Што, калі… мы вырашым фундаментальныя праблемы ў фізіцы. Усё чакае тэорыі, з якой нічога не можа выйсці
Што дасць нам разгадка такіх загадак, як цёмная матэрыя і цёмная энергія, таямніца пачатку Сусвету, прырода гравітацыі, перавага матэрыі над антыматэрыяй, кірунак часу, аб'яднанне гравітацыі з іншымі фізічнымі ўзаемадзеяннямі, вялікае аб'яднанне сіл прыроды ў адну асноўную, аж да так званага тэорыя за ўсё ?
Паводле Эйнштэйна і многіх іншых выдатных сучасных фізікаў мэта фізікі як раз і складаецца ў тым, каб стварыць тэорыю за ўсё (ТБ). Аднак канцэпцыя такой тэорыі не адназначная. Вядомая як тэорыя за ўсё, ToE, гэта гіпатэтычная фізічная тэорыя, паслядоўна якая апісвае ўсё фізічныя з'явы і дазваляе прадказаць вынік любога эксперымента. У цяперашні час гэтая фраза звычайна выкарыстоўваецца для апісання тэорый, якія спрабуюць усталяваць сувязь з агульная тэорыя адноснасці. Пакуль ні адна з такіх тэорый не атрымала эксперыментальнага пацверджання.
Цяпер самая перадавая тэорыя, якая прэтэндуе на званне TW, заснавана на галаграфічным прынцыпе. 11-мерная М-тэорыя. Ён яшчэ не распрацаваны і многімі лічыцца напрамкам развіцця, а не фактычнай тэорыяй.
Многія навукоўцы сумняваюцца, што нешта накшталт "тэорыі ўсяго" наогул магчыма, прычым у самым базавым сэнсе, заснаваным на логіцы. Тэарэма Курта Гёдэля кажа, што ўсякая досыць складаная лагічная сістэма альбо ўнутрана супярэчлівая (можна даказаць прапанову і яе супярэчнасць у ім), альбо няпоўная (існуюць трывіяльна праўдзівыя прапановы, якія нельга даказаць). Стэнлі Джакі заўважыў у 1966 годзе, што TW павінна быць складанай і паслядоўнай матэматычнай тэорыяй, таму яна непазбежна будзе няпоўнай.
Існуе асаблівы, арыгінальны і эмацыйны спосаб тэорыі за ўсё. галаграфічная гіпотэза (1), пераводзячы задачу на некалькі іншы план. Фізіка чорных дзірак, відаць, паказвае на тое, што наш Сусвет - гэта не тое, што кажуць нам нашы пачуцці. Рэальнасць, якая нас акружае, можа быць галаграмай, г.зн. праекцыяй двухмернай плоскасці. Гэта адносіцца і да самой тэарэмы Гёдэля. Але ці вырашае такая тэорыя ўсяго якія-небудзь праблемы, ці дазваляе нам супрацьстаяць выклікам цывілізацыі?
Апішыце сусвет. Але які сусвет?
У цяперашні час у нас ёсць дзве ўсёабдымныя тэорыі, якія тлумачаць амаль усе фізічныя з'явы: Тэорыя гравітацыі Эйнштэйна (агульная тэорыя адноснасці) i. Першая добра тлумачыць рух макрааб'ектаў, ад футбольных мячоў да галактык. ён вельмі добрае разбіраецца ў атамах і субатамных часціцах. Праблема ў тым, што гэтыя дзве тэорыі зусім па-рознаму апісваюць наш свет. У квантавай механіцы падзеі адбываюцца на фіксаваным фоне. прастора-час – у той час як w з'яўляецца гнуткім. Як будзе выглядаць квантавая тэорыя скрыўленай прасторы-часу? Мы не ведаем.
Першыя спробы стварыць адзіную тэорыю за ўсё з'явіліся неўзабаве пасля публікацыі агульная тэорыя адноснасціперш чым мы зразумеем фундаментальныя законы, якія кіруюць ядзернымі сіламі. Гэтыя паняцці, вядомыя як Тэорыя Калуцы-Клейна, Імкнуўся аб'яднаць гравітацыю з электрамагнетызмам.
На працягу дзесяцігоддзяў тэорыя струн, якая прадстаўляе матэрыю якая складаецца з малюсенькія якія вібруюць струны або энергетычная пятля, лічыцца лепшым для стварэння адзіная тэорыя фізікі. Аднак некаторыя фізікі аддаюць перавагувантавая пятлёвая гравітацыйнаяу якім сама касмічная прастора складаецца з малюсенькіх завес. Аднак ні тэорыя струн, ні пятлёвая квантавая гравітацыя не былі эксперыментальна правераны.
Тэорыі вялікага аб'яднання (ТВА), якія аб'ядноўваюць квантавую хромадынаміку і тэорыю электраслабых узаемадзеянняў, уяўляюць моцнае, слабое і электрамагнітнае ўзаемадзеянні як праява аднаго адзінага ўзаемадзеяння. Аднак і ні адна з ранейшых тэорый вялікага аб'яднання не атрымала эксперыментальнага пацверджання. Агульнай рысай тэорыі вялікага аб'яднання з'яўляецца прадказанне распаду пратона. Гэты працэс пакуль не назіраецца. Адсюль вынікае, што час жыцця пратона павінен быць не менш за 1032 гады.
Стандартная мадэль 1968 гады аб'яднала моцныя, слабыя і электрамагнітныя ўзаемадзеянні пад адным усёабдымным парасонам. Былі разгледжаны ўсе часціцы і іх узаемадзеянні, і было зроблена шмат новых прадказанняў, у тым ліку адно вялікае прадказанне аб аб'яднанні. Пры высокіх энергіях, парадку 100 ГЭВ (энергія, неабходная для паскарэння аднаго электрона да патэнцыялу 100 мільярдаў вольт), будзе адноўлена сіметрыя, якая аб'ядноўвае электрамагнітнае і слабое ўзаемадзеяння.
Было прадказана існаванне новых, а з адкрыццём базонаў W і Z у 1983 году гэтыя прадказанні пацвердзіліся. Чатыры асноўныя сілы былі скарочаныя да трох. Ідэя аб'яднання заключаецца ў тым, што ўсе тры сілы Стандартнай мадэлі і, магчыма, нават больш высокай энергіі гравітацыі аб'ядноўваюцца ў адну структуру.
2. Раўнанне Лангранжа, якое апісвае Стандартную мадэль, разбітае на пяць складнікаў.
Некаторыя меркавалі, што пры яшчэ больш высокіх энергіях, магчыма, каля Планкаўская шкала, сіла цяжару таксама аб'яднаецца. Гэта адзін з асноўных матываў тэорыі струн. Што вельмі цікава ў гэтых ідэях, дык гэта тое, што калі мы хочам аб'яднання, мы павінны аднавіць сіметрыю пры больш высокіх энергіях. І калі яны цяпер зламаныя, гэта прыводзіць да нечага назіранага, новых часціц і новых узаемадзеянняў.
Лагранжыян Стандартнай мадэлі - гэта адзінае раўнанне, якое апісвае часціцы i уплыў Стандартнай мадэлі (2). Яно складаецца з пяці незалежных частак: аб глюонах у зоне 1 ураўненні, слабых базонах у частцы, адзначанай двума, адзначанай трыма, з'яўляецца матэматычным апісаннем таго, як матэрыя ўзаемадзейнічае са слабым узаемадзеяннем і полем Хігса, часціцамі-зданямі, якія адымаюць перавышэнне поля Хігса часткі чацвёртай, а духі, апісаныя пад пяццю Фадзееў-Папоўякія ўплываюць на надмернасць слабога ўзаемадзеяння. Масы нейтрына не ўлічваюцца.
хоць Стандартная мадэль мы можам запісаць як адно раўнанне, насамрэч гэта не аднастайнае цэлае ў тым сэнсе, што існуе мноства асобных, незалежных выразаў, якія кіруюць рознымі кампанентамі сусвету. Асобныя часткі Стандартнай мадэлі не ўзаемадзейнічаюць сябар з сябрам, паколькі каляровы зарад не ўплывае на электрамагнітнае і слабое ўзаемадзеянне, і застаюцца без адказу пытанні, чаму ўзаемадзеянні, якія павінны адбывацца, напрыклад, парушэнне СР-сіметрыі пры моцных узаемадзеяннях, не дзейнічаюць. адбывацца.
Калі сіметрыі аднаўляюцца (на піку патэнцыялу), адбываецца аб'яднанне. Аднак парушэнне сіметрыі ў самым нізе адпавядае Сусвету, які мы маем сёння, нараўне з новымі відамі масіўных часціц. Дык які ж “з усяго” павінна быць гэтая тэорыя? Тая, якая ёсць, г.зн. рэальны асіметрычны Сусвет або адзіны і сіметрычны, але ў канчатковым рахунку не тая, з якой мы маем справу.
Падманная прыгажосць "камплектных" мадэляў
Ларс інгліш у кнізе "Тэорыі ўсяго не існуе" сцвярджае, што не існуе адзінага набору правілаў, які мог бы аб'яднаць агульную тэорыю адноснасці з квантавай механікайтаму што тое, што дакладна на квантавым узроўні, не абавязкова дакладна на ўзроўні гравітацыі. І чым буйней і складаней сістэма, тым больш яна адрозніваецца ад складнікаў яе элементаў. "Справа не ў тым, што гэтыя правілы гравітацыі супярэчаць квантавай механіцы, але і ў тым, што яны не могуць быць выведзеныя з квантавай фізікі", – піша ён.
Уся навука, наўмысна ці не, заснавана на перадумове іх існавання. аб'ектыўныя фізічныя законыякія вабяць за сабой узаемна сумяшчальны набор фундаментальных фізічных пастулатаў, якія апісваюць паводзіны фізічнага сусвету і ўсяго ў ёй. Вядома, такая тэорыя не цягне за сабой поўнага тлумачэння ці апісанні ўсяго існага, але, хутчэй за ўсё, вычарпальна апісвае ўсе правяраныя фізічныя працэсы. Па логіцы рэчаў, адной з непасрэдных пераваг такога разумення TW было б спыненне эксперыментаў, у якіх тэорыя прадказвае адмоўныя вынікі.
Большасці навукоўцаў-фізікаў давядзецца спыніць даследаванні і зарабляць на жыццё выкладаннем, а не даследаваннямі. Аднак грамадскасці, верагодна, усё роўна, як і таму, ці можна растлумачыць сілу гравітацыі з пункту гледжання скрыўлення прасторы-часу.
Вядома, ёсць і іншая магчымасць - Сусвет проста не аб'яднаецца. Сіметрыі, да якіх мы прыйшлі, з'яўляюцца проста нашымі ўласнымі матэматычнымі вынаходкамі і не апісваюць фізічны сусвет.
У гучным артыкуле для Nautil.Us Сабіна Хосенфельдэр (3), навуковец з Франкфурцкага інстытута перспектыўных даследаванняў, ацаніла, што "ўся ідэя тэорыі за ўсё грунтуецца на ненавуковым здагадцы". «Гэта не найлепшая стратэгія для развіцця навуковых тэорый. (…) Апора на прыгажосць у развіцці тэорыі гістарычна працавала дрэнна». На яе думку, няма ніякіх падстаў для таго, каб прырода апісвалася тэорыяй за ўсё. У той час як нам патрэбна квантавая тэорыя гравітацыі, каб пазбегнуць лагічнай неадпаведнасці ў законах прыроды, сілы ў Стандартнай мадэлі не трэба аб'ядноўваць і не трэба аб'ядноўваць з гравітацыяй. Было б нядрэнна, так, але гэта непатрэбна. Стандартная мадэль добра працуе без уніфікацыі, падкрэслівае даследнік. Прыродзе відавочна ўсё роўна, што фізікі лічаць прыгожай матэматыкай, злосна кажа г-жа Хосенфельдэр. У фізіцы прарывы ў тэарэтычным развіцці звязаны з рашэннем матэматычных неадпаведнасцяў, а не з прыгожымі і "скончанымі" мадэлямі.
Нягледзячы на гэтыя цвярозыя ўгаворванні, увесь час высоўваюцца новыя прапановы тэорыі ўсяго, як, напрыклад, праца Гарэта Лісі «Выключна простая тэорыя ўсяго», апублікаваная ў 2007 году. У ім ёсць тая асаблівасць, што праф. Хосенфельдэр выдатны, і яго можна хораша паказаць з дапамогай прывабнай візуалізацыі (4). Гэтая тэорыя, званая E8, сцвярджае, што ключом да разумення Сусвету з'яўляецца матэматычны аб'ект у форме сіметрычнай разеткі.
Лізі стварыў гэтую структуру, вырабячы элементарныя часціцы на графік, які таксама ўлічвае вядомыя фізічныя ўзаемадзеянні. У выніку атрымалася складаная васьмімерная матэматычная структура з 248 кропак. Кожная з гэтых кропак уяўляе сабой часціцы з рознымі ўласцівасцямі. На дыяграме ёсць група часціц з пэўнымі ўласцівасцямі, якія "адсутнічаюць". Прынамсі, некаторыя з гэтых «недастаючых» тэарэтычна маюць нейкае дачыненне да гравітацыі, пераадольваючы разрыў паміж квантавай механікай і агульнай тэорыяй адноснасці.
4. Тэорыя візуалізацыі E8
Так што фізікі павінны працаваць, каб запоўніць "Лісіную разетку". Калі гэта ўдасца, што адбудзецца? Многія з'едліва адказваюць, што нічога асаблівага. Проста прыгожая карцінка была б скончана. Гэтая пабудова можа быць каштоўнай у гэтым сэнсе, бо яна паказвае нам, якія былі б рэальныя наступствы завяршэння "тэорыі ўсяго". Магчыма, нязначна ў практычным сэнсе.
