Was wäre, wenn... wir grundlegende Probleme der Physik lösen würden? Alles wartet auf eine Theorie, aus der nichts entstehen kann

Was wird uns die Antwort auf solche Geheimnisse wie dunkle Materie und dunkle Energie, das Geheimnis des Beginns des Universums, die Natur der Schwerkraft, den Vorteil von Materie gegenüber Antimaterie, die Richtung der Zeit, die Vereinigung der Schwerkraft mit anderen physikalischen Wechselwirkungen geben? , die große Vereinigung der Naturkräfte in einem Grundprinzip, bis hin zur sogenannten Theorie von allem ?

Laut Einstein und vielen anderen herausragenden modernen Physikern besteht das Ziel der Physik genau darin, eine Theorie für alles zu erstellen (TV). Das Konzept einer solchen Theorie ist jedoch nicht eindeutig. ToE, bekannt als die Theorie von allem, ist eine hypothetische physikalische Theorie, die konsistent alles beschreibt physikalische Phänomene und ermöglicht es Ihnen, das Ergebnis jedes Experiments vorherzusagen. Heutzutage wird dieser Ausdruck häufig verwendet, um Theorien zu beschreiben, die versuchen, einen Zusammenhang herzustellen allgemeine Relativitätstheorie. Bisher hat keine dieser Theorien eine experimentelle Bestätigung erhalten.

Die derzeit fortschrittlichste Theorie, die behauptet, TW zu sein, basiert auf dem holographischen Prinzip. 11-dimensionale M-Theorie. Es wurde noch nicht entwickelt und wird von vielen eher als Entwicklungsrichtung denn als tatsächliche Theorie angesehen.

Viele Wissenschaftler bezweifeln, dass so etwas wie eine „Theorie von allem“ überhaupt möglich ist und im grundlegendsten Sinne auf Logik basiert. Satz von Kurt Gödel besagt, dass jedes hinreichend komplexe logische System entweder in sich inkonsistent (man kann einen Satz und seinen Widerspruch darin beweisen) oder unvollständig (es gibt trivial wahre Sätze, die nicht bewiesen werden können) ist. Stanley Jackie bemerkte 1966, dass TW eine komplexe und kohärente mathematische Theorie sein muss und daher zwangsläufig unvollständig sein wird.

Es gibt eine besondere, originelle und emotionale Art der Theorie von allem. Holographische Hypothese (1), Übertragen der Aufgabe auf einen etwas anderen Plan. Die Physik der Schwarzen Löcher scheint darauf hinzudeuten, dass unser Universum nicht das ist, was unsere Sinne uns sagen. Die Realität, die uns umgibt, kann ein Hologramm sein, d.h. Projektion einer zweidimensionalen Ebene. Dies gilt auch für den Satz von Gödel selbst. Aber löst eine solche Theorie von allem irgendwelche Probleme, ermöglicht sie uns, uns den Herausforderungen der Zivilisation zu stellen?

Beschreiben Sie das Universum. Aber was ist das Universum?

Wir haben derzeit zwei übergreifende Theorien, die fast alle physikalischen Phänomene erklären: Einsteins Gravitationstheorie (Allgemeine Relativitätstheorie) i. Die erste erklärt gut die Bewegung von Makroobjekten, von Fußbällen bis hin zu Galaxien. Er kennt sich sehr gut mit Atomen und subatomaren Teilchen aus. Das Problem ist, dass Diese beiden Theorien beschreiben unsere Welt auf völlig unterschiedliche Weise. In der Quantenmechanik finden Ereignisse vor einem festen Hintergrund statt. Raum-Zeit – während w flexibel ist. Wie wird die Quantentheorie der gekrümmten Raumzeit aussehen? Wir wissen nicht.

Die ersten Versuche, eine einheitliche Theorie von allem zu schaffen, erschienen kurz nach der Veröffentlichung allgemeine Relativitätstheoriebevor wir die grundlegenden Gesetze verstehen, die die Nuklearstreitkräfte regeln. Diese Konzepte, bekannt als Kaluzi-Klein-Theorie, versuchte die Schwerkraft mit Elektromagnetismus zu kombinieren.

Seit Jahrzehnten gibt es die Stringtheorie, die Materie als zusammengesetzt darstellt winzige vibrierende Saiten oder Energiekreislaufgilt als das beste zum Erstellen einheitliche Theorie der Physik. Einige Physiker bevorzugen jedoch kSchwerkraft der Schrägseilschleifein dem der Weltraum selbst aus winzigen Schleifen besteht. Allerdings wurden weder die Stringtheorie noch die Schleifenquantengravitation experimentell getestet.

Große vereinheitlichte Theorien (GUTs), die Quantenchromodynamik und die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen kombinieren, stellen die starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen als Manifestation einer einzigen Wechselwirkung dar. Allerdings hat keine der bisherigen großen einheitlichen Theorien eine experimentelle Bestätigung erhalten. Ein gemeinsames Merkmal der großen einheitlichen Theorie ist die Vorhersage des Zerfalls des Protons. Dieser Vorgang wurde bisher nicht beobachtet. Daraus folgt, dass die Lebensdauer eines Protons mindestens 1032 Jahre betragen muss.

Das Standardmodell von 1968 vereinte die starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte unter einem übergreifenden Dach. Alle Teilchen und ihre Wechselwirkungen wurden berücksichtigt und viele neue Vorhersagen gemacht, darunter eine große Vereinheitlichungsvorhersage. Bei hohen Energien in der Größenordnung von 100 GeV (die Energie, die erforderlich ist, um ein einzelnes Elektron auf ein Potenzial von 100 Milliarden Volt zu beschleunigen) wird die Symmetrie, die elektromagnetische und schwache Kräfte vereint, wiederhergestellt.

Die Existenz neuer Bosonen wurde vorhergesagt, und mit der Entdeckung der W- und Z-Bosonen im Jahr 1983 wurden diese Vorhersagen bestätigt. Die vier Hauptstreitkräfte wurden auf drei reduziert. Die Idee hinter der Vereinigung ist, dass alle drei Kräfte des Standardmodells und vielleicht sogar die höhere Energie der Schwerkraft in einer Struktur vereint werden.

2. Die Langrange-Gleichung, die das Standardmodell beschreibt, unterteilt in fünf Komponenten.

Einige haben vorgeschlagen, dass dies bei noch höheren Energien der Fall sein könnte Planck-Skala, wird sich auch die Schwerkraft vereinen. Dies ist eine der Hauptmotivationen der Stringtheorie. Das Interessante an diesen Ideen ist, dass wir die Symmetrie bei höheren Energien wiederherstellen müssen, wenn wir eine Vereinigung wollen. Und wenn sie gerade kaputt sind, führt das zu etwas Beobachtbarem, neuen Teilchen und neuen Wechselwirkungen.

Der Lagrange-Operator des Standardmodells ist die einzige Gleichung, die Teilchen i beschreibt Einfluss des Standardmodells (2). Es besteht aus fünf unabhängigen Teilen: Über Gluonen in Zone 1 der Gleichung, schwache Bosonen im mit zwei markierten Teil, markiert mit drei, ist eine mathematische Beschreibung, wie Materie mit der schwachen Kraft und dem Higgs-Feld interagiert, Geisterteilchen, die subtrahieren der Überschuss des Higgs-Feldes in Teilen des vierten und die unter fünf beschriebenen Geister Fadeev-Popovdie sich auf die Redundanz der schwachen Wechselwirkung auswirken. Neutrinomassen werden nicht berücksichtigt.

obwohl Standardmodell wir können es als eine einzige Gleichung schreiben, es ist nicht wirklich ein homogenes Ganzes in dem Sinne, dass es viele separate, unabhängige Ausdrücke gibt, die die verschiedenen Komponenten des Universums steuern. Separate Teile des Standardmodells interagieren nicht miteinander, da die Farbladung keinen Einfluss auf elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen hat und Fragen offen bleiben, warum Wechselwirkungen, die auftreten sollten, beispielsweise CP-Verletzung bei starken Wechselwirkungen, nicht funktionieren. stattfinden.

Wenn die Symmetrien wiederhergestellt sind (auf dem Höhepunkt des Potenzials), kommt es zur Vereinigung. Der Symmetriebruch ganz unten stimmt jedoch mit dem Universum überein, das wir heute haben, zusammen mit neuen Arten massiver Teilchen. Was also „von allem“ sollte diese Theorie sein? Dasjenige, das ist, d.h. ein echtes asymmetrisches Universum oder eins und symmetrisch, aber letztendlich nicht das, mit dem wir es zu tun haben.

Die trügerische Schönheit „vollständiger“ Modelle

Lars English argumentiert in „The No Theory of Everything“, dass es kein einzelnes Regelwerk gibt, das dies könnte Kombinieren Sie die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanikdenn was auf der Quantenebene wahr ist, muss nicht unbedingt auch auf der Ebene der Schwerkraft wahr sein. Und je größer und komplexer das System ist, desto mehr unterscheidet es sich von seinen Bestandteilen. „Der Punkt ist nicht, dass diese Regeln der Schwerkraft der Quantenmechanik widersprechen, sondern dass sie nicht aus der Quantenphysik abgeleitet werden können“, schreibt er.

Jede Wissenschaft basiert, ob absichtlich oder nicht, auf der Prämisse ihrer Existenz. objektive physikalische Gesetzedie einen miteinander kompatiblen Satz grundlegender physikalischer Postulate beinhalten, die das Verhalten des physikalischen Universums und alles darin beschreiben. Natürlich beinhaltet eine solche Theorie keine vollständige Erklärung oder Beschreibung von allem, was existiert, aber höchstwahrscheinlich beschreibt sie alle nachweisbaren physikalischen Prozesse erschöpfend. Logischerweise bestünde einer der unmittelbaren Vorteile eines solchen Verständnisses von TW darin, Experimente zu stoppen, bei denen die Theorie negative Ergebnisse vorhersagt.

Die meisten Physiker müssen mit der Forschung aufhören und von der Lehre statt von der Forschung leben. Der Öffentlichkeit ist es jedoch wahrscheinlich egal, ob die Schwerkraft mit der Krümmung der Raumzeit erklärt werden kann.

Natürlich gibt es noch eine andere Möglichkeit: Das Universum wird sich einfach nicht vereinen. Die Symmetrien, zu denen wir gelangt sind, sind lediglich unsere eigenen mathematischen Erfindungen und beschreiben nicht das physikalische Universum.

In einem vielbeachteten Artikel für Nautil.Us urteilte Sabina Hossenfelder (3), Wissenschaftlerin am Frankfurt Institute for Advanced Study, dass „die gesamte Idee einer Theorie von allem auf einer unwissenschaftlichen Annahme beruht.“ „Das ist nicht die beste Strategie zur Entwicklung wissenschaftlicher Theorien. (…) Das Vertrauen auf Schönheit bei der Entwicklung der Theorie hat in der Vergangenheit schlecht funktioniert.“ Ihrer Meinung nach gibt es keinen Grund, die Natur durch eine Theorie von allem zu beschreiben. Während wir eine Quantentheorie der Schwerkraft benötigen, um eine logische Inkonsistenz in den Naturgesetzen zu vermeiden, müssen die Kräfte im Standardmodell nicht vereinheitlicht werden und müssen nicht mit der Schwerkraft vereinheitlicht werden. Es wäre schön, ja, aber es ist unnötig. Das Standardmodell funktioniere auch ohne Vereinheitlichung, betont der Forscher. Der Natur sei es offensichtlich egal, was Physiker für schöne Mathematik halten, ärgert sich Frau Hossenfelder. In der Physik sind Durchbrüche in der theoretischen Entwicklung mit der Lösung mathematischer Inkonsistenzen verbunden und nicht mit schönen und „fertigen“ Modellen.

Trotz dieser nüchternen Ermahnungen werden immer wieder neue Vorschläge für eine Theorie von allem gemacht, wie zum Beispiel Garrett Lisis The Exceptionally Simple Theory of Everything aus dem Jahr 2007. Es hat die Besonderheit, dass Prof. Hossenfelder ist wunderschön und kann mit attraktiven Visualisierungen wunderbar dargestellt werden (4). Diese Theorie namens E8 besagt, dass der Schlüssel zum Verständnis des Universums darin liegt mathematisches Objekt in Form einer symmetrischen Rosette.

Lisi hat diese Struktur erstellt, indem sie Elementarteilchen in einem Diagramm aufgetragen hat, das auch bekannte physikalische Wechselwirkungen berücksichtigt. Das Ergebnis ist eine komplexe achtdimensionale mathematische Struktur aus 248 Punkten. Jeder dieser Punkte repräsentiert Partikel mit unterschiedlichen Eigenschaften. Im Diagramm gibt es eine Gruppe von Partikeln mit bestimmten Eigenschaften, die „fehlen“. Zumindest einige dieser „Fehlen“ haben theoretisch etwas mit der Schwerkraft zu tun und schließen die Lücke zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie.

4. Visualisierungstheorie E8

Die Physiker müssen also daran arbeiten, die „Fox-Buchse“ zu füllen. Was passiert, wenn es gelingt? Viele antworten sarkastisch, dass es nichts Besonderes sei. Nur ein hübsches Bild wäre fertig. Diese Konstruktion kann in diesem Sinne wertvoll sein, da sie uns zeigt, welche tatsächlichen Konsequenzen die Vervollständigung einer „Theorie von allem“ hätte. Im praktischen Sinne vielleicht unbedeutend.