E se... risolvessimo problemi fondamentali in fisica. Tutto è in attesa di una teoria da cui nulla può nascere

Cosa ci darà la risposta a misteri come la materia oscura e l'energia oscura, il mistero dell'inizio dell'Universo, la natura della gravità, il vantaggio della materia sull'antimateria, la direzione del tempo, l'unificazione della gravità con altre interazioni fisiche , la grande unificazione delle forze della natura in un'unica base, fino alla cosiddetta teoria del tutto?

Secondo Einstein e molti altri eccezionali fisici moderni, l'obiettivo della fisica è proprio quello di creare una teoria del tutto (TV). Tuttavia, il concetto di una tale teoria non è univoco. Conosciuta come la teoria del tutto, ToE è un'ipotetica teoria fisica che descrive costantemente tutto fenomeni fisici e ti consente di prevedere il risultato di qualsiasi esperimento. Al giorno d'oggi, questa frase è comunemente usata per descrivere teorie che tentano di stabilire una connessione con teoria della relatività generale. Finora, nessuna di queste teorie ha ricevuto conferma sperimentale.

Attualmente, la teoria più avanzata che pretende di essere TW si basa sul principio olografico. Teoria M a 11 dimensioni. Non è stato ancora sviluppato ed è considerato da molti una direzione di sviluppo piuttosto che una teoria reale.

Molti scienziati dubitano che qualcosa come una "teoria del tutto" sia persino possibile e, nel senso più elementare, basata sulla logica. Teorema di Kurt Gödel dice che qualsiasi sistema logico sufficientemente complesso è o internamente incoerente (si può provare una frase e la sua contraddizione in essa) o incompleto (ci sono frasi banalmente vere che non possono essere provate). Stanley Jackie ha osservato nel 1966 che TW deve essere una teoria matematica complessa e coerente, quindi sarà inevitabilmente incompleta.

C'è un modo speciale, originale ed emotivo della teoria del tutto. ipotesi olografica (1), trasferendo l'attività a un piano leggermente diverso. La fisica dei buchi neri sembra indicare che il nostro universo non è ciò che i nostri sensi ci dicono. La realtà che ci circonda può essere un ologramma, cioè proiezione di un piano bidimensionale. Questo vale anche per il teorema di Gödel stesso. Ma una tale teoria del tutto risolve qualche problema, ci permette di affrontare le sfide della civiltà?

Descrivi l'universo. Ma cos'è l'universo?

Attualmente abbiamo due teorie generali che spiegano quasi tutti i fenomeni fisici: La teoria della gravità di Einstein (relatività generale) i. Il primo spiega bene il movimento di macro oggetti, dai palloni da calcio alle galassie. è molto ben informato sugli atomi e sulle particelle subatomiche. Il problema è che queste due teorie descrivono il nostro mondo in modi completamente diversi. Nella meccanica quantistica, gli eventi hanno luogo su uno sfondo fisso. spazio tempo – mentre w è flessibile. Come sarà la teoria quantistica dello spazio-tempo curvo? Noi non sappiamo.

I primi tentativi di creare una teoria unificata del tutto sono apparsi poco dopo la pubblicazione teoria della relatività generaleprima di comprendere le leggi fondamentali che governano le forze nucleari. Questi concetti, noti come Teoria di Kaluzi-Klein, ha cercato di combinare la gravità con l'elettromagnetismo.

Da decenni la teoria delle stringhe, che rappresenta la materia come composta minuscole corde vibranti o ciclo energetico, è considerato il migliore per creare teoria unificata della fisica. Tuttavia, alcuni fisici preferiscono kgravità ad anello strallatoin cui lo stesso spazio esterno è costituito da minuscoli anelli. Tuttavia, né la teoria delle stringhe né la gravità quantistica ad anello sono state verificate sperimentalmente.

Le teorie della grande unificazione (GUT), che combinano la cromodinamica quantistica e la teoria delle interazioni elettrodeboli, rappresentano le interazioni forte, debole ed elettromagnetica come manifestazione di una singola interazione. Tuttavia, nessuna delle precedenti teorie della grande unificazione ha ricevuto conferme sperimentali. Una caratteristica comune della teoria della grande unificazione è la previsione del decadimento del protone. Questo processo non è stato ancora osservato. Ne consegue che la vita di un protone deve essere di almeno 1032 anni.

Il modello standard del 1968 unificava le forze forti, deboli ed elettromagnetiche sotto un unico ombrello. Sono state considerate tutte le particelle e le loro interazioni e sono state fatte molte nuove previsioni, inclusa una grande previsione di unificazione. Ad alte energie, dell'ordine di 100 GeV (l'energia necessaria per accelerare un singolo elettrone a un potenziale di 100 miliardi di volt), verrà ripristinata la simmetria che unifica le forze elettromagnetiche e deboli.

È stata prevista l'esistenza di nuovi bosoni e, con la scoperta dei bosoni W e Z nel 1983, queste previsioni sono state confermate. Le quattro forze principali furono ridotte a tre. L'idea alla base dell'unificazione è che tutte e tre le forze del Modello Standard, e forse anche la maggiore energia di gravità, sono combinate in un'unica struttura.

2. L'equazione di Langrange che descrive il Modello Standard, divisa in cinque componenti.

Alcuni hanno suggerito che a energie ancora più elevate, forse intorno Scala di Planck, anche la gravità si combinerà. Questa è una delle principali motivazioni della teoria delle stringhe. La cosa molto interessante di queste idee è che se vogliamo l'unificazione, dobbiamo ripristinare la simmetria alle energie più elevate. E se sono attualmente rotti, porta a qualcosa di osservabile, nuove particelle e nuove interazioni.

La Lagrangiana del Modello Standard è l'unica equazione che descrive le particelle i influenza del Modello Standard (2). Consiste di cinque parti indipendenti: sui gluoni nella zona 1 dell'equazione, i bosoni deboli nella parte contrassegnata con due, contrassegnata con tre, è una descrizione matematica di come la materia interagisce con la forza debole e il campo di Higgs, particelle fantasma che sottraggono l'eccesso del campo di Higgs in parti del quarto e gli spiriti descritti in cinque Fadeev-Popovche influiscono sulla ridondanza dell'interazione debole. Le masse dei neutrini non vengono prese in considerazione.

Sebbene Modello standard possiamo scriverla come un'unica equazione, non è proprio un tutto omogeneo, nel senso che ci sono molte espressioni separate e indipendenti che governano le varie componenti dell'universo. Parti separate del modello standard non interagiscono tra loro, perché la carica di colore non influisce sulle interazioni elettromagnetiche e deboli e rimangono senza risposta le domande sul perché le interazioni che dovrebbero verificarsi, ad esempio la violazione di CP nelle interazioni forti, non funzionano. avere luogo.

Quando le simmetrie vengono ripristinate (al culmine del potenziale), avviene l'unificazione. Tuttavia, la rottura della simmetria in fondo è coerente con l'universo che abbiamo oggi, insieme a nuovi tipi di particelle massicce. Quindi quale "di tutto" dovrebbe essere questa teoria? Quello che è, cioè un vero e proprio universo asimmetrico, o uno e simmetrico, ma in definitiva non quello con cui abbiamo a che fare.

La bellezza ingannevole dei modelli "completi".

Lars English, in The No Theory of Everything, sostiene che non esiste un unico insieme di regole che possa farlo combinare la relatività generale con la meccanica quantisticaperché ciò che è vero a livello quantistico non è necessariamente vero a livello di gravità. E più grande e complesso è il sistema, più differisce dai suoi elementi costitutivi. "Il punto non è che queste regole di gravità contraddicano la meccanica quantistica, ma che non possono essere derivate dalla fisica quantistica", scrive.

Tutta la scienza, intenzionalmente o meno, si basa sulla premessa della loro esistenza. leggi fisiche oggettiveche comportano un insieme reciprocamente compatibile di postulati fisici fondamentali che descrivono il comportamento dell'universo fisico e di tutto ciò che contiene. Naturalmente, una tale teoria non comporta una spiegazione o una descrizione completa di tutto ciò che esiste, ma, molto probabilmente, descrive in modo esauriente tutti i processi fisici verificabili. Logicamente, uno dei vantaggi immediati di una tale comprensione di TW sarebbe quello di interrompere gli esperimenti in cui la teoria prevede risultati negativi.

La maggior parte dei fisici dovrà smettere di fare ricerca e guadagnarsi da vivere insegnando, non ricercando. Tuttavia, al pubblico probabilmente non interessa se la forza di gravità può essere spiegata in termini di curvatura dello spaziotempo.

Naturalmente, c'è un'altra possibilità: l'Universo semplicemente non si unirà. Le simmetrie a cui siamo arrivati ​​sono semplicemente nostre invenzioni matematiche e non descrivono l'universo fisico.

In un articolo di alto profilo per Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), scienziata dell'Istituto di studi avanzati di Francoforte, ha valutato che "l'intera idea di una teoria del tutto si basa su un presupposto non scientifico". “Questa non è la strategia migliore per sviluppare teorie scientifiche. (…) L'affidarsi alla bellezza nello sviluppo della teoria ha storicamente funzionato male”. Secondo lei, non c'è motivo per cui la natura sia descritta da una teoria del tutto. Mentre abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità per evitare un'incoerenza logica nelle leggi della natura, le forze nel Modello Standard non hanno bisogno di essere unificate e non hanno bisogno di essere unificate con la gravità. Sarebbe bello, sì, ma non è necessario. Il modello standard funziona bene senza unificazione, sottolinea il ricercatore. Alla natura chiaramente non interessa ciò che i fisici pensano sia una bella matematica, dice con rabbia la signora Hossenfelder. In fisica, le scoperte nello sviluppo teorico sono associate alla soluzione delle incongruenze matematiche e non a modelli belli e "finiti".

Nonostante queste sobrie ammonizioni, vengono continuamente avanzate nuove proposte per una teoria del tutto, come The Exceptionally Simple Theory of Everything di Garrett Lisi, pubblicato nel 2007. Ha la caratteristica che il prof. Hossenfelder è bellissimo e può essere mostrato magnificamente con visualizzazioni attraenti (4). Questa teoria, chiamata E8, afferma che la chiave per comprendere l'universo è oggetto matematico a forma di rosetta simmetrica.

Lisi ha creato questa struttura tracciando le particelle elementari su un grafico che tiene conto anche delle interazioni fisiche note. Il risultato è una complessa struttura matematica a otto dimensioni di 248 punti. Ciascuno di questi punti rappresenta particelle con proprietà diverse. C'è un gruppo di particelle nel diagramma con alcune proprietà che sono "mancanti". Almeno alcuni di questi "mancanti" hanno teoricamente qualcosa a che fare con la gravità, colmando il divario tra la meccanica quantistica e la relatività generale.

4. Teoria della visualizzazione E8

Quindi i fisici devono lavorare per riempire la "presa Fox". Se riesce, cosa accadrà? Molti rispondono sarcasticamente che niente di speciale. Solo una bella immagine sarebbe finita. Questa costruzione può essere preziosa in questo senso, poiché ci mostra quali sarebbero le reali conseguenze del completamento di una "teoria del tutto". Forse insignificante in senso pratico.