 persamaan, boson lemah dalam bahagian bertanda dua, bertanda tiga, ialah penerangan matematik tentang cara jirim berinteraksi dengan daya lemah dan medan Higgs, zarah hantu yang menolak. lebihan medan Higgs di bahagian keempat, dan semangat yang diterangkan di bawah lima tahun Fadeev-Popovyang menjejaskan lebihan interaksi yang lemah. Jisim neutrino tidak diambil kira.

Walaupun Model standard kita boleh menulisnya sebagai persamaan tunggal, ia bukanlah satu keseluruhan yang homogen dalam erti kata bahawa terdapat banyak ungkapan bebas yang berasingan yang mengawal pelbagai komponen alam semesta. Bahagian berasingan Model Standard tidak berinteraksi antara satu sama lain, kerana cas warna tidak menjejaskan interaksi elektromagnet dan lemah, dan soalan tetap tidak terjawab mengapa interaksi yang sepatutnya berlaku, sebagai contoh, pelanggaran CP dalam interaksi yang kuat, tidak berfungsi. ambil tempat.

Apabila simetri dipulihkan (pada puncak potensi), penyatuan berlaku. Walau bagaimanapun, pecahan simetri di bahagian paling bawah adalah konsisten dengan alam semesta yang kita ada hari ini, bersama-sama dengan jenis zarah besar yang baharu. Jadi apakah "daripada segalanya" teori ini? Yang itu, i.e. alam semesta asimetri sebenar, atau satu dan simetri, tetapi akhirnya bukan alam semesta yang kita hadapi.

Kecantikan menipu model "lengkap".

Lars English, dalam The No Theory of Everything, berpendapat bahawa tidak ada satu set peraturan yang boleh menggabungkan kerelatifan am dengan mekanik kuantumkerana apa yang benar pada tahap kuantum tidak semestinya benar pada tahap graviti. Dan lebih besar dan lebih kompleks sistem, lebih banyak ia berbeza daripada unsur konstituennya. "Maksudnya bukanlah bahawa peraturan graviti ini bercanggah dengan mekanik kuantum, tetapi ia tidak boleh diperoleh daripada fizik kuantum, " tulisnya.

Semua sains, secara sengaja atau tidak, adalah berdasarkan premis kewujudan mereka. undang-undang fizikal objektifyang melibatkan satu set postulat fizikal asas yang saling serasi yang menerangkan tingkah laku alam semesta fizikal dan segala-galanya di dalamnya. Sudah tentu, teori sedemikian tidak memerlukan penjelasan atau penerangan lengkap tentang segala yang wujud, tetapi, kemungkinan besar, ia menerangkan secara menyeluruh semua proses fizikal yang boleh disahkan. Secara logiknya, salah satu faedah segera daripada pemahaman TW sedemikian adalah untuk menghentikan eksperimen di mana teori itu meramalkan keputusan negatif.

Kebanyakan ahli fizik perlu berhenti menyelidik dan membuat pengajaran hidup, bukan menyelidik. Walau bagaimanapun, orang ramai mungkin tidak peduli sama ada daya graviti boleh dijelaskan dari segi kelengkungan ruang masa.

Sudah tentu, terdapat satu lagi kemungkinan - Alam Semesta tidak akan bersatu. Simetri yang telah kita capai hanyalah ciptaan matematik kita sendiri dan tidak menggambarkan alam semesta fizikal.

Dalam artikel berprofil tinggi untuk Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), seorang saintis di Institut Kajian Lanjutan Frankfurt, menilai bahawa "keseluruhan idea teori segala-galanya adalah berdasarkan andaian yang tidak saintifik." “Ini bukan strategi terbaik untuk membangunkan teori saintifik. (…) Kebergantungan pada keindahan dalam perkembangan teori secara historis tidak berfungsi dengan baik.” Pada pendapatnya, tidak ada sebab untuk alam semula jadi digambarkan oleh teori segala-galanya. Walaupun kita memerlukan teori kuantum graviti untuk mengelakkan ketidakkonsistenan logik dalam undang-undang alam, daya dalam Model Standard tidak perlu disatukan dan tidak perlu disatukan dengan graviti. Ia akan menjadi bagus, ya, tetapi ia tidak perlu. Model standard berfungsi dengan baik tanpa penyatuan, pengkaji menekankan. Alam semula jadi jelas tidak peduli apa yang difikirkan oleh ahli fizik sebagai matematik yang indah, kata Cik Hossenfelder dengan marah. Dalam fizik, kejayaan dalam pembangunan teori dikaitkan dengan penyelesaian ketidakkonsistenan matematik, dan bukan dengan model yang cantik dan "selesai".

Di sebalik teguran yang serius ini, cadangan baru untuk teori segala-galanya sentiasa dikemukakan, seperti Garrett Lisi The Exceptionally Simple Theory of Everything, diterbitkan pada tahun 2007. Ia mempunyai ciri yang Prof. Hossenfelder cantik dan boleh ditunjukkan dengan cantik dengan visualisasi yang menarik (4). Teori ini, yang dipanggil E8, mendakwa bahawa kunci untuk memahami alam semesta adalah objek matematik dalam bentuk roset simetri.

Lisi mencipta struktur ini dengan memplot zarah asas pada graf yang turut mengambil kira interaksi fizikal yang diketahui. Hasilnya ialah struktur matematik lapan dimensi yang kompleks sebanyak 248 mata. Setiap titik ini mewakili zarah dengan sifat yang berbeza. Terdapat sekumpulan zarah dalam rajah dengan sifat tertentu yang "hilang". Sekurang-kurangnya sebahagian daripada "hilang" ini secara teorinya ada kaitan dengan graviti, merapatkan jurang antara mekanik kuantum dan relativiti am.

4. Teori visualisasi E8

Jadi ahli fizik perlu bekerja untuk mengisi "soket Fox". Jika ia berjaya, apa yang akan berlaku? Ramai yang menyindir menjawab tiada yang istimewa. Hanya gambar yang cantik akan selesai. Pembinaan ini boleh menjadi berharga dalam pengertian ini, kerana ia menunjukkan kepada kita apa akibat sebenar melengkapkan "teori segala-galanya". Mungkin tidak penting dari segi praktikal.