Co když... vyřešíme základní problémy fyziky. Vše čeká na teorii, ze které nemůže nic vzejít

Co nám dá odpověď na takové záhady, jako je temná hmota a temná energie, záhada počátku Vesmíru, povaha gravitace, výhoda hmoty nad antihmotou, směr času, sjednocení gravitace s jinými fyzikálními interakcemi? , velké sjednocení přírodních sil do jedné základní, až po tzv. teorii všeho ?

Podle Einsteina a mnoha dalších vynikajících moderních fyziků je cílem fyziky právě vytvořit teorii všeho (TV). Pojem takové teorie však není jednoznačný. ToE, známá jako teorie všeho, je hypotetická fyzikální teorie, která důsledně popisuje vše fyzikální jevy a umožňuje vám předpovědět výsledek jakéhokoli experimentu. V dnešní době se tato fráze běžně používá k popisu teorií, které se pokoušejí spojit obecná teorie relativity. Dosud žádná z těchto teorií neobdržela experimentální potvrzení.

V současnosti je nejpokročilejší teorie prohlašující se za TW založena na holografickém principu. 11rozměrná M-teorie. Dosud nebyla vyvinuta a mnozí ji považují spíše za směr vývoje než za skutečnou teorii.

Mnoho vědců pochybuje, že něco jako „teorie všeho“ je vůbec možné a v tom nejzákladnějším slova smyslu založené na logice. Věta Kurta Gödela říká, že každý dostatečně složitý logický systém je buď vnitřně nekonzistentní (lze dokázat větu a její rozpor v ní), nebo neúplný (existují triviálně pravdivé věty, které nelze dokázat). Stanley Jackie v roce 1966 poznamenal, že TW musí být komplexní a koherentní matematická teorie, takže bude nevyhnutelně neúplná.

Existuje zvláštní, originální a emotivní způsob teorie všeho. holografická hypotéza (1), čímž se úkol přenese do trochu jiného plánu. Zdá se, že fyzika černých děr naznačuje, že náš vesmír není to, co nám říkají naše smysly. Realita, která nás obklopuje, může být hologram, tzn. promítání dvourozměrné roviny. To platí i pro samotnou Gödelovu větu. Řeší ale taková teorie všeho nějaké problémy, umožňuje nám čelit civilizačním výzvám?

Popište vesmír. Ale co je vesmír?

V současné době máme dvě zastřešující teorie, které vysvětlují téměř všechny fyzikální jevy: Einsteinova teorie gravitace (obecná teorie relativity) i. První dobře vysvětluje pohyb makro objektů, od fotbalových míčů po galaxie. je velmi dobře informovaný o atomech a subatomárních částicích. Problém je v tom tyto dvě teorie popisují náš svět zcela odlišným způsobem. V kvantové mechanice se události odehrávají na pevném pozadí. časoprostor – zatímco w je ohebné. Jak bude vypadat kvantová teorie zakřiveného časoprostoru? Nevíme.

První pokusy o vytvoření jednotné teorie všeho se objevily krátce po vydání obecná teorie relativitynež pochopíme základní zákony, kterými se řídí jaderné síly. Tyto pojmy, známé jako Kaluzi-Kleinova teorie, snažil se spojit gravitaci s elektromagnetismem.

Po desetiletí teorie strun, která představuje hmotu jako složenou drobné vibrující struny nebo energetická smyčka, je považován za nejlepší pro tvorbu jednotná teorie fyziky. Někteří fyzici však preferují klanová smyčka gravitaceve kterém samotný vnější prostor je tvořen drobnými smyčkami. Nicméně ani teorie strun ani smyčková kvantová gravitace nebyla experimentálně testována.

Teorie velkého sjednocení (GUT), kombinující kvantovou chromodynamiku a teorii elektroslabých interakcí, představují silné, slabé a elektromagnetické interakce jako projev jedné sjednocené interakce. Žádná z předchozích velkých sjednocených teorií však neobdržela experimentální potvrzení. Společným rysem velké sjednocené teorie je předpověď rozpadu protonu. Tento proces dosud nebyl pozorován. Z toho vyplývá, že životnost protonu musí být minimálně 1032 let.

Standardní model z roku 1968 sjednotil silné, slabé a elektromagnetické síly pod jeden zastřešující deštník. Všechny částice a jejich interakce byly zváženy a bylo učiněno mnoho nových předpovědí, včetně jedné velké předpovědi sjednocení. Při vysokých energiích, řádově 100 GeV (energie potřebná k urychlení jednotlivého elektronu na potenciál 100 miliard voltů), se obnoví symetrie sjednocující elektromagnetické a slabé síly.

Existence nových byla předpovězena a s objevem bosonů W a Z v roce 1983 se tyto předpovědi potvrdily. Čtyři hlavní síly byly zredukovány na tři. Myšlenkou sjednocení je, že všechny tři síly Standardního modelu a možná i vyšší energie gravitace jsou spojeny do jedné struktury.

2. Langrangeova rovnice popisující standardní model, rozdělená do pěti složek.

Někteří navrhli, že při ještě vyšších energiích, možná kolem Planckova stupnice, gravitace se také spojí. To je jedna z hlavních motivací teorie strun. Na těchto myšlenkách je velmi zajímavé, že pokud chceme sjednocení, musíme obnovit symetrii na vyšších energiích. A pokud jsou aktuálně rozbité, vede to k něčemu pozorovatelnému, novým částicím a novým interakcím.

Lagrangián standardního modelu je jedinou rovnicí popisující částice i vliv standardního modelu (2). Skládá se z pěti nezávislých částí: o gluonech v zóně 1 rovnice, slabé bosony v části označené dvěma, označené třemi, je matematický popis toho, jak hmota interaguje se slabou silou a Higgsovým polem, částice duchů, které odečítají přebytek Higgsova pole v částech čtvrtého a duchy popsané pod pěti Fadějev-Popovkteré ovlivňují redundanci slabé interakce. Hmotnosti neutrin se neberou v úvahu.

Ačkoli Standardní model můžeme to napsat jako jedinou rovnici, ve skutečnosti to není homogenní celek v tom smyslu, že existuje mnoho samostatných, nezávislých výrazů, které řídí různé součásti vesmíru. Jednotlivé části Standardního modelu spolu neinteragují, protože barevný náboj neovlivňuje elektromagnetické a slabé interakce a otázky zůstávají nezodpovězeny, proč nefungují interakce, ke kterým by mělo dojít, například porušení CP při silných interakcích. konat.

Když jsou symetrie obnoveny (na vrcholu potenciálu), dochází ke sjednocení. Nicméně symetrie narušující se úplně dole je v souladu s vesmírem, který máme dnes, spolu s novými druhy hmotných částic. Takže co „ze všeho“ by tato teorie měla být? Ten, který je, tzn. skutečný asymetrický vesmír, nebo jeden a symetrický, ale nakonec ne ten, se kterým máme co do činění.

Klamavá krása „kompletních“ modelů

Lars English v knize The No Theory of Everything tvrdí, že neexistuje jediný soubor pravidel, který by to dokázal kombinovat obecnou relativitu s kvantovou mechanikouprotože to, co platí na kvantové úrovni, nemusí nutně platit na úrovni gravitace. A čím je systém větší a složitější, tím více se liší od svých základních prvků. „Nejde o to, že by tato pravidla gravitace odporovala kvantové mechanice, ale že je nelze odvodit z kvantové fyziky,“ píše.

Veškerá věda, ať už záměrně nebo ne, je založena na předpokladu jejich existence. objektivní fyzikální zákonykteré zahrnují vzájemně kompatibilní soubor základních fyzikálních postulátů popisujících chování fyzického vesmíru a všeho v něm. Taková teorie samozřejmě neznamená úplné vysvětlení nebo popis všeho, co existuje, ale s největší pravděpodobností vyčerpávajícím způsobem popisuje všechny ověřitelné fyzikální procesy. Logicky by jednou z okamžitých výhod takového chápání TW bylo zastavení experimentů, ve kterých teorie předpovídá negativní výsledky.

Většina fyziků bude muset přestat zkoumat a živit se výukou, nikoli výzkumem. Veřejnosti je však pravděpodobně jedno, zda lze gravitační sílu vysvětlit z hlediska zakřivení časoprostoru.

Samozřejmě je tu ještě jedna možnost – Vesmír se prostě nespojí. Symetrie, ke kterým jsme dospěli, jsou prostě naše vlastní matematické vynálezy a nepopisují fyzický vesmír.

Ve vysoce sledovaném článku pro Nautil.Us Sabina Hossenfelder (3), vědkyně z Frankfurtského institutu pro pokročilá studia, zhodnotila, že „celá myšlenka teorie všeho je založena na nevědeckém předpokladu“. "Toto není nejlepší strategie pro rozvoj vědeckých teorií." (…) Spoléhání se na krásu ve vývoji teorie historicky fungovalo špatně.“ Podle jejího názoru není důvod, aby byla příroda popisována teorií všeho. I když potřebujeme kvantovou teorii gravitace, abychom se vyhnuli logické nekonzistenci v přírodních zákonech, síly ve Standardním modelu nemusí být sjednoceny a nemusí být sjednoceny s gravitací. Bylo by to hezké, to ano, ale je to zbytečné. Standardní model funguje dobře bez sjednocení, zdůrazňuje výzkumník. Přírodu zjevně nezajímá, co si fyzikové myslí, že je krásná matematika, říká naštvaně paní Hossenfelderová. Ve fyzice jsou průlomy v teoretickém vývoji spojeny s řešením matematických nesrovnalostí, a ne s krásnými a „hotovými“ modely.

Navzdory těmto střízlivým napomenutím jsou neustále předkládány nové návrhy teorie všeho, jako například Výjimečně jednoduchá teorie všeho od Garretta Lisiho, publikovaná v roce 2007. Má vlastnost, kterou Prof. Hossenfelder je krásný a lze jej krásně ukázat pomocí atraktivních vizualizací (4). Tato teorie nazvaná E8 tvrdí, že klíčem k pochopení vesmíru je matematický objekt ve formě symetrické růžice.

Lisi vytvořil tuto strukturu vynesením elementárních částic do grafu, který bere v úvahu i známé fyzikální interakce. Výsledkem je složitá osmirozměrná matematická struktura o 248 bodech. Každý z těchto bodů představuje částice s různými vlastnostmi. V diagramu je skupina částic s určitými vlastnostmi, které „chybějí“. Alespoň některé z těchto „chybějících“ mají teoreticky něco společného s gravitací a překlenují propast mezi kvantovou mechanikou a obecnou relativitou.

4. Teorie vizualizace E8

Fyzici tedy musí pracovat, aby naplnili "Fox socket". Pokud se to podaří, co se stane? Mnozí sarkasticky odpovídají, že nic zvláštního. Jen pěkný obrázek by byl hotový. Tato konstrukce může být v tomto smyslu cenná, protože nám ukazuje, jaké by byly skutečné důsledky dokončení „teorie všeho“. V praktickém smyslu možná bezvýznamné.