Что, если… мы решим фундаментальные проблемы в физике. Все ждет теории, из которой ничего не может выйти
Что даст нам разгадка таких загадок, как темная материя и темная энергия, тайна начала Вселенной, природа гравитации, преимущество материи над антиматерией, направление времени, объединение гравитации с другими физическими взаимодействиями, великое объединение сил природы в одну основную, вплоть до так называемого теория всего?
Согласно Эйнштейну и многих других выдающихся современных физиков цель физики как раз и состоит в том, чтобы создать теорию всего (ТВ). Однако концепция такой теории не является однозначной. Известная как теория всего, ToE, это гипотетическая физическая теория, последовательно описывающая все физические явления и позволяет предсказать результат любого эксперимента. В настоящее время эта фраза обычно используется для описания теорий, пытающихся установить связь с общая теория относительности. Пока ни одна из таких теорий не получила экспериментального подтверждения.
В настоящее время самая передовая теория, претендующая на звание TW, основана на голографическом принципе. 11-мерная М-теория. Он еще не разработан и многими считается направлением развития, а не фактической теорией.
Многие ученые сомневаются, что что-то вроде «теории всего» вообще возможно, причем в самом базовом смысле, основанном на логике. Теорема Курта Гёделя говорит, что всякая достаточно сложная логическая система либо внутренне противоречива (можно доказать предложение и его противоречие в нем), либо неполна (существуют тривиально истинные предложения, которые нельзя доказать). Стэнли Джаки заметил в 1966 году, что TW должна быть сложной и последовательной математической теорией, поэтому она неизбежно будет неполной.
Существует особый, оригинальный и эмоциональный способ теории всего. голографическая гипотеза (1), переводя задачу на несколько иной план. Физика черных дыр, по-видимому, указывает на то, что наша Вселенная — это не то, что говорят нам наши чувства. Реальность, которая нас окружает, может быть голограммой, т.е. проекцией двумерной плоскости. Это относится и к самой теореме Гёделя. Но решает ли такая теория всего какие-либо проблемы, позволяет ли нам противостоять вызовам цивилизации?
Опишите вселенную. Но какая вселенная?
В настоящее время у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти все физические явления: Теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) i. Первая хорошо объясняет движение макрообъектов, от футбольных мячей до галактик. он очень хорошо разбирается в атомах и субатомных частицах. Проблема в том, что эти две теории совершенно по-разному описывают наш мир. В квантовой механике события происходят на фиксированном фоне. пространство-время — в то время как w является гибким. Как будет выглядеть квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем.
Первые попытки создать единую теорию всего появились вскоре после публикации общая теория относительностипрежде чем мы поймем фундаментальные законы, управляющие ядерными силами. Эти понятия, известные как Теория Калузи-Клейна, стремился объединить гравитацию с электромагнетизмом.
На протяжении десятилетий теория струн, которая представляет материю состоящей из крошечные вибрирующие струны Lub энергетическая петля, считается лучшим для создания единая теория физики. Однако некоторые физики предпочитают kвантовая петлевая гравитационнаяв котором само космическое пространство состоит из крошечных петель. Однако ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были экспериментально проверены.
Теории великого объединения (ТВО), объединяющие квантовую хромодинамику и теорию электрослабых взаимодействий, представляют сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия как проявление одного единого взаимодействия. Однако и ни одна из прежних теорий великого объединения не получила экспериментального подтверждения. Общей чертой теории великого объединения является предсказание распада протона. Этот процесс пока не наблюдается. Отсюда следует, что время жизни протона должно быть не менее 1032 лет.
Стандартная модель 1968 года объединила сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия под одним всеобъемлющим зонтиком. Были рассмотрены все частицы и их взаимодействия, и было сделано много новых предсказаний, в том числе одно большое предсказание об объединении. При высоких энергиях, порядка 100 ГэВ (энергия, необходимая для ускорения одного электрона до потенциала 100 миллиардов вольт), будет восстановлена симметрия, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия.
Было предсказано существование новых, а с открытием бозонов W и Z в 1983 году эти предсказания подтвердились. Четыре основные силы были сокращены до трех. Идея объединения заключается в том, что все три силы Стандартной модели и, возможно, даже более высокой энергии гравитации объединяются в одну структуру.
2. Уравнение Лангранжа, описывающее Стандартную модель, разбитое на пять составляющих.
Некоторые предполагали, что при еще более высоких энергиях, возможно, около Планковская шкала, сила тяжести также объединится. Это один из основных мотивов теории струн. Что очень интересно в этих идеях, так это то, что если мы хотим объединения, мы должны восстановить симметрию при более высоких энергиях. И если они в настоящее время сломаны, это приводит к чему-то наблюдаемому, новым частицам и новым взаимодействиям.
Лагранжиан Стандартной модели — это единственное уравнение, описывающее частицы i влияние Стандартной модели (2). Оно состоит из пяти независимых частей: о глюонах в зоне 1 уравнения, слабых бозонах в части, отмеченной двумя, отмеченной тремя, является математическим описанием того, как материя взаимодействует со слабым взаимодействием и полем Хиггса, частицами-призраками, которые вычитают превышение поля Хиггса в части четвертой, а духи, описанные под пятью Фадеев-Поповкоторые влияют на избыточность слабого взаимодействия. Массы нейтрино не учитываются.
Хотя Стандартная модель мы можем записать как одно уравнение, на самом деле это не однородное целое в том смысле, что существует множество отдельных, независимых выражений, управляющих различными компонентами вселенной. Отдельные части Стандартной модели не взаимодействуют друг с другом, поскольку цветовой заряд не влияет на электромагнитное и слабое взаимодействие, и остаются без ответа вопросы, почему взаимодействия, которые должны происходить, например, нарушение СР-симметрии при сильных взаимодействиях, не действуют. происходить.
Когда симметрии восстанавливаются (на пике потенциала), происходит объединение. Однако нарушение симметрии в самом низу соответствует Вселенной, которую мы имеем сегодня, наряду с новыми видами массивных частиц. Так какой же «из всего» должна быть эта теория? Та, которая есть, т.е. реальная асимметричная Вселенная или единая и симметричная, но в конечном счете не та, с которой мы имеем дело.
Обманчивая красота «комплектных» моделей
Ларс Инглиш в книге «Теории всего не существует» утверждает, что не существует единого набора правил, который мог бы объединить общую теорию относительности с квантовой механикойпотому что то, что верно на квантовом уровне, не обязательно верно на уровне гравитации. И чем крупнее и сложнее система, тем больше она отличается от составляющих ее элементов. «Дело не в том, что эти правила гравитации противоречат квантовой механике, но и в том, что они не могут быть выведены из квантовой физики», — пишет он.
Вся наука, намеренно или нет, основана на предпосылке их существования. объективные физические законыкоторые влекут за собой взаимно совместимый набор фундаментальных физических постулатов, описывающих поведение физической вселенной и всего в ней. Конечно, такая теория не влечет за собой полного объяснения или описания всего существующего, но, скорее всего, исчерпывающе описывает все проверяемые физические процессы. По логике вещей, одним из непосредственных преимуществ такого понимания TW было бы прекращение экспериментов, в которых теория предсказывает отрицательные результаты.
Большинству ученых-физиков придется прекратить исследования и зарабатывать на жизнь преподаванием, а не исследованиями. Однако общественности, вероятно, все равно, как и тому, можно ли объяснить силу гравитации с точки зрения искривления пространства-времени.
Конечно, есть и другая возможность — Вселенная просто не объединится. Симметрии, к которым мы пришли, являются просто нашими собственными математическими изобретениями и не описывают физическую вселенную.
В громкой статье для Nautil.Us Сабина Хоссенфельдер (3), ученый из Франкфуртского института перспективных исследований, оценила, что «вся идея теории всего основывается на ненаучном предположении». «Это не лучшая стратегия для развития научных теорий. (…) Опора на красоту в развитии теории исторически работала плохо». По ее мнению, нет никаких оснований для того, чтобы природа описывалась теорией всего. В то время как нам нужна квантовая теория гравитации, чтобы избежать логического несоответствия в законах природы, силы в Стандартной модели не нужно объединять и не нужно объединять с гравитацией. Было бы неплохо, да, но это ненужно. Стандартная модель хорошо работает без унификации, подчеркивает исследователь. Природе явно все равно, что физики считают красивой математикой, злобно говорит г-жа Хоссенфельдер. В физике прорывы в теоретическом развитии связаны с решением математических несоответствий, а не с красивыми и «законченными» моделями.
Несмотря на эти трезвые увещевания, постоянно выдвигаются новые предложения теории всего, как, например, работа Гаррета Лиси «Исключительно простая теория всего», опубликованная в 2007 году. В нем есть та особенность, что проф. Хоссенфельдер прекрасен, и его можно красиво показать с помощью привлекательной визуализации (4). Эта теория, называемая E8, утверждает, что ключом к пониманию Вселенной является математический объект в форме симметричной розетки.
Лизи создал эту структуру, нанеся элементарные частицы на график, который также учитывает известные физические взаимодействия. В результате получилась сложная восьмимерная математическая структура из 248 точек. Каждая из этих точек представляет собой частицы с разными свойствами. На диаграмме есть группа частиц с определенными свойствами, которые «отсутствуют». По крайней мере, некоторые из этих «недостающих» теоретически имеют какое-то отношение к гравитации, преодолевая разрыв между квантовой механикой и общей теорией относительности.
4. Теория визуализации E8
Так что физики должны работать, чтобы заполнить «Лисиную розетку». Если это удастся, что произойдет? Многие язвительно отвечают, что ничего особенного. Просто красивая картинка была бы закончена. Это построение может быть ценным в этом смысле, так как оно показывает нам, каковы были бы реальные последствия завершения «теории всего». Возможно, незначительно в практическом смысле.
