Wat as... ons los fundamentele probleme in fisika op. Alles wag op 'n teorie waaruit niks kan kom nie
Wat sal ons die antwoord gee op raaisels soos donker materie en donker energie, die misterie van die begin van die heelal, die aard van swaartekrag, die voordeel van materie bo antimaterie, die rigting van tyd, die vereniging van swaartekrag met ander fisiese interaksies , die groot vereniging van die kragte van die natuur in een basiese, tot by die sogenaamde teorie van alles ?
Volgens Einstein en baie ander uitstaande moderne fisici, die doel van fisika is juis om 'n teorie van alles te skep (TV). Die konsep van so 'n teorie is egter nie ondubbelsinnig nie. Bekend as die teorie van alles, is ToE 'n hipotetiese fisiese teorie wat konsekwent alles beskryf fisiese verskynsels en laat jou toe om die resultaat van enige eksperiment te voorspel. Deesdae word hierdie frase algemeen gebruik om teorieë te beskryf wat probeer om 'n verband te maak met algemene relatiwiteitsteorie. Tot dusver het nie een van hierdie teorieë eksperimentele bevestiging gekry nie.
Tans is die mees gevorderde teorie wat beweer dat dit TW is, gebaseer op die holografiese beginsel. 11-dimensionele M-teorie. Dit is nog nie ontwikkel nie en word deur baie as 'n rigting van ontwikkeling eerder as 'n werklike teorie beskou.
Baie wetenskaplikes twyfel dat iets soos 'n "teorie van alles" selfs moontlik is, en in die mees basiese sin, gebaseer op logika. Kurt Gödel se stelling sê dat enige voldoende komplekse logiese sisteem óf intern inkonsekwent is (mens kan 'n sin en sy teenstrydigheid daarin bewys) óf onvolledig (daar is onbenullige sinne wat nie bewys kan word nie). Stanley Jackie het in 1966 opgemerk dat TW 'n komplekse en samehangende wiskundige teorie moet wees, so dit sal onvermydelik onvolledig wees.
Daar is 'n spesiale, oorspronklike en emosionele manier van die teorie van alles. holografiese hipotese (1), die taak oor te dra na 'n effens ander plan. Swartgat-fisika dui blykbaar aan dat ons heelal nie is wat ons sintuie vir ons sê nie. Die werklikheid wat ons omring kan 'n hologram wees, m.a.w. projeksie van 'n tweedimensionele vlak. Dit geld ook vir Gödel se stelling self. Maar los so 'n teorie van alles enige probleme op, laat dit ons toe om die uitdagings van die beskawing te konfronteer?
Beskryf die heelal. Maar wat is die heelal?
Ons het tans twee oorkoepelende teorieë wat byna alle fisiese verskynsels verduidelik: Einstein se teorie van swaartekrag (algemene relatiwiteit) i. Die eerste verduidelik goed die beweging van makro-voorwerpe, van sokkerballe tot sterrestelsels. hy is baie kundig oor atome en subatomiese deeltjies. Die probleem is dit hierdie twee teorieë beskryf ons wêreld op heeltemal verskillende maniere. In kwantummeganika vind gebeure teen 'n vaste agtergrond plaas. ruimtetyd – terwyl w buigsaam is. Hoe sal die kwantumteorie van geboë ruimte-tyd lyk? Ons weet nie.
Die eerste pogings om 'n verenigde teorie van alles te skep, het kort ná die publikasie verskyn algemene relatiwiteitsteorievoordat ons die fundamentele wette wat kernkragte beheer, verstaan. Hierdie konsepte, bekend as Kaluzi-Klein teorie, het gepoog om swaartekrag met elektromagnetisme te kombineer.
Vir dekades, snaarteorie, wat materie voorstel as bestaand uit klein vibrerende snare of energie lus, word beskou as die beste om te skep verenigde teorie van fisika. Sommige fisici verkies egter kkabelstutlus swaartekragwaarin die buitenste ruimte self uit piepklein lusse bestaan. Nóg snaarteorie nóg luskwantumswaartekrag is egter eksperimenteel geverifieer.
Groot verenigde teorieë (GUT's), wat kwantumchromodinamika en die teorie van elektroswak interaksies kombineer, verteenwoordig die sterk, swak en elektromagnetiese interaksies as 'n manifestasie van een enkele interaksie. Nie een van die vorige groot verenigde teorieë het egter eksperimentele bevestiging gekry nie. 'n Algemene kenmerk van die groot verenigde teorie is die voorspelling van die verval van die proton. Hierdie proses is nog nie waargeneem nie. Hieruit volg dat die leeftyd van 'n proton ten minste 1032 jaar moet wees.
Die 1968-standaardmodel het die sterk, swak en elektromagnetiese kragte onder een oorkoepelende sambreel verenig. Alle deeltjies en hul interaksies is oorweeg, en baie nuwe voorspellings is gemaak, insluitend een groot eenwordingsvoorspelling. By hoë energieë, in die orde van 100 GeV (die energie wat benodig word om 'n enkele elektron tot 'n potensiaal van 100 miljard volt te versnel), sal die simmetrie wat die elektromagnetiese en swak kragte verenig, herstel word.
Die bestaan van nuwes is voorspel, en met die ontdekking van die W- en Z-bosone in 1983 is hierdie voorspellings bevestig. Die vier hoofmagte is tot drie verminder. Die idee agter die eenwording is dat al drie kragte van die Standaardmodel, en dalk selfs die hoër swaartekragenergie, in een struktuur gekombineer word.
2. Die Langrange-vergelyking wat die Standaardmodel beskryf, verdeel in vyf komponente.
Sommige het voorgestel dat by selfs hoër energieë, miskien rondom Planck skaal, swaartekrag sal ook kombineer. Dit is een van die hoofmotiverings van snaarteorie. Wat baie interessant aan hierdie idees is, is dat as ons eenwording wil hê, ons simmetrie by hoër energieë moet herstel. En as hulle tans gebreek is, lei dit tot iets waarneembaars, nuwe deeltjies en nuwe interaksies.
Die Lagrangiaans van die Standaardmodel is die enigste vergelyking wat deeltjies i beskryf invloed van die Standaardmodel (2). Dit bestaan uit vyf onafhanklike dele: omtrent gluone in sone 1 van die vergelyking, swak bosone in die deel gemerk met twee, gemerk met drie, is 'n wiskundige beskrywing van hoe materie in wisselwerking tree met die swak krag en die Higgs-veld, spookdeeltjies wat aftrek die oormaat van die Higgs-veld in dele van die vierde, en die geeste wat onder vyf beskryf word Fadeev-Popovwat die oortolligheid van die swak interaksie beïnvloed. Neutrinomassas word nie in ag geneem nie.
Alhoewel Standaardmodel ons kan dit as 'n enkele vergelyking skryf, dit is nie regtig 'n homogene geheel in die sin dat daar baie afsonderlike, onafhanklike uitdrukkings is wat die verskillende komponente van die heelal beheer nie. Afsonderlike dele van die Standaardmodel het nie interaksie met mekaar nie, omdat die kleurlading nie die elektromagnetiese en swak interaksies beïnvloed nie, en vrae bly onbeantwoord waarom interaksies wat moet plaasvind, byvoorbeeld CP-oortreding in sterk interaksies, nie werk nie. vind plaas.
Wanneer die simmetrieë herstel word (op die hoogtepunt van die potensiaal), vind eenwording plaas. Die simmetrie wat heel onder breek, stem egter ooreen met die heelal wat ons vandag het, saam met nuwe soorte massiewe deeltjies. So wat "uit alles" moet hierdie teorie wees? Die een wat is, m.a.w. 'n ware asimmetriese heelal, of een en simmetries, maar uiteindelik nie die een waarmee ons te doen het nie.
Die bedrieglike skoonheid van "volledige" modelle
Lars English, in The No Theory of Everything, voer aan dat daar geen enkele stel reëls is wat dit kan doen nie kombineer algemene relatiwiteit met kwantummeganikawant wat op die kwantumvlak waar is, is nie noodwendig waar op die vlak van swaartekrag nie. En hoe groter en meer kompleks die stelsel is, hoe meer verskil dit van sy samestellende elemente. "Die punt is nie dat hierdie swaartekragreëls kwantummeganika weerspreek nie, maar dat hulle nie van kwantumfisika afgelei kan word nie," skryf hy.
Alle wetenskap, doelbewus of nie, is gebaseer op die uitgangspunt van hul bestaan. objektiewe fisiese wettewat 'n onderling versoenbare stel fundamentele fisiese postulate behels wat die gedrag van die fisiese heelal en alles daarin beskryf. So 'n teorie behels natuurlik nie 'n volledige verduideliking of beskrywing van alles wat bestaan nie, maar, heel waarskynlik, beskryf dit alle verifieerbare fisiese prosesse volledig. Logies sou een van die onmiddellike voordele van so 'n begrip van TW wees om eksperimente te stop waarin die teorie negatiewe resultate voorspel.
Die meeste fisici sal moet ophou navorsing doen en 'n bestaan maak met onderrig, nie navorsing nie. Die publiek gee egter waarskynlik nie om of die swaartekrag in terme van die kromming van ruimtetyd verklaar kan word nie.
Natuurlik is daar nog 'n moontlikheid - die Heelal sal eenvoudig nie verenig nie. Die simmetrieë waartoe ons gekom het, is bloot ons eie wiskundige uitvindings en beskryf nie die fisiese heelal nie.
In 'n hoëprofielartikel vir Nautil.Us, het Sabina Hossenfelder (3), 'n wetenskaplike by die Frankfurt Institute for Advanced Study, beoordeel dat "die hele idee van 'n teorie van alles op 'n onwetenskaplike aanname gebaseer is." “Dit is nie die beste strategie om wetenskaplike teorieë te ontwikkel nie. (...) Die vertroue op skoonheid in die ontwikkeling van teorie het histories swak gewerk.” Na haar mening is daar geen rede dat die natuur deur 'n teorie van alles beskryf word nie. Terwyl ons 'n kwantumteorie van swaartekrag nodig het om 'n logiese inkonsekwentheid in die natuurwette te vermy, hoef kragte in die Standaardmodel nie verenig te wees nie en hoef dit nie met swaartekrag verenig te word nie. Dit sal lekker wees, ja, maar dit is onnodig. Die standaardmodel werk goed sonder eenwording, beklemtoon die navorser. Die natuur gee duidelik nie om wat fisici dink mooi wiskunde is nie, sê me. Hossenfelder woedend. In fisika word deurbrake in teoretiese ontwikkeling geassosieer met die oplossing van wiskundige inkonsekwenthede, en nie met pragtige en "klaar" modelle nie.
Ten spyte van hierdie nugtere vermanings word daar voortdurend nuwe voorstelle vir 'n teorie van alles gemaak, soos Garrett Lisi se The Exceptionally Simple Theory of Everything, wat in 2007 gepubliseer is. Dit het die kenmerk dat prof. Hossenfelder is pragtig en kan pragtig vertoon word met aantreklike visualiserings (4). Hierdie teorie, genoem E8, beweer dat die sleutel tot die verstaan van die heelal is wiskundige voorwerp in die vorm van 'n simmetriese roset.
Lisi het hierdie struktuur geskep deur elementêre deeltjies op 'n grafiek te teken wat ook bekende fisiese interaksies in ag neem. Die resultaat is 'n komplekse agtdimensionele wiskundige struktuur van 248 punte. Elkeen van hierdie punte verteenwoordig deeltjies met verskillende eienskappe. Daar is 'n groep deeltjies in die diagram met sekere eienskappe wat "ontbreek". Ten minste sommige van hierdie "vermiste" het teoreties iets te doen met swaartekrag, wat die gaping tussen kwantummeganika en algemene relatiwiteit oorbrug.
4. Visualiseringsteorie E8
So fisici moet werk om die "Fox socket" te vul. As dit slaag, wat sal gebeur? Baie antwoord sarkasties dat niks besonders nie. Net 'n mooi prentjie sou klaar wees. Hierdie konstruksie kan in hierdie sin waardevol wees, aangesien dit ons wys wat die werklike gevolge van die voltooiing van 'n "teorie van alles" sou wees. Miskien onbeduidend in praktiese sin.
