Tänk om... vi löser grundläggande problem inom fysiken. Allt väntar på en teori som ingenting kan komma ifrån

Vad kommer att ge oss svaret på sådana mysterier som mörk materia och mörk energi, mysteriet med universums början, gravitationens natur, materiens fördel framför antimateria, tidens riktning, gravitationens förening med andra fysiska interaktioner , den stora föreningen av naturkrafterna till en grundläggande, upp till den så kallade teorin om allting?

Enligt Einstein och många andra framstående moderna fysiker, är fysikens mål just att skapa en teori om allting (TV). Begreppet en sådan teori är dock inte entydig. Känd som teorin om allting, är ToE en hypotetisk fysikalisk teori som konsekvent beskriver allt fysiska fenomen och låter dig förutsäga resultatet av alla experiment. Nuförtiden används denna fras ofta för att beskriva teorier som försöker skapa kopplingar till allmän relativitetsteori. Hittills har ingen av dessa teorier fått experimentell bekräftelse.

För närvarande är den mest avancerade teorin som påstår sig vara TW baserad på den holografiska principen. 11-dimensionell M-teori. Den har ännu inte utvecklats och anses av många vara en utvecklingsriktning snarare än en faktisk teori.

Många forskare tvivlar på att något som en "teori om allting" ens är möjligt, och i sin mest grundläggande mening, baserat på logik. Kurt Gödels sats säger att varje tillräckligt komplext logiskt system antingen är internt inkonsekvent (man kan bevisa en mening och dess motsägelse i den) eller ofullständig (det finns trivialt sanna meningar som inte kan bevisas). Stanley Jackie anmärkte 1966 att TW måste vara en komplex och sammanhängande matematisk teori, så den kommer oundvikligen att vara ofullständig.

Det finns ett speciellt, originellt och känslomässigt sätt att teorin om allting. holografisk hypotes (1), överföra uppgiften till en något annan plan. De svarta hålens fysik tycks indikera att vårt universum inte är vad våra sinnen säger till oss. Verkligheten som omger oss kan vara ett hologram, d.v.s. projektion av ett tvådimensionellt plan. Det gäller även själva Gödels sats. Men löser en sådan teori om allting några problem, tillåter den oss att möta civilisationens utmaningar?

Beskriv universum. Men vad är universum?

Vi har för närvarande två övergripande teorier som förklarar nästan alla fysiska fenomen: Einsteins gravitationsteori (allmän relativitetsteori) i. Den första förklarar väl rörelsen av makroobjekt, från fotbollar till galaxer. han är mycket kunnig om atomer och subatomära partiklar. Problemet är att dessa två teorier beskriver vår värld på helt olika sätt. Inom kvantmekaniken sker händelser mot en fast bakgrund. rum-tid – medan w är flexibel. Hur kommer kvantteorin om krökt rumtid se ut? Vi vet inte.

De första försöken att skapa en enhetlig teori om allt dök upp strax efter publiceringen allmän relativitetsteoriinnan vi förstår de grundläggande lagarna som styr kärnkrafterna. Dessa begrepp, kända som Kaluzi-Klein teori, försökte kombinera gravitation med elektromagnetism.

I decennier, strängteori, som representerar materia som består av små vibrerande strängar eller energislinga, anses vara den bästa för att skapa enhetlig teori om fysik. Vissa fysiker föredrar dock kkabelstagsögla gravitationdär själva yttre rymden består av små öglor. Emellertid har varken strängteori eller loopkvantgravitation testats experimentellt.

Stora förenade teorier (GUT), som kombinerar kvantkromodynamik och teorin om elektrosvaga interaktioner, representerar de starka, svaga och elektromagnetiska interaktionerna som en manifestation av en enda interaktion. Men ingen av de tidigare stora enade teorierna har fått experimentell bekräftelse. Ett gemensamt drag för den stora förenade teorin är förutsägelsen av protonens sönderfall. Denna process har ännu inte observerats. Av detta följer att livslängden för en proton måste vara minst 1032 år.

1968 års standardmodell förenade de starka, svaga och elektromagnetiska krafterna under ett övergripande paraply. Alla partiklar och deras interaktioner har beaktats, och många nya förutsägelser har gjorts, inklusive en stor förutsägelse om enande. Vid höga energier, i storleksordningen 100 GeV (energin som krävs för att accelerera en enstaka elektron till en potential på 100 miljarder volt), kommer symmetrin som förenar de elektromagnetiska och svaga krafterna att återställas.

Förekomsten av nya förutspåddes, och med upptäckten av W- och Z-bosonerna 1983 bekräftades dessa förutsägelser. De fyra huvudstyrkorna reducerades till tre. Tanken bakom enandet är att alla tre krafterna i standardmodellen, och kanske till och med den högre gravitationsenergin, kombineras till en struktur.

2. Langrange-ekvationen som beskriver standardmodellen, uppdelad i fem komponenter.

Vissa har föreslagit att vid ännu högre energier, kanske runt Planck skala, kommer också gravitationen att kombineras. Detta är en av de främsta motiven för strängteorin. Det som är väldigt intressant med dessa idéer är att om vi vill ha enande måste vi återställa symmetri vid högre energier. Och om de för närvarande är trasiga leder det till något observerbart, nya partiklar och nya interaktioner.

Lagrangian av standardmodellen är den enda ekvationen som beskriver partiklar i Standardmodellens inflytande (2). Den består av fem oberoende delar: om gluoner i zon 1 av ekvationen, svaga bosoner i delen markerade med två, markerade med tre, är en matematisk beskrivning av hur materia interagerar med den svaga kraften och Higgsfältet, spökpartiklar som subtraherar överskottet av Higgsfältet i delar av det fjärde, och andarna som beskrivs under fem Fadeev-Popovsom påverkar redundansen av den svaga interaktionen. Neutrinomassor tas inte med i beräkningen.

Även Standardmodell vi kan skriva det som en enda ekvation, det är egentligen inte en homogen helhet i den meningen att det finns många separata, oberoende uttryck som styr de olika komponenterna i universum. Separata delar av Standardmodellen interagerar inte med varandra, eftersom färgladdningen inte påverkar de elektromagnetiska och svaga interaktionerna, och frågor förblir obesvarade varför interaktioner som skulle uppstå, till exempel CP-brott i starka interaktioner, inte fungerar. äga rum.

När symmetrierna återställs (vid toppen av potentialen) sker enande. Men den symmetri som bryter ner längst ner är förenlig med det universum vi har idag, tillsammans med nya typer av massiva partiklar. Så vad "av allt" ska denna teori vara? Den som är, dvs. ett riktigt asymmetriskt universum, eller ett och symmetriskt, men i slutändan inte det vi har att göra med.

Den bedrägliga skönheten i "kompletta" modeller

Lars English, i The No Theory of Everything, hävdar att det inte finns någon enskild uppsättning regler som skulle kunna göra det kombinera generell relativitetsteori med kvantmekanikeftersom det som är sant på kvantnivån inte nödvändigtvis är sant på gravitationsnivån. Och ju större och mer komplext systemet är, desto mer skiljer det sig från dess beståndsdelar. "Poängen är inte att dessa gravitationsregler motsäger kvantmekaniken, utan att de inte kan härledas från kvantfysiken", skriver han.

All vetenskap, avsiktligt eller inte, bygger på premissen om deras existens. objektiva fysiska lagarsom innebär en ömsesidigt kompatibel uppsättning grundläggande fysiska postulat som beskriver det fysiska universums beteende och allt i det. Naturligtvis innebär en sådan teori inte en fullständig förklaring eller beskrivning av allt som existerar, men mest troligt beskriver den uttömmande alla verifierbara fysiska processer. Logiskt sett skulle en av de omedelbara fördelarna med en sådan förståelse av TW vara att stoppa experiment där teorin förutspår negativa resultat.

De flesta fysiker måste sluta forska och försörja sig på att undervisa, inte forska. Men allmänheten bryr sig förmodligen inte om tyngdkraften kan förklaras i termer av rumtidens krökning.

Naturligtvis finns det en annan möjlighet - universum kommer helt enkelt inte att förenas. De symmetrier vi har kommit fram till är helt enkelt våra egna matematiska uppfinningar och beskriver inte det fysiska universum.

I en högprofilerad artikel för Nautil.Us bedömde Sabina Hossenfelder (3), en vetenskapsman vid Frankfurt Institute for Advanced Study, att "hela idén med en teori om allting är baserad på ett ovetenskapligt antagande." "Det här är inte den bästa strategin för att utveckla vetenskapliga teorier. (...) Beroendet på skönhet i teoriutvecklingen har historiskt sett fungerat dåligt.” Enligt hennes mening finns det ingen anledning till att naturen ska beskrivas av en teori om allt. Medan vi behöver en kvantteori om gravitation för att undvika en logisk inkonsekvens i naturlagarna, behöver krafter i standardmodellen inte förenas och behöver inte förenas med gravitationen. Det skulle vara trevligt, ja, men det är onödigt. Standardmodellen fungerar bra utan enande, framhåller forskaren. Naturen bryr sig uppenbarligen inte om vad fysiker tycker är vacker matematik, säger Hossenfelder argt. Inom fysiken är genombrott i teoretisk utveckling förknippade med lösningen av matematiska inkonsekvenser, och inte med vackra och "färdiga" modeller.

Trots dessa nyktra förmaningar läggs ständigt nya förslag på en teori om allting fram, som Garrett Lisis The Exceptionally Simple Theory of Everything, publicerad 2007. Den har den egenskapen att Prof. Hossenfelder är vacker och kan visas vackert med attraktiva visualiseringar (4). Denna teori, kallad E8, hävdar att nyckeln till att förstå universum är matematiskt objekt i form av en symmetrisk rosett.

Lisi skapade denna struktur genom att plotta elementarpartiklar på en graf som också tar hänsyn till kända fysiska interaktioner. Resultatet är en komplex åttadimensionell matematisk struktur på 248 punkter. Var och en av dessa punkter representerar partiklar med olika egenskaper. Det finns en grupp partiklar i diagrammet med vissa egenskaper som "saknas". Åtminstone några av dessa "saknade" har teoretiskt sett något att göra med gravitation, och överbryggar gapet mellan kvantmekanik och allmän relativitet.

4. Visualiseringsteori E8

Så fysiker måste jobba för att fylla "Fox-socket". Om det lyckas, vad kommer att hända? Många svarar sarkastiskt att inget speciellt. Bara en vacker bild skulle bli klar. Denna konstruktion kan vara värdefull i denna mening, eftersom den visar oss vad de verkliga konsekvenserna av att fullborda en "teori om allting" skulle bli. Kanske obetydlig i praktisk mening.