Ами ако... решим фундаментални проблеми във физиката. Всичко чака теория, от която нищо не може да произлезе

Какво ще ни даде отговора на такива мистерии като тъмна материя и тъмна енергия, мистерията на началото на Вселената, природата на гравитацията, предимството на материята пред антиматерията, посоката на времето, обединяването на гравитацията с други физически взаимодействия , великото обединение на природните сили в една основна, до т. нар. теория на всичко ?

Според Айнщайн и много други изключителни съвременни физици, целта на физиката е именно да създаде теория за всичко (ТВ). Концепцията на такава теория обаче не е еднозначна. Известна като теория на всичко, ToE е хипотетична физическа теория, която последователно описва всичко физически явления и ви позволява да предскажете резултата от всеки експеримент. В днешно време тази фраза често се използва за описване на теории, които се опитват да направят връзка обща теория на относителността. Досега нито една от тези теории не е получила експериментално потвърждение.

Понастоящем най-напредналата теория, която твърди, че е TW, се основава на холографския принцип. 11-мерна М-теория. Тя все още не е разработена и се смята от мнозина за посока на развитие, а не за действителна теория.

Много учени се съмняват, че нещо като "теория на всичко" е възможно дори и в най-основния смисъл, базирано на логика. Теоремата на Курт Гьодел казва, че всяка достатъчно сложна логическа система е или вътрешно непоследователна (може да се докаже едно изречение и неговото противоречие в него), или непълна (има тривиално верни изречения, които не могат да бъдат доказани). Стенли Джаки отбеляза през 1966 г., че TW трябва да е сложна и последователна математическа теория, така че неизбежно ще бъде непълна.

Има специален, оригинален и емоционален начин на теорията на всичко. холографска хипотеза (1), прехвърляйки задачата в малко по-различен план. Физиката на черните дупки изглежда показва, че нашата вселена не е това, което нашите сетива ни казват. Реалността, която ни заобикаля, може да бъде холограма, т.е. проекция на двуизмерна равнина. Това важи и за самата теорема на Гьодел. Но дали подобна теория за всичко решава някакви проблеми, позволява ли ни да се изправим срещу предизвикателствата на цивилизацията?

Опишете Вселената. Но какво е Вселената?

В момента имаме две всеобхватни теории, които обясняват почти всички физически явления: Теорията на Айнщайн за гравитацията (обща теория на относителността) i. Първият обяснява добре движението на макро обекти, от футболни топки до галактики. той е много запознат с атомите и субатомните частици. Проблемът е в това тези две теории описват нашия свят по напълно различни начини. В квантовата механика събитията се случват на фиксиран фон. пространство-време – докато w е гъвкав. Как ще изглежда квантовата теория за извитото пространство-време? Ние незнаем.

Първите опити за създаване на единна теория за всичко се появяват малко след публикацията обща теория на относителносттапреди да разберем основните закони, които управляват ядрените сили. Тези понятия, известни като Теория на Калузи-Клайн, се стреми да комбинира гравитацията с електромагнетизма.

В продължение на десетилетия теорията на струните, която представя материята като съставена от малки вибриращи струни или енергиен контур, се счита за най-доброто за създаване единна теория на физиката. Някои физици обаче предпочитат kгравитация на кабелна примкав който самото космическо пространство е изградено от малки бримки. Въпреки това, нито теорията на струните, нито кръговата квантова гравитация са експериментално тествани.

Теориите за голямо обединение (GUTs), съчетаващи квантовата хромодинамика и теорията на електрослабите взаимодействия, представят силните, слабите и електромагнитните взаимодействия като проява на едно обединено взаимодействие. Нито една от предишните теории за велико обединение обаче не е получила експериментално потвърждение. Обща черта на теорията за великото обединение е предсказването на разпада на протона. Този процес все още не е наблюдаван. От това следва, че животът на протона трябва да бъде най-малко 1032 години.

Стандартният модел от 1968 г. обединява силните, слабите и електромагнитните сили под един всеобхватен чадър. Всички частици и техните взаимодействия са разгледани и са направени много нови прогнози, включително едно голямо предсказание за обединяване. При високи енергии, от порядъка на 100 GeV (енергията, необходима за ускоряване на един електрон до потенциал от 100 милиарда волта), симетрията, обединяваща електромагнитните и слабите сили, ще бъде възстановена.

Съществуването на нови е предсказано и с откриването на W и Z бозоните през 1983 г. тези прогнози се потвърждават. Четирите основни сили бяха намалени до три. Идеята зад обединението е, че и трите сили на Стандартния модел, и може би дори по-високата енергия на гравитацията, са комбинирани в една структура.

2. Уравнението на Ланранж, описващо стандартния модел, разделено на пет компонента.

Някои предполагат, че при още по-високи енергии, може би наоколо Планков мащаб, гравитацията също ще се комбинира. Това е една от основните мотиви на теорията на струните. Това, което е много интересно в тези идеи, е, че ако искаме обединение, трябва да възстановим симетрията при по-високи енергии. И ако в момента са счупени, това води до нещо наблюдавано, нови частици и нови взаимодействия.

Лагранжианът на стандартния модел е единственото уравнение, описващо частици i влиянието на стандартния модел (2). Състои се от пет независими части: за глуони в зона 1 на уравнението, слаби бозони в частта, отбелязана с две, означена с три, е математическо описание на това как материята взаимодейства със слабата сила и полето на Хигс, призрачните частици, които изваждат излишъкът от полето на Хигс в части от четвъртия и духовете, описани под пет Фадеев-Поповкоито влияят на излишността на слабото взаимодействие. Масите на неутрино не се вземат предвид.

Въпреки че Стандартен модел можем да го запишем като едно уравнение, то всъщност не е хомогенно цяло в смисъл, че има много отделни, независими изрази, които управляват различните компоненти на Вселената. Отделни части на стандартния модел не взаимодействат помежду си, тъй като цветният заряд не влияе на електромагнитните и слабите взаимодействия и остават без отговор въпроси защо взаимодействията, които трябва да възникнат, например CP нарушение при силни взаимодействия, не работят. заеми място.

Когато симетриите се възстановят (на върха на потенциала), настъпва обединение. Въпреки това, нарушаването на симетрията в самото дъно е в съответствие с вселената, която имаме днес, заедно с нови видове масивни частици. И така, какво „от всичко“ трябва да бъде тази теория? Този, който е, т.е. истинска асиметрична вселена, или една и симетрична, но в крайна сметка не тази, с която имаме работа.

Измамната красота на "завършените" модели

Ларс Инглиш в „Без теория на всичко“ твърди, че няма единен набор от правила, които биха могли комбинира общата теория на относителността с квантовата механиказащото това, което е вярно на квантово ниво, не е непременно вярно на нивото на гравитацията. И колкото по-голяма и сложна е системата, толкова повече се различава от съставните й елементи. „Въпросът не е, че тези правила на гравитацията противоречат на квантовата механика, а че не могат да бъдат извлечени от квантовата физика“, пише той.

Цялата наука, умишлено или не, се основава на предпоставката за тяхното съществуване. обективни физични законикоито включват взаимно съвместим набор от фундаментални физически постулати, описващи поведението на физическата вселена и всичко в нея. Разбира се, такава теория не включва пълно обяснение или описание на всичко, което съществува, но най-вероятно тя описва изчерпателно всички проверими физически процеси. Логично, едно от непосредствените предимства на подобно разбиране на TW би било спирането на експерименти, при които теорията предсказва отрицателни резултати.

Повечето физици ще трябва да спрат да изследват и да си изкарват прехраната с преподаване, а не с изследвания. Обществеността обаче вероятно не се интересува дали силата на гравитацията може да бъде обяснена от гледна точка на кривината на пространство-времето.

Разбира се, има и друга възможност - Вселената просто няма да се обедини. Симетриите, до които стигнахме, са просто наши собствени математически изобретения и не описват физическата вселена.

В резонансна статия за Nautil.Us Сабина Хосенфелдер (3), учен от Франкфуртския институт за напреднали изследвания, оценява, че „цялата идея за теория на всичко се основава на ненаучно предположение“. „Това не е най-добрата стратегия за развитие на научни теории. (...) Разчитането на красотата в развитието на теорията исторически е работило зле.” Според нея няма причина природата да се описва с теория за всичко. Докато се нуждаем от квантова теория на гравитацията, за да избегнем логическо несъответствие в законите на природата, силите в Стандартния модел не е необходимо да бъдат обединени и не е необходимо да бъдат обединени с гравитацията. Би било хубаво, да, но не е необходимо. Стандартният модел работи добре без унификация, подчертава изследователят. Очевидно природата не се интересува от това, което физиците смятат за красива математика, ядосано казва г-жа Хосенфелдер. Във физиката пробивите в теоретичното развитие се свързват с решаването на математически несъответствия, а не с красиви и „завършени“ модели.

Въпреки тези трезви предупреждения, непрекъснато се правят нови предложения за теория на всичко, като „Изключително простата теория на всичко“ на Гарет Лизи, публикувана през 2007 г. Има функцията, че проф. Хосенфелдер е красив и може да бъде показан красиво с атрактивни визуализации (4). Тази теория, наречена E8, твърди, че ключът към разбирането на Вселената е математически обект под формата на симетрична розетка.

Лиси създаде тази структура чрез начертаване на елементарни частици върху графика, която също отчита известни физически взаимодействия. Резултатът е сложна осеммерна математическа структура от 248 точки. Всяка от тези точки представлява частици с различни свойства. В диаграмата има група частици с определени свойства, които "липсват". Поне някои от тези „липсващи“ теоретично имат нещо общо с гравитацията, преодоляване на пропастта между квантовата механика и общата теория на относителността.

4. Теория на визуализацията E8

Така че физиците трябва да работят, за да запълнят „гнездото на Fox“. Ако успее, какво ще се случи? Мнозина саркастично отговарят, че нищо особено. Само една красива картина щеше да бъде завършена. Тази конструкция може да бъде ценна в този смисъл, тъй като ни показва какви биха били реалните последици от завършването на "теория на всичко". Може би незначително в практически смисъл.