Paano kung... malutas natin ang mga pangunahing problema sa pisika. Ang lahat ay naghihintay para sa isang teorya kung saan walang maaaring manggaling

Ano ang magbibigay sa atin ng sagot sa mga misteryo tulad ng madilim na bagay at madilim na enerhiya, ang misteryo ng simula ng Uniberso, ang likas na katangian ng grabidad, ang kalamangan ng bagay sa antimatter, ang direksyon ng oras, ang pagkakaisa ng grabidad sa iba pang pisikal na pakikipag-ugnayan , ang mahusay na pag-iisa ng mga puwersa ng kalikasan sa isang pangunahing, hanggang sa tinatawag na teorya ng lahat?

Ayon kay Einstein at marami pang ibang namumukod-tanging modernong pisiko, ang layunin ng pisika ay tiyak na lumikha ng teorya ng lahat ng bagay (TV). Gayunpaman, ang konsepto ng naturang teorya ay hindi malabo. Kilala bilang theory of everything, ang ToE ay isang hypothetical physical theory na patuloy na naglalarawan ng lahat pisikal na phenomena at nagbibigay-daan sa iyong hulaan ang resulta ng anumang eksperimento. Sa kasalukuyan, ang pariralang ito ay karaniwang ginagamit upang ilarawan ang mga teorya na nagtatangkang gumawa ng koneksyon sa pangkalahatang teorya ng relativity. Sa ngayon, wala sa mga teoryang ito ang nakatanggap ng pang-eksperimentong kumpirmasyon.

Sa kasalukuyan, ang pinaka-advanced na teorya na nagsasabing TW ay batay sa holographic na prinsipyo. 11-dimensional na M-teorya. Hindi pa ito nabubuo at itinuturing ng marami na isang direksyon ng pag-unlad sa halip na isang aktwal na teorya.

Maraming mga siyentipiko ang nagdududa na ang isang bagay tulad ng isang "teorya ng lahat" ay posible pa nga, at sa pinakapangunahing kahulugan, batay sa lohika. Ang teorama ni Kurt Gödel ay nagsasabi na ang anumang sapat na kumplikadong lohikal na sistema ay alinman sa panloob na pabagu-bago (maaaring patunayan ng isang tao ang isang pangungusap at ang pagkakasalungatan nito dito) o hindi kumpleto (may mga trivially true sentences na hindi mapapatunayan). Sinabi ni Stanley Jackie noong 1966 na ang TW ay dapat na isang kumplikado at magkakaugnay na teorya ng matematika, kaya hindi maiiwasang hindi ito kumpleto.

Mayroong espesyal, orihinal at emosyonal na paraan ng teorya ng lahat. holographic hypothesis (1), paglilipat ng gawain sa isang bahagyang naiibang plano. Ang pisika ng mga black hole ay tila nagpapahiwatig na ang ating uniberso ay hindi kung ano ang sinasabi sa atin ng ating mga pandama. Ang katotohanan na nakapaligid sa atin ay maaaring isang hologram, i.e. projection ng isang two-dimensional na eroplano. Nalalapat din ito sa mismong teorama ni Gödel. Ngunit ang gayong teorya ng lahat ba ay malulutas ang anumang mga problema, ito ba ay nagpapahintulot sa atin na harapin ang mga hamon ng sibilisasyon?

Ilarawan ang uniberso. Ngunit ano ang uniberso?

Sa kasalukuyan, mayroon kaming dalawang pangkalahatang teorya na nagpapaliwanag ng halos lahat ng pisikal na phenomena: Ang teorya ng grabidad ni Einstein (pangkalahatang relativity) i. Ang una ay mahusay na nagpapaliwanag sa paggalaw ng mga macro na bagay, mula sa mga bola ng soccer hanggang sa mga kalawakan. siya ay napakaraming kaalaman tungkol sa mga atomo at mga subatomic na particle. Ang problema ay iyon ang dalawang teoryang ito ay naglalarawan sa ating mundo sa ganap na magkakaibang paraan. Sa quantum mechanics, ang mga kaganapan ay nagaganap sa isang nakapirming background. space-time – habang ang w ay nababaluktot. Ano ang magiging hitsura ng quantum theory ng curved space-time? Hindi namin alam.

Ang mga unang pagtatangka upang lumikha ng isang pinag-isang teorya ng lahat ay lumitaw sa ilang sandali pagkatapos ng publikasyon pangkalahatang teorya ng relativitybago natin maunawaan ang mga pangunahing batas na namamahala sa mga puwersang nuklear. Ang mga konseptong ito, na kilala bilang Teorya ng Kaluzi-Klein, hinahangad na pagsamahin ang gravity sa electromagnetism.

Sa loob ng mga dekada, string theory, na kumakatawan sa bagay bilang binubuo ng maliliit na vibrating string o loop ng enerhiya, ay itinuturing na pinakamahusay para sa paglikha pinag-isang teorya ng pisika. Gayunpaman, ginusto ng ilang pisiko ang kcable-stayed loop gravitykung saan ang outer space mismo ay binubuo ng maliliit na loops. Gayunpaman, walang teorya ng string o loop quantum gravity ang na-verify sa eksperimento.

Ang mga grand unification theories (GUTs), na pinagsasama ang quantum chromodynamics at ang teorya ng electroweak na mga interaksyon, ay kumakatawan sa malakas, mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan bilang isang pagpapakita ng isang pinag-isang interaksyon. Gayunpaman, wala sa mga nakaraang grand unified theories ang nakatanggap ng eksperimentong kumpirmasyon. Ang isang karaniwang tampok ng grand unified theory ay ang hula ng pagkabulok ng proton. Ang prosesong ito ay hindi pa naobserbahan. Kasunod nito na ang buhay ng isang proton ay dapat na hindi bababa sa 1032 taon.

Pinag-isa ng 1968 Standard Model ang malakas, mahina, at electromagnetic na pwersa sa ilalim ng isang overarching na payong. Ang lahat ng mga particle at ang kanilang mga pakikipag-ugnayan ay isinaalang-alang, at maraming mga bagong hula ang ginawa, kabilang ang isang malaking hula sa pag-iisa. Sa mataas na enerhiya, sa pagkakasunud-sunod ng 100 GeV (ang enerhiya na kinakailangan upang mapabilis ang isang elektron sa isang potensyal na 100 bilyong volts), ang symmetry na pinag-iisa ang electromagnetic at mahinang pwersa ay ibabalik.

Ang pagkakaroon ng mga bago ay hinulaang, at sa pagtuklas ng W at Z boson noong 1983, nakumpirma ang mga hulang ito. Ang apat na pangunahing pwersa ay nabawasan sa tatlo. Ang ideya sa likod ng pag-iisa ay ang lahat ng tatlong pwersa ng Standard Model, at marahil kahit na ang mas mataas na enerhiya ng gravity, ay pinagsama sa isang istraktura.

2. Ang Langrange equation na naglalarawan sa Standard Model, na nahahati sa limang bahagi.

Ang ilan ay nagmungkahi na sa mas mataas na enerhiya, marahil sa paligid Planck scale, magsasama rin ang gravity. Ito ay isa sa mga pangunahing motibasyon ng string theory. Ano ang napaka-interesante sa mga ideyang ito ay kung gusto natin ng pagkakaisa, kailangan nating ibalik ang simetrya sa mas mataas na enerhiya. At kung sila ay kasalukuyang nasira, ito ay humahantong sa isang bagay na nakikita, mga bagong particle at mga bagong pakikipag-ugnayan.

Ang Lagrangian ng Standard Model ay ang tanging equation na naglalarawan ng mga particle i impluwensya ng Pamantayang Modelo (2). Binubuo ito ng limang independiyenteng bahagi: tungkol sa mga gluon sa zone 1 ng equation, mahihinang boson sa bahaging may markang dalawa, may markang tatlo, ay isang matematikal na paglalarawan kung paano nakikipag-ugnayan ang bagay sa mahinang puwersa at ang field ng Higgs, mga particle ng multo na nagbabawas. ang labis ng field ng Higgs sa mga bahagi ng ikaapat, at ang mga espiritu na inilarawan sa ilalim ng limang Fadeev-Popovna nakakaapekto sa kalabisan ng mahinang pakikipag-ugnayan. Ang mga masa ng neutrino ay hindi isinasaalang-alang.

Bagaman Pamantayang modelo maaari nating isulat ito bilang isang solong equation, hindi talaga ito isang homogenous na kabuuan sa kahulugan na mayroong maraming hiwalay, independiyenteng mga expression na namamahala sa iba't ibang bahagi ng uniberso. Ang mga hiwalay na bahagi ng Standard Model ay hindi nakikipag-ugnayan sa isa't isa, dahil ang kulay na singil ay hindi nakakaapekto sa electromagnetic at mahina na mga pakikipag-ugnayan, at ang mga tanong ay nananatiling hindi nasasagot kung bakit ang mga pakikipag-ugnayan na dapat mangyari, halimbawa, ang paglabag sa CP sa malakas na pakikipag-ugnayan, ay hindi gumagana. mangyari.

Kapag ang mga simetriko ay naibalik (sa tuktok ng potensyal), nangyayari ang pag-iisa. Gayunpaman, ang pagkasira ng simetrya sa pinakailalim ay pare-pareho sa uniberso na mayroon tayo ngayon, kasama ng mga bagong uri ng malalaking particle. Kaya ano "sa lahat ng bagay" ang dapat na teorya na ito? Yung isa, i.e. isang tunay na asymmetric na uniberso, o isa at simetriko, ngunit sa huli ay hindi ang pinag-uusapan natin.

Ang mapanlinlang na kagandahan ng "kumpleto" na mga modelo

Ang Lars English, sa The No Theory of Everything, ay nangangatwiran na walang iisang hanay ng mga patakaran na magagawa pagsamahin ang pangkalahatang relativity sa quantum mechanicsdahil kung ano ang totoo sa antas ng quantum ay hindi kinakailangang totoo sa antas ng grabidad. At mas malaki at mas kumplikado ang sistema, mas naiiba ito sa mga elementong bumubuo nito. "Ang punto ay hindi na ang mga alituntuning ito ng gravity ay sumasalungat sa quantum mechanics, ngunit hindi sila maaaring makuha mula sa quantum physics," isinulat niya.

Ang lahat ng agham, sinadya man o hindi, ay batay sa premise ng kanilang pag-iral. layunin ng mga pisikal na batasna nagsasangkot ng magkatugmang hanay ng mga pangunahing pisikal na postulate na naglalarawan sa pag-uugali ng pisikal na uniberso at lahat ng nasa loob nito. Siyempre, ang gayong teorya ay hindi nangangailangan ng kumpletong paliwanag o paglalarawan ng lahat ng bagay na umiiral, ngunit, malamang, lubusang inilalarawan nito ang lahat ng napapatunayang pisikal na proseso. Logically, isa sa mga agarang benepisyo ng naturang pag-unawa sa TW ay ang paghinto ng mga eksperimento kung saan hinuhulaan ng teorya ang mga negatibong resulta.

Karamihan sa mga physicist ay kailangang huminto sa pagsasaliksik at maghanapbuhay sa pagtuturo, hindi sa pagsasaliksik. Gayunpaman, malamang na walang pakialam ang publiko kung maipaliwanag ang puwersa ng grabidad sa mga tuntunin ng kurbada ng spacetime.

Siyempre, may isa pang posibilidad - ang Uniberso ay hindi magkakaisa. Ang mga simetriyang narating natin ay ang ating sariling mga imbensyon sa matematika at hindi naglalarawan sa pisikal na uniberso.

Sa isang high-profile na artikulo para sa Nautil.Us, si Sabine Hossenfelder (3), isang scientist sa Frankfurt Institute for Advanced Study, ay tinasa na "ang buong ideya ng isang teorya ng lahat ay batay sa isang hindi makaagham na palagay." "Hindi ito ang pinakamahusay na diskarte para sa pagbuo ng mga teoryang siyentipiko. (…) Ang pag-asa sa kagandahan sa pag-unlad ng teorya ay nagtrabaho nang hindi maganda sa kasaysayan.” Sa kanyang opinyon, walang dahilan para sa kalikasan na ilarawan ng isang teorya ng lahat. Bagama't kailangan natin ng quantum theory of gravity para maiwasan ang lohikal na hindi pagkakapare-pareho sa mga batas ng kalikasan, ang mga puwersa sa Standard Model ay hindi kailangang magkaisa at hindi kailangang magkaisa sa gravity. Ito ay magiging maganda, oo, ngunit ito ay hindi kailangan. Ang karaniwang modelo ay gumagana nang maayos nang walang pag-iisa, binibigyang diin ng mananaliksik. Malinaw na walang pakialam ang kalikasan kung ano ang iniisip ng mga physicist na magandang matematika, galit na sabi ni Ms. Hossenfelder. Sa pisika, ang mga pambihirang tagumpay sa teoretikal na pag-unlad ay nauugnay sa solusyon ng mga hindi pagkakapare-pareho sa matematika, at hindi sa maganda at "tapos" na mga modelo.

Sa kabila ng matino na mga paalala na ito, ang mga bagong panukala para sa teorya ng lahat ay patuloy na inilalagay, tulad ng The Exceptionally Simple Theory of Everything ni Garrett Lisi, na inilathala noong 2007. Mayroon itong tampok na sinabi ni Prof. Maganda si Hossenfelder at maipapakita nang maganda gamit ang mga kaakit-akit na visualization (4). Ang teoryang ito, na tinatawag na E8, ay nagsasabing ang susi sa pag-unawa sa uniberso ay mathematical object sa anyo ng isang simetriko rosette.

Ginawa ni Lisi ang istrukturang ito sa pamamagitan ng pag-plot ng mga elementary particle sa isang graph na isinasaalang-alang din ang mga kilalang pisikal na pakikipag-ugnayan. Ang resulta ay isang kumplikadong eight-dimensional mathematical structure na 248 puntos. Ang bawat isa sa mga puntong ito ay kumakatawan sa mga particle na may iba't ibang katangian. Mayroong isang pangkat ng mga particle sa diagram na may ilang mga katangian na "nawawala". Hindi bababa sa ilan sa mga "nawawala" na ito ayon sa teorya ay may kinalaman sa gravity, na tumutulay sa pagitan ng quantum mechanics at general relativity.

4. Teorya ng Visualization E8

Kaya ang mga physicist ay kailangang magtrabaho upang punan ang "Fox socket". Kung magtagumpay, ano ang mangyayari? Maraming sarkastikong sagot na walang espesyal. Isang magandang larawan lang ang matatapos. Ang pagtatayo na ito ay maaaring maging mahalaga sa ganitong kahulugan, dahil ipinapakita nito sa atin kung ano ang mga tunay na kahihinatnan ng pagkumpleto ng isang "teorya ng lahat ng bagay". Marahil ay hindi gaanong mahalaga sa praktikal na kahulugan.