Wat als... we fundamentele problemen in de natuurkunde oplossen. Alles wacht op een theorie waaruit niets kan komen

Wat zal de oplossing zijn voor mysteries als donkere materie en donkere energie, het mysterie van het begin van het heelal, de aard van de zwaartekracht, het voordeel van materie ten opzichte van antimaterie, de richting van de tijd, de eenwording van de zwaartekracht met andere fysieke interacties, de grote eenwording van de natuurkrachten in één hoofdkracht, tot aan de zogenaamde theorie van alles, geef ons?

Volgens Einstein en vele andere vooraanstaande moderne natuurkundigen is het doel van de natuurkunde juist het creëren van een theorie van alles (TH). Het concept van een dergelijke theorie is echter niet eenduidig. Bekend als de Theory of Everything, ToE, is het een hypothetische natuurkundige theorie die alles consequent beschrijft fysieke verschijnselen en stelt u in staat het resultaat van elk experiment te voorspellen. Tegenwoordig wordt de uitdrukking meestal gebruikt om theorieën te beschrijven die een verband proberen te leggen algemene relativiteitstheorie. Tot nu toe heeft geen van deze theorieën experimentele bevestiging gekregen.

Momenteel is de meest geavanceerde theorie die beweert TW te zijn, gebaseerd op het holografische principe. 11-dimensionale M-theorie. Het is nog niet ontwikkeld en wordt door velen beschouwd als een ontwikkelingsrichting en niet als een feitelijke theorie.

Veel wetenschappers betwijfelen of zoiets als een ‘theorie van alles’ zelfs maar mogelijk is, in de meest fundamentele, logische zin. De stelling van Kurt Gödel zegt dat elk voldoende complex logisch systeem óf intern inconsistent is (een zin en de tegenstrijdigheid ervan kan worden bewezen) óf onvolledig is (er zijn triviaal ware zinnen die niet kunnen worden bewezen). Stanley Jacki merkte in 1966 op dat TW een complexe en coherente wiskundige theorie moet zijn, en dus onvermijdelijk onvolledig zal zijn.

Er is een bijzondere, originele en emotionele manier van theorie van alles. holografische hypothese (1), waardoor het probleem naar een iets ander niveau wordt verplaatst. De fysica van zwarte gaten lijkt erop te wijzen dat ons universum niet is wat onze zintuigen ons vertellen. De realiteit die ons omringt kan een hologram zijn, d.w.z. projectie van een tweedimensionaal vlak. Dit geldt ook voor de stelling van Gödel zelf. Maar lost zo’n theorie van alles problemen op, stelt het ons in staat de uitdagingen van de beschaving het hoofd te bieden?

Beschrijf het universum. Maar wat voor soort universum?

We hebben momenteel twee uitgebreide theorieën die bijna alle fysieke verschijnselen verklaren: Einsteins zwaartekrachttheorie (algemene relativiteitstheorie) i. De eerste verklaart goed de beweging van macro-objecten, van voetballen tot sterrenstelsels. hij heeft veel kennis van atomen en subatomaire deeltjes. Het probleem is dat deze twee theorieën beschrijven onze wereld totaal anders. In de kwantummechanica vinden gebeurtenissen plaats tegen een vaste achtergrond. ruimte tijd – terwijl w flexibel is. Hoe zou een kwantumtheorie van gekromde ruimtetijd eruit zien? We weten het niet.

De eerste pogingen om een ​​uniforme theorie van alles te creëren verschenen kort na de publicatie algemene relativiteitstheorievoordat we de fundamentele wetten begrijpen die nucleaire krachten beheersen. Deze concepten, bekend als Kaluzi-Klein-theorie, probeerde de zwaartekracht te combineren met elektromagnetisme.

Decennia lang is de snaartheorie, die zich voorstelt dat materie bestaat uit: kleine trillende snaren of energie lus, wordt beschouwd als het beste om te creëren verenigde theorie van de natuurkunde. Sommige natuurkundigen geven echter de voorkeur aan kzwaartekracht met tuiluswaarin de ruimte zelf uit kleine lussen bestaat. Noch de snaartheorie, noch de luskwantumzwaartekracht zijn echter experimenteel getest.

Grote verenigde theorieën (GUT's), die de kwantumchromodynamica en de theorie van elektrozwakke interacties combineren, presenteren de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten als manifestaties van één verenigde kracht. Geen van de eerdere theorieën over grote eenwording werd echter experimenteel bevestigd. Een gemeenschappelijk kenmerk van de grote verenigde theorie is de voorspelling van protonverval. Dit proces is nog niet waargenomen. Hieruit volgt dat de levensduur van de protonen minstens 1032 jaar moet zijn.

Het Standaardmodel uit 1968 bracht de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten onder één overkoepelende paraplu. Alle deeltjes en hun interacties werden overwogen en er werden veel nieuwe voorspellingen gedaan, waaronder één grote voorspelling over eenwording. Bij hoge energieën, in de orde van 100 GeV (de energie die nodig is om een ​​enkel elektron te versnellen tot een potentiaal van 100 miljard volt), zal de symmetrie die de elektromagnetische en zwakke interacties verenigt, worden hersteld.

Het bestaan ​​van nieuwe bosonen werd voorspeld, en met de ontdekking van de W- en Z-bosonen in 1983 werden deze voorspellingen bevestigd. De vier belangrijkste krachten werden teruggebracht tot drie. Het idee van eenwording is dat alle drie de krachten van het Standaardmodel en misschien zelfs de hogere energiezwaartekracht samenkomen in één structuur.

2. De Langrange-vergelijking, die het standaardmodel beschrijft, is verdeeld in vijf componenten.

Sommigen hebben gesuggereerd dat dit bij nog hogere energieën mogelijk is Planck-schaalzal de zwaartekracht zich ook verenigen. Dit is een van de belangrijkste motivaties van de snaartheorie. Wat erg interessant is aan deze ideeën is dat als we eenwording willen, we de symmetrie bij hogere energieën moeten herstellen. En als ze momenteel kapot zijn, leidt dit tot iets waarneembaars, nieuwe deeltjes en nieuwe interacties.

De Lagrangiaan van het Standaardmodel is de enige vergelijking die deeltjes i beschrijft invloed van het Standaardmodel (2). Het bestaat uit vijf onafhankelijke delen: gluonen in zone 1 van de vergelijking, zwakke bosonen in het deel gemarkeerd met twee, gemarkeerd met drie, is een wiskundige beschrijving van hoe materie interageert met de zwakke kracht en het Higgsveld, spookdeeltjes die het teveel aan energie aftrekken. het Higgs-veld in deel vier, en de geesten beschreven onder vijf Fadeev-Popovdie de redundantie van de zwakke interactie beïnvloeden. Er wordt geen rekening gehouden met neutrinomassa's.

Hoewel Standaard model we als één enkele vergelijking kunnen schrijven, is het feitelijk geen homogeen geheel in de zin dat er veel afzonderlijke, onafhankelijke uitdrukkingen zijn die de verschillende componenten van het universum beheersen. De afzonderlijke delen van het Standaardmodel hebben geen interactie met elkaar, aangezien kleurlading de elektromagnetische en zwakke krachten niet beïnvloedt, en er onbeantwoorde vragen blijven over waarom interacties die zouden moeten plaatsvinden, zoals het breken van CP-symmetrie bij sterke interacties, niet plaatsvinden. bedienen. spelen zich af.

Wanneer de symmetrieën zijn hersteld (op het hoogtepunt van hun potentieel), vindt er unificatie plaats. Het breken van de symmetrie helemaal onderaan komt echter overeen met het heelal dat we vandaag de dag hebben, samen met nieuwe soorten massieve deeltjes. Dus wat “van alle dingen” zou deze theorie moeten zijn? Degene die bestaat, d.w.z. een echt asymmetrisch universum of één en symmetrisch universum, maar uiteindelijk niet het universum waar we mee te maken hebben.

De bedrieglijke schoonheid van ‘complete’ modellen

Lars English betoogt in zijn boek There Is No Theory of Everything dat er geen enkele set regels bestaat die dat wel kan combineer de algemene relativiteitstheorie met de kwantummechanicaomdat wat waar is op kwantumniveau niet noodzakelijkerwijs waar is op zwaartekrachtniveau. En hoe groter en complexer het systeem, hoe meer het verschilt van de samenstellende elementen. “Het is niet zo dat deze regels van de zwaartekracht de kwantummechanica tegenspreken, maar dat ze niet uit de kwantumfysica kunnen worden afgeleid”, schrijft hij.

Alle wetenschap, opzettelijk of niet, is gebaseerd op de vooronderstelling van hun bestaan. objectieve natuurkundige wettendie een onderling compatibele reeks fundamentele fysieke postulaten met zich meebrengen die het gedrag van het fysieke universum en alles daarin beschrijven. Natuurlijk houdt een dergelijke theorie geen volledige verklaring of beschrijving in van alles wat bestaat, maar beschrijft hoogstwaarschijnlijk uitputtend alle testbare fysieke processen. Logischerwijs zou een van de directe voordelen van het op deze manier begrijpen van TW het stoppen van experimenten zijn waarin de theorie negatieve resultaten voorspelt.

De meeste natuurwetenschappers zullen moeten stoppen met onderzoek doen en de kost moeten verdienen door les te geven in plaats van door onderzoek te doen. Het maakt het publiek echter waarschijnlijk niet uit of de zwaartekracht verklaard kan worden in termen van de kromming van de ruimtetijd.

Natuurlijk is er nog een andere mogelijkheid: het universum zal zich eenvoudigweg niet verenigen. De symmetrieën waartoe we zijn gekomen zijn eenvoudigweg onze eigen wiskundige uitvindingen en beschrijven niet het fysieke universum.

In een vernietigend artikel voor Nautil.Us oordeelde Sabine Hossenfelder (3), een wetenschapper aan het Frankfurt Institute for Advanced Study, dat “het hele idee van een theorie van alles gebaseerd is op een onwetenschappelijke aanname.” “Dit is geen goede strategie voor het ontwikkelen van wetenschappelijke theorieën. (…) Vertrouwen op schoonheid in de theorieontwikkeling heeft historisch gezien slecht gewerkt.” Volgens haar is er geen reden om de natuur te beschrijven door een theorie van alles. Hoewel we een kwantumtheorie van de zwaartekracht nodig hebben om een ​​logische inconsistentie in de natuurwetten te vermijden, hoeven de krachten in het Standaardmodel niet verenigd te zijn en hoeven ze ook niet verenigd te zijn met de zwaartekracht. Het zou leuk zijn, ja, maar het is niet nodig. Het standaardmodel werkt goed zonder unificatie, benadrukt de onderzoeker. Het maakt de natuur duidelijk niets uit wat natuurkundigen als mooie wiskunde beschouwen, zegt mevrouw Hossenfelder boos. In de natuurkunde worden doorbraken in de theoretische ontwikkeling geassocieerd met het oplossen van wiskundige inconsistenties, niet met mooie en ‘complete’ modellen.

Ondanks deze nuchtere aansporingen worden er voortdurend nieuwe voorstellen voor de theorie van alles naar voren gebracht, zoals Garrett Lisi's The Exceptionally Simple Theory of Everything uit 2007. Het heeft de bijzonderheid dat prof. Hossenfelder is prachtig en kan prachtig worden weergegeven met een aantrekkelijke visualisatie (4). Deze theorie, genaamd E8, stelt dat de sleutel tot het begrijpen van het universum is wiskundig object in de vorm van een symmetrische rozet.

Lisi creëerde deze structuur door elementaire deeltjes in een grafiek uit te zetten, waarbij ook rekening wordt gehouden met bekende fysieke interacties. Het resultaat was een complexe achtdimensionale wiskundige structuur van 248 punten. Elk van deze punten vertegenwoordigt deeltjes met verschillende eigenschappen. In het diagram is er een groep deeltjes met bepaalde eigenschappen die "ontbreken". Ten minste enkele van deze ‘ontbrekende’ hebben theoretisch gezien iets te maken met de zwaartekracht, waardoor de kloof tussen de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie wordt overbrugd.

4. E8 Visualisatietheorie

Natuurkundigen moeten dus werken aan het vullen van de Fox's Rosette. Als dit lukt, wat gaat er dan gebeuren? Velen antwoorden sarcastisch dat het niets bijzonders is. Gewoon een mooi plaatje zou compleet zijn. Deze constructie kan in deze zin waardevol zijn, omdat ze ons laat zien wat de werkelijke gevolgen zouden zijn van het voltooien van een 'theorie van alles'. In praktische zin wellicht onbeduidend.