Mi van, ha... alapvető fizikai problémákat oldunk meg. Minden egy elméletre vár, amelyből semmi sem származhat

Mi adja meg a választ olyan rejtélyekre, mint a sötét anyag és a sötét energia, az Univerzum kezdetének rejtélye, a gravitáció természete, az anyag előnye az antianyaggal szemben, az idő iránya, a gravitáció egyesítése más fizikai kölcsönhatásokkal , a természeti erők nagy egyesítése egyetlen alapba, egészen az úgynevezett mindenek elméletéig ?

Einstein szerint és sok más kiváló modern fizikus, a fizika célja éppen az, hogy mindenről elméletet alkosson (TV). Egy ilyen elmélet koncepciója azonban nem egyértelmű. A mindennek elméleteként ismert ToE egy hipotetikus fizikai elmélet, amely következetesen mindent leír fizikai jelenségek és lehetővé teszi bármely kísérlet eredményének előrejelzését. Manapság ezt a kifejezést gyakran használják olyan elméletek leírására, amelyek megpróbálnak kapcsolatot teremteni általános relativitáselmélet. Eddig ezeknek az elméleteknek egyike sem kapott kísérleti megerősítést.

Jelenleg a legfejlettebb elmélet, amely magát TW-nek állítja, a holografikus elven alapul. 11 dimenziós M-elmélet. Még nem fejlesztették ki, és sokan inkább fejlődési iránynak tekintik, mint tényleges elméletnek.

Sok tudós kételkedik abban, hogy valami olyasmi, mint a „minden elmélete”, egyáltalán lehetséges, és a legalapvetőbb értelemben logikán alapul. Kurt Gödel tétele azt mondja, hogy minden kellően összetett logikai rendszer vagy belsőleg inkonzisztens (bizonyítható egy mondat és benne annak ellentmondása), vagy hiányos (vannak triviálisan igaz mondatok, amelyeket nem lehet bizonyítani). Stanley Jackie 1966-ban megjegyezte, hogy a TW-nek összetett és koherens matematikai elméletnek kell lennie, így elkerülhetetlenül hiányos lesz.

Mindennek van egy sajátos, eredeti és érzelmes módja az elméletnek. holografikus hipotézis (1), a feladat áthelyezése egy kicsit más tervre. A fekete lyukak fizikája úgy tűnik, hogy az univerzumunk nem az, amit érzékszerveink mondanak nekünk. A minket körülvevő valóság lehet hologram, i.e. kétdimenziós sík vetítése. Ez vonatkozik magára Gödel tételére is. De megold-e egy ilyen mindenre vonatkozó elmélet bármilyen problémát, lehetővé teszi-e, hogy szembenézzünk a civilizációs kihívásokkal?

Írd le az univerzumot. De mi is az univerzum?

Jelenleg két átfogó elméletünk van, amelyek szinte minden fizikai jelenséget megmagyaráznak: Einstein gravitációs elmélete (általános relativitáselmélet) i. Az első jól magyarázza a makroobjektumok mozgását, a futballlabdáktól a galaxisokig. nagyon jól ismeri az atomokat és a szubatomi részecskéket. Az a probléma ez a két elmélet teljesen eltérő módon írja le világunkat. A kvantummechanikában az események rögzített háttér előtt zajlanak. téridő – míg w rugalmas. Hogyan fog kinézni a görbe téridő kvantumelmélete? Nem tudjuk.

Nem sokkal a publikáció után jelentek meg az első kísérletek egy egységes elmélet megalkotására mindenről általános relativitáselméletmielőtt megértenénk a nukleáris erőket irányító alapvető törvényeket. Ezek a fogalmak, az úgynevezett Kaluzi-Klein elmélet, a gravitáció és az elektromágnesesség összekapcsolására törekedett.

Évtizedek óta a húrelmélet, amely az anyagot úgy ábrázolja, mint amiből áll apró vibráló húrok vagy energiahurok, létrehozásához a legjobbnak tartják egységes fizikaelmélet. Egyes fizikusok azonban inkább a kkábeltartó hurok gravitációamelyben maga a világűr apró hurkokból áll. Azonban sem a húrelméletet, sem a hurokkvantumgravitációt nem sikerült kísérletileg igazolni.

A kvantumkromodinamikat és az elektrogyenge kölcsönhatások elméletét ötvöző Grand Unified Theories (GUT-ok) az erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokat egyetlen kölcsönhatás megnyilvánulásaként képviselik. Azonban a korábbi nagy egységes elméletek egyike sem kapott kísérleti megerősítést. A nagy egységes elmélet közös jellemzője a proton bomlásának előrejelzése. Ezt a folyamatot még nem figyelték meg. Ebből következik, hogy a proton élettartamának legalább 1032 évnek kell lennie.

Az 1968-as szabványmodell egyetlen átfogó esernyő alatt egyesítette az erős, gyenge és elektromágneses erőket. Minden részecskét és kölcsönhatásaikat figyelembe vették, és sok új előrejelzés született, köztük egy nagy egyesülési jóslat. Nagy, 100 GeV nagyságrendű energiáknál (egy elektron 100 milliárd voltos potenciálra gyorsításához szükséges energia) helyreáll az elektromágneses és gyenge erőket egyesítő szimmetria.

Újak létezését jósolták, és a W és Z bozonok 1983-as felfedezésével ezek a jóslatok beigazolódtak. A négy fő erő háromra csökkent. Az egyesülés mögött az a gondolat áll, hogy a Standard Modell mindhárom ereje, és talán még a gravitáció magasabb energiája is, egyetlen szerkezetbe egyesül.

2. A standard modellt leíró Langrange-egyenlet, öt komponensre bontva.

Egyesek azt javasolták, hogy még magasabb energiáknál, talán kb Planck skála, a gravitáció is egyesülni fog. Ez a húrelmélet egyik fő motivációja. Ami nagyon érdekes ezekben az elképzelésekben, az az, hogy ha egyesülést akarunk, akkor magasabb energiáknál vissza kell állítani a szimmetriát. És ha jelenleg elromlanak, az valami megfigyelhetőhez, új részecskékhez és új kölcsönhatásokhoz vezet.

A Standard Modell Lagrange-ja az egyetlen egyenlet, amely leírja a részecskéket i a standard modell hatása (2). Öt független részből áll: az egyenlet 1. zónájában lévő gluonokról, a kettővel jelölt részben a gyenge bozonokról, a hárommal jelölt részben, matematikai leírása annak, hogy az anyag hogyan lép kölcsönhatásba a gyenge erővel és a Higgs mezővel, szellemrészecskék, amelyek kivonják a Higgs-mező feleslege a negyedik részeiben, és az ötös alatt leírt szellemek Fadejev-Popovamelyek befolyásolják a gyenge kölcsönhatás redundanciáját. A neutrínó tömegét nem veszik figyelembe.

Bár Normál modell felírhatjuk egyetlen egyenletként, nem igazán homogén egész abban az értelemben, hogy sok különálló, független kifejezés szabályozza az univerzum különböző összetevőit. A Standard Modell különálló részei nem lépnek kölcsönhatásba egymással, mert a színtöltés nem befolyásolja az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatásokat, és megválaszolatlan marad a kérdés, hogy miért nem működnek azok a kölcsönhatások, amelyeknek fel kell lépniük, például erős kölcsönhatások esetén a CP megsértése. megtörténik.

Amikor a szimmetriák helyreállnak (a potenciál csúcsán), az egyesülés megtörténik. A legalul megtörő szimmetria azonban összhangban van a mai univerzummal, valamint az újfajta hatalmas részecskékkel. Tehát mi legyen „mindenből” ez az elmélet? Az, amelyik van, i.e. egy valódi aszimmetrikus univerzum, vagy egy és szimmetrikus, de végül nem az, amivel dolgunk van.

A "komplett" modellek megtévesztő szépsége

Lars English The No Theory of Everything című művében azt állítja, hogy nincs egyetlen olyan szabályrendszer sem, amely képes lenne rá ötvözi az általános relativitáselméletet a kvantummechanikávalmert ami kvantum szinten igaz, az nem feltétlenül igaz a gravitáció szintjén. És minél nagyobb és bonyolultabb a rendszer, annál jobban eltér az alkotóelemeitől. „Nem az a lényeg, hogy ezek a gravitációs szabályok ellentmondanak a kvantummechanikának, hanem az, hogy nem származtathatók le a kvantumfizikából” – írja.

Minden tudomány, akár szándékosan, akár nem, létezésének előfeltevésén alapul. objektív fizikai törvényekamelyek a fizikai univerzum és minden benne lévő viselkedést leíró alapvető fizikai posztulátumok kölcsönösen kompatibilis halmazát foglalják magukban. Természetesen egy ilyen elmélet nem foglalja magában minden létező teljes magyarázatát vagy leírását, de valószínűleg kimerítően leír minden ellenőrizhető fizikai folyamatot. Logikusan a TW ilyen megértésének egyik közvetlen előnye az lenne, ha leállítanák azokat a kísérleteket, amelyekben az elmélet negatív eredményeket jósol.

A legtöbb fizikusnak abba kell hagynia a kutatást, és abból kell megélnie, hogy tanítson, ne kutasson. A közvéleményt azonban valószínűleg nem érdekli, hogy a gravitációs erő magyarázható-e a téridő görbületével.

Természetesen van egy másik lehetőség – az Univerzum egyszerűen nem fog egyesülni. A szimmetriák, amelyekhez eljutottunk, egyszerűen saját matematikai találmányaink, és nem írják le a fizikai univerzumot.

Sabina Hossenfelder (3), a Frankfurt Institute for Advanced Study tudósa a Nautil.Us-nak megjelent nagy horderejű cikkében úgy értékelte, hogy "a mindenről szóló elmélet egésze egy tudománytalan feltételezésen alapul". „Nem ez a legjobb stratégia a tudományos elméletek kidolgozására. (…) Az elmélet fejlődésében a szépségre való hagyatkozás történelmileg rosszul működött.” Véleménye szerint nincs ok arra, hogy a természetet mindenre vonatkozó elmélet írja le. Míg szükségünk van a gravitáció kvantumelméletére, hogy elkerüljük a természeti törvények logikai következetlenségét, a Standard Modellben szereplő erőket nem kell egyesíteni, és nem kell egyesíteniük a gravitációval. Jó lenne, igen, de felesleges. A standard modell egységesítés nélkül is jól működik – hangsúlyozza a kutató. A természetet nyilvánvalóan nem érdekli, hogy a fizikusok mit tartanak szép matematikának – mondja dühösen Ms. Hossenfelder. A fizikában az elméleti fejlődés áttörései a matematikai következetlenségek megoldásához kapcsolódnak, nem pedig a szép és "kész" modellekhez.

E józan intelmek ellenére folyamatosan új javaslatokat tesznek a mindenre vonatkozó elméletre, mint például Garrett Lisi 2007-ben megjelent The Exceptionally Simple Theory of Everything című műve. Megvan az a tulajdonsága, hogy prof. Hossenfelder gyönyörű, és vonzó vizualizációkkal gyönyörűen meg lehet mutatni (4). Ez az E8-nak nevezett elmélet azt állítja, hogy az univerzum megértésének kulcsa az matematikai tárgy szimmetrikus rozetta formájában.

Lisi úgy hozta létre ezt a szerkezetet, hogy elemi részecskéket ábrázolt egy gráfon, amely figyelembe veszi az ismert fizikai kölcsönhatásokat is. Az eredmény egy összetett nyolcdimenziós matematikai struktúra 248 pontból. Ezen pontok mindegyike különböző tulajdonságokkal rendelkező részecskéket jelent. A diagramon olyan részecskék találhatók, amelyek bizonyos tulajdonságokkal "hiányoznak". Ezek közül legalább néhánynak elméletileg köze van a gravitációhoz, áthidalva a szakadékot a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet között.

4. Vizualizációs elmélet E8

A fizikusoknak tehát dolgozniuk kell, hogy kitöltsék a "rókafoglalatot". Ha sikerül, mi lesz? Sokan gúnyosan azt válaszolják, hogy semmi különös. Csak egy szép kép lenne kész. Ez a konstrukció ebben az értelemben értékes lehet, hiszen megmutatja, milyen valódi következményei lennének egy „mindenről szóló elmélet” befejezésének. Gyakorlati értelemben talán jelentéktelen.