מה אם... נפתור בעיות יסוד בפיזיקה. הכל מחכה לתיאוריה שדבר לא יכול לצאת ממנה
מה ייתן לנו את התשובה לתעלומות כמו חומר אפל ואנרגיה אפלה, המסתורין של תחילת היקום, טבע הכבידה, היתרון של החומר על אנטי-חומר, כיוון הזמן, איחוד הכבידה עם אינטראקציות פיזיות אחרות , האיחוד הגדול של כוחות הטבע לבסיס אחד, עד למה שנקרא תיאוריה של הכל?
לפי איינשטיין ועוד הרבה פיזיקאים מודרניים מצטיינים, המטרה של הפיזיקה היא בדיוק ליצור תיאוריה של הכל (טלוויזיה). עם זאת, הרעיון של תיאוריה כזו אינו חד משמעי. ידוע בתור התיאוריה של הכל, ToE היא תיאוריה פיזיקלית היפותטית שמתארת הכל באופן עקבי תופעות פיזיקליות ומאפשר לך לחזות את התוצאה של כל ניסוי. כיום, ביטוי זה משמש בדרך כלל לתיאור תיאוריות המנסות ליצור איתן קשר תורת היחסות הכללית. עד כה, אף אחת מהתיאוריות הללו לא קיבלה אישור ניסיוני.
נכון לעכשיו, התיאוריה המתקדמת ביותר הטוענת שהיא TW מבוססת על העיקרון ההולוגרפי. תיאוריית M 11 מימדים. הוא עדיין לא פותח ונחשב בעיני רבים ככיוון התפתחות ולא כתיאוריה ממשית.
מדענים רבים מפקפקים בכך שמשהו כמו "תיאוריה של הכל" אפשרי אפילו, ובמובן הבסיסי ביותר, מבוסס על היגיון. משפט קורט גדל אומר שכל מערכת לוגית מורכבת מספיק היא או בלתי עקבית פנימית (אפשר להוכיח משפט ואת הסתירה שלו בו) או לא שלמה (יש משפטים נכונים טריוויאליים שלא ניתן להוכיח). סטנלי ג'קי העיר ב-1966 ש-TW חייבת להיות תיאוריה מתמטית מורכבת וקוהרנטית, ולכן היא בהכרח לא תהיה שלמה.
יש דרך מיוחדת, מקורית ומרגשת של התיאוריה של הכל. השערה הולוגרפית (1), העברת המשימה לתכנית מעט שונה. נראה שפיזיקת החורים השחורים מעידה שהיקום שלנו אינו מה שהחושים שלנו אומרים לנו. המציאות המקיפה אותנו יכולה להיות הולוגרמה, כלומר. הקרנה של מישור דו מימדי. זה חל גם על משפטו של גדל עצמו. אבל האם תיאוריה כזו של הכל פותרת בעיות כלשהן, האם היא מאפשרת לנו להתמודד עם אתגרי הציוויליזציה?
תאר את היקום. אבל מהו היקום?
יש לנו כרגע שתי תיאוריות כלליות שמסבירות כמעט את כל התופעות הפיזיקליות: תורת הכבידה של איינשטיין (תורת היחסות הכללית) i. הראשון מסביר היטב את התנועה של עצמים מאקרו, מכדורי כדורגל לגלקסיות. הוא בקיא מאוד באטומים ובחלקיקים תת-אטומיים. הבעיה היא ש שתי התיאוריות הללו מתארות את העולם שלנו בדרכים שונות לחלוטין. במכניקת הקוונטים, אירועים מתרחשים על רקע קבוע. זמן מרחב – בעוד w גמיש. איך תיראה תורת הקוונטים של מרחב-זמן עקום? אנחנו לא יודעים.
הניסיונות הראשונים ליצור תיאוריה מאוחדת של הכל הופיעו זמן קצר לאחר הפרסום תורת היחסות הכלליתלפני שנבין את חוקי היסוד השולטים בכוחות הגרעיניים. מושגים אלה, הידועים בשם תורת קלוזי-קליין, ביקש לשלב את כוח הכבידה עם אלקטרומגנטיות.
במשך עשרות שנים, תורת המיתרים, המייצגת את החומר כבנוי ממנו מיתרים זעירים רוטטים לוב לולאת אנרגיה, נחשב לטוב ביותר ליצירה תיאוריה מאוחדת של הפיזיקה. עם זאת, כמה פיזיקאים מעדיפים קכוח הכבידה של לולאת כבליםשבו החלל החיצון עצמו מורכב מלולאות זעירות. עם זאת, לא תורת המיתרים ולא כוח הכבידה הקוונטית בלולאה אומתו בניסוי.
תיאוריות מאוחדות גדולות (GUTs), המשלבות כרומודינמיקה קוונטית ותיאוריית אינטראקציות אלקטרו-חלשות, מייצגות את האינטראקציות החזקות, החלשות והאלקטרומגנטיות כביטוי של אינטראקציה אחת בודדת. עם זאת, אף אחת מהתיאוריות המאוחדות הגדולות הקודמות לא קיבלה אישור ניסיוני. תכונה משותפת של התיאוריה המאוחדת הגדולה היא חיזוי ההתפרקות של הפרוטון. תהליך זה טרם נצפה. מכאן נובע שאורך חייו של פרוטון חייב להיות לפחות 1032 שנים.
הדגם הסטנדרטי של 1968 איחד את הכוחות החזקים, החלשים והאלקטרומגנטיים תחת מטריה אחת. כל החלקיקים והאינטראקציות שלהם נבחנו, ונעשו תחזיות חדשות רבות, כולל תחזית איחוד גדולה אחת. באנרגיות גבוהות, בסדר גודל של 100 GeV (האנרגיה הנדרשת כדי להאיץ אלקטרון בודד לפוטנציאל של 100 מיליארד וולט), תשוחזר הסימטריה המאחדת את הכוחות האלקטרומגנטיים והחלשים.
חיזוי קיומם של חדשים, ועם גילוי הבוזונים W ו-Z בשנת 1983, התחזיות הללו אושרו. ארבעת הכוחות העיקריים צומצמו לשלושה. הרעיון מאחורי האיחוד הוא שכל שלושת הכוחות של המודל הסטנדרטי, ואולי אפילו האנרגיה הגבוהה יותר של כוח הכבידה, משולבים למבנה אחד.
2. משוואת Langrange המתארת את המודל הסטנדרטי, מחולקת לחמישה מרכיבים.
חלקם הציעו זאת באנרגיות גבוהות עוד יותר, אולי בסביבה סולם פלאנק, גם כוח המשיכה ישלב. זהו אחד המניעים העיקריים של תורת המיתרים. מה שמעניין מאוד ברעיונות האלה הוא שאם אנחנו רוצים איחוד, עלינו להחזיר סימטריה באנרגיות גבוהות יותר. ואם כרגע הם שבורים, זה מוביל למשהו שניתן לצפות בו, לחלקיקים חדשים ולאינטראקציות חדשות.
ה-Lagranian של המודל הסטנדרטי היא המשוואה היחידה המתארת חלקיקים i השפעת המודל הסטנדרטי (2). הוא מורכב מחמישה חלקים בלתי תלויים: בערך גלוונים באזור 1 של המשוואה, בוזונים חלשים בחלק המסומן ב-XNUMX, מסומן ב-XNUMX, הוא תיאור מתמטי של האופן שבו החומר מקיים אינטראקציה עם הכוח החלש ועם שדה היגס, חלקיקי רפאים המפחיתים העודף של שדה היגס בחלקים מהרביעי, והרוחות המתוארות מתחת לחמש פאדייב-פופובאשר משפיעים על יתירות האינטראקציה החלשה. המוני ניטרינו אינם נלקחים בחשבון.
למרות דגם סטנדרטי אנחנו יכולים לכתוב את זה כמשוואה אחת, זה לא באמת שלם הומוגני במובן שיש הרבה ביטויים נפרדים ועצמאיים השולטים במרכיבים השונים של היקום. חלקים נפרדים של המודל הסטנדרטי אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, מכיוון שמטען הצבע אינו משפיע על האינטראקציות האלקטרומגנטיות והחלשות, ושאלות נותרו ללא מענה מדוע אינטראקציות שאמורות להתרחש, למשל, הפרת CP באינטראקציות חזקות, אינן עובדות. לְהִתְרַחֵשׁ.
כאשר הסימטריות משוחזרות (בשיא הפוטנציאל), מתרחש איחוד. עם זאת, הסימטריה שנשברת בתחתית מאוד תואמת את היקום שיש לנו היום, יחד עם סוגים חדשים של חלקיקים מסיביים. אז איזו "מהכל" צריכה להיות התיאוריה הזו? זה שהוא, כלומר. יקום א-סימטרי אמיתי, או אחד וסימטרי, אבל בסופו של דבר לא זה שאנו עוסקים בו.
היופי המתעתע של דוגמניות "שלמות".
לארס אינגליש, ב"אין תיאוריה של הכל", טוען שאין מערכת כללים אחת שיכולה לשלב את תורת היחסות הכללית עם מכניקת הקוונטיםכי מה שנכון ברמה הקוונטית לא בהכרח נכון ברמת הכבידה. וככל שהמערכת גדולה ומורכבת יותר, כך היא שונה מהמרכיבים המרכיבים אותה. "הנקודה היא לא שכללי הכבידה האלה סותרים את מכניקת הקוונטים, אלא שלא ניתן לגזור אותם מפיזיקה קוונטית", הוא כותב.
כל מדע, בכוונה או לא, מבוסס על הנחת היסוד של קיומם. חוקים פיזיקליים אובייקטיבייםאשר טומן בחובו מערכת תואמת הדדית של הנחות פיזיקליות בסיסיות המתארות את התנהגות היקום הפיזי וכל מה שיש בו. כמובן, תיאוריה כזו אינה כרוכה בהסבר או תיאור מלא של כל מה שקיים, אבל, סביר להניח, היא מתארת בצורה ממצה את כל התהליכים הפיזיקליים הניתנים לאימות. באופן הגיוני, אחד היתרונות המיידיים של הבנה כזו של TW יהיה הפסקת ניסויים שבהם התיאוריה חוזה תוצאות שליליות.
רוב הפיזיקאים יצטרכו להפסיק לחקור ולהתפרנס ללמד, לא לחקור. עם זאת, לציבור כנראה לא אכפת אם ניתן להסביר את כוח הכבידה במונחים של עקמומיות המרחב-זמן.
כמובן, יש אפשרות נוספת - היקום פשוט לא יתאחד. הסימטריות אליהן הגענו הן פשוט המצאות מתמטיות שלנו ואינן מתארות את היקום הפיזי.
במאמר בעל פרופיל גבוה עבור Nautil.Us העריכה סבינה הוזנפלדר (3), מדענית במכון פרנקפורט למחקר מתקדם, כי "כל הרעיון של תיאוריה של הכל מבוסס על הנחה לא מדעית". "זו לא האסטרטגיה הטובה ביותר לפיתוח תיאוריות מדעיות. (...) ההסתמכות על יופי בפיתוח התיאוריה עבדה באופן היסטורי גרוע." לדעתה, אין סיבה שהטבע יתואר על ידי תיאוריה של הכל. בעוד שאנו זקוקים לתורת קוונטים של כוח הכבידה כדי למנוע חוסר עקביות לוגי בחוקי הטבע, כוחות במודל הסטנדרטי אינם צריכים להיות מאוחדים ואינם צריכים להיות מאוחדים עם כוח הכבידה. זה יהיה נחמד, כן, אבל זה מיותר. המודל הסטנדרטי עובד היטב ללא איחוד, מדגיש החוקר. ברור שלא אכפת לטבע מה הפיזיקאים חושבים שהיא מתמטיקה יפה, אומרת גב' הוזנפלדר בכעס. בפיזיקה, פריצות דרך בפיתוח תיאורטי קשורות לפתרון של חוסר עקביות מתמטי, ולא עם מודלים יפים ו"גמורים".
למרות האזהרות המפוכחות הללו, מועלות ללא הרף הצעות חדשות לתיאוריה של הכל, כמו "התיאוריה הפשוטה יוצאת הדופן של הכל" של גארט ליסי, שפורסם ב-2007. יש לו את התכונה שפרופ. Hossenfelder יפהפה וניתן להראותו יפה עם הדמיות מושכות (4). התיאוריה הזו, המכונה E8, טוענת שהמפתח להבנת היקום הוא אובייקט מתמטי בצורת רוזטה סימטרית.
ליסי יצרה את המבנה הזה על ידי שרטוט חלקיקים אלמנטריים על גרף שלוקח בחשבון גם אינטראקציות פיזיקליות ידועות. התוצאה היא מבנה מתמטי מורכב של שמונה ממדים של 248 נקודות. כל אחת מהנקודות הללו מייצגת חלקיקים בעלי תכונות שונות. יש בתרשים קבוצה של חלקיקים עם תכונות מסוימות ש"חסרות". לפחות לחלק מה"חסרים" הללו יש קשר תיאורטי לכוח הכבידה, המגשר על הפער בין מכניקת הקוונטים לתורת היחסות הכללית.
4. תורת ההדמיה E8
אז פיזיקאים צריכים לעבוד כדי למלא את "שקע השועל". אם זה יצליח, מה יקרה? רבים עונים בציניות שאין שום דבר מיוחד. רק תמונה יפה תיגמר. בנייה זו יכולה להיות בעלת ערך במובן הזה, שכן היא מראה לנו מה יהיו ההשלכות האמיתיות של השלמת "תיאוריה של הכל". אולי חסר משמעות מבחינה מעשית.
