Ja nu... mēs risinām fundamentālas problēmas fizikā. Viss gaida teoriju, no kuras nekas nevar iznākt

Kas mums sniegs atbildi uz tādiem noslēpumiem kā tumšā matērija un tumšā enerģija, Visuma sākuma noslēpums, gravitācijas būtība, matērijas priekšrocības pār antimatēriju, laika virziens, gravitācijas apvienošana ar citām fiziskām mijiedarbībām , lielā dabas spēku apvienošana vienā pamata, līdz tā sauktajai visa teorijai ?

Saskaņā ar Einšteinu un daudzi citi izcili mūsdienu fiziķi, fizikas mērķis ir tieši radīt teoriju par visu (TV). Tomēr šādas teorijas jēdziens nav viennozīmīgs. ToE, kas pazīstama kā visa teorija, ir hipotētiska fiziskā teorija, kas konsekventi apraksta visu fiziskas parādības un ļauj prognozēt jebkura eksperimenta rezultātu. Mūsdienās šo frāzi parasti izmanto, lai aprakstītu teorijas, kas mēģina izveidot saikni ar vispārējā relativitātes teorija. Līdz šim neviena no šīm teorijām nav saņēmusi eksperimentālu apstiprinājumu.

Pašlaik vismodernākā teorija, kas pretendē uz TW, balstās uz hologrāfisko principu. 11-dimensiju M-teorija. Tā vēl nav izstrādāta, un daudzi to uzskata par attīstības virzienu, nevis faktisku teoriju.

Daudzi zinātnieki šaubās, vai kaut kas līdzīgs "teorijai par visu" ir pat iespējams, un visvienkāršākajā nozīmē, pamatojoties uz loģiku. Kurta Gēdeļa teorēma saka, ka jebkura pietiekami sarežģīta loģiskā sistēma ir vai nu iekšēji nekonsekventa (var pierādīt teikumu un tā pretrunu tajā), vai arī nepilnīga (ir triviāli patiesi teikumi, kurus nevar pierādīt). Stenlijs Džekijs 1966. gadā atzīmēja, ka TW ir jābūt sarežģītai un saskaņotai matemātiskai teorijai, tāpēc tā neizbēgami būs nepilnīga.

Visam ir īpašs, oriģināls un emocionāls teorijas veids. hologrāfiskā hipotēze (1), pārceļot uzdevumu uz nedaudz citu plānu. Šķiet, ka melno caurumu fizika norāda, ka mūsu Visums nav tas, ko mums stāsta mūsu sajūtas. Realitāte, kas mūs ieskauj, var būt hologramma, t.i. divdimensiju plaknes projekcija. Tas attiecas arī uz pašu Gēdeļa teorēmu. Bet vai šāda visa teorija atrisina kādas problēmas, vai tā ļauj stāties pretī civilizācijas izaicinājumiem?

Aprakstiet Visumu. Bet kas ir Visums?

Pašlaik mums ir divas visaptverošas teorijas, kas izskaidro gandrīz visas fiziskās parādības: Einšteina gravitācijas teorija (vispārējā relativitāte) i. Pirmais labi izskaidro makro objektu kustību no futbola bumbām līdz galaktikām. viņš ir ļoti zinošs par atomiem un subatomiskām daļiņām. Problēma ir tāda šīs divas teorijas apraksta mūsu pasauli pilnīgi atšķirīgi. Kvantu mehānikā notikumi notiek uz fiksēta fona. telpa-laiks – kamēr w ir elastīgs. Kā izskatīsies izliektās telpas-laika kvantu teorija? Mēs nezinām.

Pirmie mēģinājumi izveidot vienotu teoriju visam parādījās neilgi pēc publikācijas vispārējā relativitātes teorijapirms mēs saprotam kodolspēkus regulējošos pamatlikumus. Šie jēdzieni, kas pazīstami kā Kaluzi-Kleina teorija, centās apvienot gravitāciju ar elektromagnētismu.

Gadu desmitiem ilgi stīgu teorija, kas atspoguļo matēriju kā sastāvošu no sīkas vibrējošas stīgas vai enerģijas cilpa, tiek uzskatīts par labāko radīšanai vienota fizikas teorija. Tomēr daži fiziķi dod priekšroku kkabeļu cilpas gravitācijakurā pašu kosmosu veido sīkas cilpas. Tomēr ne stīgu teorija, ne cilpas kvantu gravitācija nav eksperimentāli pārbaudīta.

Lielās vienotās teorijas (GUT), apvienojot kvantu hromodinamiku un elektrovājās mijiedarbības teoriju, atspoguļo spēcīgo, vājo un elektromagnētisko mijiedarbību kā vienas mijiedarbības izpausmi. Tomēr neviena no iepriekšējām lielajām vienotajām teorijām nav saņēmusi eksperimentālu apstiprinājumu. Lielās vienotās teorijas kopīga iezīme ir protona sabrukšanas prognoze. Šis process vēl nav novērots. No tā izriet, ka protona kalpošanas laikam jābūt vismaz 1032 gadiem.

1968. gada standarta modelis apvienoja stipros, vājos un elektromagnētiskos spēkus zem viena visaptveroša jumta. Ir ņemtas vērā visas daļiņas un to mijiedarbība, un ir izteiktas daudzas jaunas prognozes, tostarp viena liela apvienošanās prognoze. Pie lielām enerģijām, aptuveni 100 GeV (enerģija, kas nepieciešama, lai paātrinātu vienu elektronu līdz 100 miljardu voltu potenciālam), tiks atjaunota simetrija, kas apvieno elektromagnētiskos un vājos spēkus.

Tika prognozēta jaunu esamība, un līdz ar W un Z bozonu atklāšanu 1983. gadā šīs prognozes apstiprinājās. Četri galvenie spēki tika samazināti līdz trim. Apvienošanas ideja ir tāda, ka visi trīs standarta modeļa spēki un, iespējams, pat augstākā gravitācijas enerģija tiek apvienoti vienā struktūrā.

2. Langrange vienādojums, kas apraksta standarta modeli, sadalīts piecos komponentos.

Daži ir ierosinājuši, ka pie vēl augstākām enerģijām, iespējams, ap Planka skala, apvienosies arī gravitācija. Šī ir viena no galvenajām stīgu teorijas motivācijām. Ļoti interesanti šajās idejās ir tas, ka, ja mēs vēlamies apvienošanos, mums ir jāatjauno simetrija augstākās enerģijās. Un, ja tie pašlaik ir salauzti, tas noved pie kaut kā novērojama, jaunām daļiņām un jaunām mijiedarbībām.

Standarta modeļa Lagranža ir vienīgais vienādojums, kas apraksta daļiņas i Standarta modeļa ietekme (2). Tas sastāv no piecām neatkarīgām daļām: par gluoniem vienādojuma 1. zonā, vājajiem bozoniem daļā, kas apzīmēta ar divi, apzīmēta ar trīs, ir matemātisks apraksts par to, kā matērija mijiedarbojas ar vājo spēku un Higsa lauku, spoku daļiņas, kas atņem. Higsa lauka pārpalikums ceturtās daļās un pieci aprakstītie gari Fadejevs-Popovskas ietekmē vājās mijiedarbības dublēšanos. Neitrīno masas netiek ņemtas vērā.

Kaut gan Standarta modelis mēs to varam uzrakstīt kā vienu vienādojumu, tas patiesībā nav viendabīgs veselums tādā nozīmē, ka ir daudz atsevišķu, neatkarīgu izteiksmju, kas regulē dažādas Visuma sastāvdaļas. Atsevišķas Standarta modeļa daļas savstarpēji mijiedarbojas, jo krāsu lādiņš neietekmē elektromagnētisko un vājo mijiedarbību, un paliek neatbildēti jautājumi, kāpēc mijiedarbība, kurai vajadzētu notikt, piemēram, CP pārkāpums spēcīgā mijiedarbībā, nedarbojas. norisināties.

Kad simetrijas tiek atjaunotas (potenciāla virsotnē), notiek apvienošanās. Tomēr simetrija, kas pārtrūkst pašā apakšā, atbilst mūsdienu Visumam, kā arī jauna veida masīvām daļiņām. Tātad, kam "no visa" vajadzētu būt šai teorijai? Tas, kas ir, t.i. īsts asimetrisks Visums vai viens un simetrisks, bet galu galā ne tas, ar kuru mums ir darīšana.

"Pilnīgu" modeļu mānīgais skaistums

Larss Anglijas grāmatā The No Theory of Everything apgalvo, ka nav neviena vienota noteikumu kopuma, kas varētu būt apvienot vispārējo relativitāti ar kvantu mehānikujo tas, kas ir patiess kvantu līmenī, ne vienmēr ir patiess gravitācijas līmenī. Un jo lielāka un sarežģītāka ir sistēma, jo vairāk tā atšķiras no tās sastāvdaļām. "Lēma nav tajā, ka šie gravitācijas noteikumi ir pretrunā ar kvantu mehāniku, bet gan tajā, ka tos nevar atvasināt no kvantu fizikas," viņš raksta.

Visa zinātne, tīši vai nē, balstās uz to pastāvēšanas priekšnoteikumiem. objektīvi fizikālie likumikas ietver savstarpēji saderīgu fizisko fundamentālo postulātu kopumu, kas apraksta fiziskā Visuma un visa tajā esošā uzvedību. Protams, šāda teorija neietver visu pastāvošā pilnīgu skaidrojumu vai aprakstu, bet, visticamāk, tā izsmeļoši apraksta visus pārbaudāmos fiziskos procesus. Loģiski, ka viens no tūlītējiem ieguvumiem no šādas TW izpratnes būtu to eksperimentu pārtraukšana, kuros teorija paredz negatīvus rezultātus.

Lielākajai daļai fiziķu nāksies beigt pētīt un pelnīt iztiku, mācot, nevis pētot. Tomēr sabiedrībai, iespējams, ir vienalga, vai gravitācijas spēku var izskaidrot ar telpas laika izliekumu.

Protams, ir arī cita iespēja – Visums vienkārši neapvienosies. Simetrijas, pie kurām esam nonākuši, ir vienkārši mūsu pašu matemātiski izgudrojumi un neapraksta fizisko Visumu.

Sabīne Hosenfeldere (3), Frankfurtes Padziļināto pētījumu institūta zinātniece, izdevumā Nautil.Us augsta profila rakstā novērtēja, ka "visa ideja par teoriju par visu ir balstīta uz nezinātnisku pieņēmumu". "Šī nav labākā stratēģija zinātnisko teoriju izstrādei. (..) Paļaušanās uz skaistumu teorijas attīstībā vēsturiski ir strādājusi slikti. Viņasprāt, nav nekāda pamata dabu aprakstīt ar teoriju par visu. Lai gan mums ir nepieciešama gravitācijas kvantu teorija, lai izvairītos no loģiskas pretrunas dabas likumos, Standarta modeļa spēkiem nav jābūt apvienotiem un tiem nav jābūt apvienotiem ar gravitāciju. Tas būtu jauki, jā, bet tas ir lieki. Standarta modelis labi darbojas bez unifikācijas, uzsver pētnieks. Dabai acīmredzami ir vienalga, ko fiziķi uzskata par skaistu matemātiku, Hosenfelderes kundze dusmīgi saka. Fizikā izrāvieni teorētiskajā attīstībā ir saistīti ar matemātisko neatbilstību atrisināšanu, nevis ar skaistiem un "pabeigtiem" modeļiem.

Neraugoties uz šiem prātīgajiem brīdinājumiem, nepārtraukti tiek izvirzīti jauni priekšlikumi teorijai par visu, piemēram, Gareta Lisi grāmata The Exceptionally Simple Theory of Everything, kas publicēta 2007. gadā. Tam ir tāda iezīme, ka prof. Hosenfelders ir skaists, un to var skaisti parādīt ar pievilcīgām vizualizācijām (4). Šī teorija, ko sauc par E8, apgalvo, ka Visuma izpratnes atslēga ir matemātisks objekts simetriskas rozetes formā.

Lisi izveidoja šo struktūru, attēlojot elementārdaļiņas grafikā, kurā ņemtas vērā arī zināmās fiziskās mijiedarbības. Rezultāts ir sarežģīta astoņu dimensiju matemātiskā struktūra ar 248 punktiem. Katrs no šiem punktiem attēlo daļiņas ar dažādām īpašībām. Diagrammā ir daļiņu grupa ar noteiktām īpašībām, kuras "trūkst". Vismaz dažiem no šiem "pazudušajiem" teorētiski ir kāds sakars ar gravitāciju, mazinot plaisu starp kvantu mehāniku un vispārējo relativitāti.

4. Vizualizācijas teorija E8

Tātad fiziķiem ir jāstrādā, lai aizpildītu "Fox ligzdu". Ja izdosies, kas notiks? Daudzi sarkastiski atbild, ka nekas īpašs. Vienkārši skaista bilde būtu pabeigta. Šī konstrukcija šajā ziņā var būt vērtīga, jo tā parāda, kādas būtu "visa teorijas" pabeigšanas reālās sekas. Varbūt nenozīmīgs praktiskā nozīmē.