Điều gì sẽ xảy ra nếu ... chúng ta giải quyết các vấn đề cơ bản trong vật lý. Mọi thứ đang chờ đợi một lý thuyết mà từ đó không có gì có thể xảy ra

Điều gì sẽ cho chúng ta câu trả lời cho những bí ẩn như vật chất tối và năng lượng tối, bí ẩn về sự khởi đầu của Vũ trụ, bản chất của lực hấp dẫn, lợi thế của vật chất so với phản vật chất, hướng của thời gian, sự hợp nhất của lực hấp dẫn với các tương tác vật lý khác , sự hợp nhất vĩ đại của các lực lượng của tự nhiên thành một cơ bản, cho đến cái gọi là lý thuyết của tất cả mọi thứ?

Theo Einstein và nhiều nhà vật lý hiện đại xuất sắc khác, mục tiêu của vật lý chính xác là tạo ra một lý thuyết về mọi thứ (TV). Tuy nhiên, khái niệm về một lý thuyết như vậy không phải là rõ ràng. Được biết đến như là lý thuyết của mọi thứ, ToE là một lý thuyết vật lý giả định mô tả nhất quán mọi thứ hiện tượng vật lý và cho phép bạn dự đoán kết quả của bất kỳ thử nghiệm nào. Ngày nay, cụm từ này thường được sử dụng để mô tả các lý thuyết cố gắng tạo ra mối liên hệ với thuyết tương đối rộng. Cho đến nay, không có giả thuyết nào trong số những lý thuyết này nhận được sự xác nhận thực nghiệm.

Hiện tại, lý thuyết tiên tiến nhất tự xưng là TW dựa trên nguyên lý ảnh ba chiều. Lý thuyết M 11 chiều. Nó vẫn chưa được phát triển và được nhiều người coi là một hướng phát triển hơn là một lý thuyết thực tế.

Nhiều nhà khoa học nghi ngờ rằng một cái gì đó giống như một "lý thuyết về mọi thứ" thậm chí có thể, và theo nghĩa cơ bản nhất, dựa trên logic. Định lý Kurt Gödel nói rằng bất kỳ hệ thống logic nào đủ phức tạp đều không nhất quán bên trong (người ta có thể chứng minh một câu và mâu thuẫn của nó trong đó) hoặc không đầy đủ (có những câu đúng tầm thường không thể chứng minh được). Stanley Jackie đã nhận xét vào năm 1966 rằng TW phải là một lý thuyết toán học phức tạp và mạch lạc, vì vậy chắc chắn nó sẽ không đầy đủ.

Có một cách đặc biệt, nguyên bản và đầy cảm xúc của lý thuyết về mọi thứ. giả thuyết ba chiều (1), chuyển nhiệm vụ sang một kế hoạch hơi khác. Vật lý của các lỗ đen dường như chỉ ra rằng vũ trụ của chúng ta không giống như những gì các giác quan của chúng ta nói với chúng ta. Thực tế bao quanh chúng ta có thể là một hình ba chiều, tức là hình chiếu của một mặt phẳng hai chiều. Điều này cũng áp dụng cho chính định lý Gödel. Nhưng liệu một lý thuyết về mọi thứ như vậy có giải quyết được bất kỳ vấn đề nào không, liệu nó có cho phép chúng ta đương đầu với những thách thức của nền văn minh?

Mô tả vũ trụ. Nhưng vũ trụ là gì?

Chúng ta hiện có hai lý thuyết tổng quát giải thích hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý: Thuyết hấp dẫn của Einstein (thuyết tương đối rộng) i. Điều đầu tiên giải thích rõ chuyển động của các vật thể vĩ mô, từ quả bóng đá đến thiên hà. ông rất hiểu biết về nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Vấn đề là ở đó hai lý thuyết này mô tả thế giới của chúng ta theo những cách hoàn toàn khác nhau. Trong cơ học lượng tử, các sự kiện diễn ra trên một nền cố định. không-thời gian – trong khi w linh hoạt. Thuyết lượng tử của không-thời gian cong sẽ như thế nào? Chúng tôi không biết.

Những nỗ lực đầu tiên để tạo ra một lý thuyết thống nhất về mọi thứ đã xuất hiện ngay sau khi xuất bản thuyết tương đối rộngtrước khi chúng ta hiểu các định luật cơ bản chi phối các lực hạt nhân. Những khái niệm này, được gọi là Lý thuyết Calusi-Klein, đã tìm cách kết hợp lực hấp dẫn với điện từ học.

Trong nhiều thập kỷ, lý thuyết dây, đại diện cho vật chất được tạo thành từ dây rung nhỏ hoặc vòng lặp năng lượng, được coi là tốt nhất để tạo lý thuyết thống nhất của vật lý. Tuy nhiên, một số nhà vật lý thích ktrọng lực vòng dây văngtrong đó không gian bên ngoài chính nó được tạo thành từ các vòng nhỏ. Tuy nhiên, cả lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng đều không được kiểm tra bằng thực nghiệm.

Các lý thuyết thống nhất lớn (GUT), kết hợp sắc động lực học lượng tử và lý thuyết tương tác điện yếu, biểu thị các tương tác mạnh, yếu và điện từ là biểu hiện của một tương tác đơn lẻ. Tuy nhiên, không có lý thuyết thống nhất nào trước đây nhận được sự xác nhận thực nghiệm. Đặc điểm chung của lý thuyết thống nhất lớn là dự đoán về sự phân rã của proton. Quá trình này vẫn chưa được quan sát. Từ đó suy ra rằng vòng đời của một proton ít nhất phải là 1032 năm.

Mô hình tiêu chuẩn năm 1968 thống nhất các lực mạnh, yếu và điện từ dưới một ô bao trùm. Tất cả các hạt và tương tác của chúng đã được xem xét, và nhiều dự đoán mới đã được đưa ra, bao gồm cả một dự đoán về sự thống nhất lớn. Ở năng lượng cao, theo bậc 100 GeV (năng lượng cần thiết để tăng tốc một electron độc thân đến thế năng 100 tỷ vôn), sự đối xứng thống nhất giữa lực điện từ và lực yếu sẽ được khôi phục.

Sự tồn tại của những cái mới đã được dự đoán, và với việc phát hiện ra boson W và Z vào năm 1983, những tiên đoán này đã được xác nhận. Bốn lực lượng chính bị giảm xuống còn ba. Ý tưởng đằng sau sự thống nhất là cả ba lực của Mô hình Chuẩn, và có lẽ cả năng lượng cao hơn của trọng lực, được kết hợp thành một cấu trúc.

2. Phương trình Langrange mô tả Mô hình Chuẩn, được chia thành năm thành phần.

Một số người đã gợi ý rằng ở mức năng lượng thậm chí cao hơn, có lẽ khoảng Quy mô Planck, trọng lực cũng sẽ kết hợp. Đây là một trong những động lực chính của lý thuyết dây. Điều rất thú vị về những ý tưởng này là nếu chúng ta muốn thống nhất, chúng ta phải khôi phục tính đối xứng ở năng lượng cao hơn. Và nếu chúng hiện đang bị phá vỡ, nó sẽ dẫn đến một thứ gì đó có thể quan sát được, các hạt mới và các tương tác mới.

Lagrangian của Mô hình Chuẩn là phương trình duy nhất mô tả các hạt i ảnh hưởng của Mô hình Chuẩn (2). Nó bao gồm năm phần độc lập: về gluon trong vùng 1 của phương trình, boson yếu trong phần được đánh dấu bằng hai, được đánh dấu bằng ba, là một mô tả toán học về cách vật chất tương tác với lực yếu và trường Higgs, các hạt ma trừ sự dư thừa của trường Higgs trong các phần của phần tư, và các linh hồn được mô tả dưới năm Fadeev-Popovmà ảnh hưởng đến dư thừa của tương tác yếu. Khối lượng neutrino không được tính đến.

Mặc dù Mẫu tiêu chuẩn chúng ta có thể viết nó như một phương trình duy nhất, nó không thực sự là một tổng thể đồng nhất theo nghĩa là có nhiều biểu thức riêng biệt, độc lập chi phối các thành phần khác nhau của vũ trụ. Các phần riêng biệt của Mô hình chuẩn không tương tác với nhau, bởi vì điện tích màu không ảnh hưởng đến tương tác điện từ và tương tác yếu, và các câu hỏi vẫn chưa được trả lời tại sao các tương tác xảy ra, ví dụ, vi phạm CP trong các tương tác mạnh, không hoạt động. diễn ra.

Khi sự đối xứng được khôi phục (ở đỉnh của thế năng), sự hợp nhất xảy ra. Tuy nhiên, sự phá vỡ đối xứng ở đáy là phù hợp với vũ trụ mà chúng ta có ngày nay, cùng với các loại hạt khối lượng lớn mới. Vậy lý thuyết này nên là gì? Cái đó là, tức là một vũ trụ bất đối xứng thực sự, hoặc một và đối xứng, nhưng cuối cùng không phải là vũ trụ mà chúng ta đang đối phó.

Vẻ đẹp lừa dối của những người mẫu "hoàn chỉnh"

Lars English, trong The No Theory of Everything, lập luận rằng không có một bộ quy tắc nào có thể kết hợp thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tửbởi vì những gì đúng ở cấp độ lượng tử không nhất thiết phải đúng ở cấp độ hấp dẫn. Và hệ thống càng lớn và càng phức tạp thì nó càng khác biệt với các yếu tố cấu thành của nó. Ông viết: “Vấn đề không phải là những quy tắc hấp dẫn này mâu thuẫn với cơ học lượng tử, mà là chúng không thể bắt nguồn từ vật lý lượng tử.

Tất cả các khoa học, dù cố ý hay không, đều dựa trên tiền đề về sự tồn tại của chúng. quy luật vật lý khách quantrong đó đòi hỏi một tập hợp các định đề vật lý cơ bản tương thích lẫn nhau mô tả hành vi của vũ trụ vật chất và mọi thứ trong đó. Tất nhiên, một lý thuyết như vậy không đòi hỏi một lời giải thích hoặc mô tả đầy đủ về mọi thứ tồn tại, nhưng, rất có thể, nó mô tả đầy đủ tất cả các quá trình vật lý có thể kiểm chứng được. Về mặt logic, một trong những lợi ích tức thời của sự hiểu biết như vậy về TW sẽ là dừng các thí nghiệm trong đó lý thuyết dự đoán kết quả tiêu cực.

Hầu hết các nhà vật lý sẽ phải ngừng nghiên cứu và kiếm sống bằng công việc giảng dạy chứ không phải nghiên cứu. Tuy nhiên, có lẽ công chúng không quan tâm liệu lực hấp dẫn có thể được giải thích theo độ cong của không thời gian hay không.

Tất nhiên, có một khả năng khác - Vũ trụ đơn giản là sẽ không hợp nhất. Các phép đối xứng mà chúng ta đạt được chỉ đơn giản là phát minh toán học của chúng ta và không mô tả vũ trụ vật lý.

Trong một bài báo nổi tiếng cho Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), một nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Frankfurt, đã đánh giá rằng "toàn bộ ý tưởng về một lý thuyết về mọi thứ đều dựa trên một giả định phi khoa học." “Đây không phải là chiến lược tốt nhất để phát triển các lý thuyết khoa học. (…) Sự phụ thuộc vào vẻ đẹp trong sự phát triển của lý thuyết về mặt lịch sử đã hoạt động kém hiệu quả. ” Theo ý kiến ​​của bà, không có lý do gì để thiên nhiên được mô tả bằng một lý thuyết về mọi thứ. Trong khi chúng ta cần một lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn để tránh sự mâu thuẫn logic trong các quy luật tự nhiên, các lực trong Mô hình Chuẩn không cần phải thống nhất và không cần phải thống nhất với lực hấp dẫn. Nó sẽ tốt, có, nhưng nó không cần thiết. Nhà nghiên cứu nhấn mạnh: Mô hình tiêu chuẩn hoạt động tốt mà không cần sự thống nhất. Bà Hossenfelder giận dữ nói: “Thiên nhiên không quan tâm đến điều mà các nhà vật lý nghĩ là toán học đẹp đẽ. Trong vật lý, những đột phá trong phát triển lý thuyết gắn liền với lời giải của những mâu thuẫn toán học, chứ không phải với những mô hình đẹp đẽ và "hoàn thiện".

Bất chấp những lời khuyến cáo tỉnh táo này, các đề xuất mới cho một lý thuyết về mọi thứ liên tục được đưa ra, chẳng hạn như Lý thuyết về mọi thứ đơn giản đặc biệt của Garrett Lisi, xuất bản năm 2007. Nó có tính năng mà GS. Hossenfelder đẹp và có thể được thể hiện một cách đẹp đẽ với những hình dung hấp dẫn (4). Lý thuyết này, được gọi là E8, tuyên bố rằng chìa khóa để hiểu vũ trụ là đối tượng toán học dưới dạng một hình hoa thị đối xứng.

Lisi đã tạo ra cấu trúc này bằng cách vẽ các hạt cơ bản trên một biểu đồ cũng có tính đến các tương tác vật lý đã biết. Kết quả là một cấu trúc toán học tám chiều phức tạp gồm 248 điểm. Mỗi điểm này đại diện cho các hạt với các tính chất khác nhau. Có một nhóm các hạt trong sơ đồ với các đặc tính nhất định bị "mất tích". Ít nhất một số "mất tích" này về mặt lý thuyết có liên quan đến lực hấp dẫn, thu hẹp khoảng cách giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.

4. Lý thuyết hình dung E8

Vì vậy, các nhà vật lý phải làm việc để lấp đầy "ổ cắm con cáo". Nếu nó thành công, điều gì sẽ xảy ra? Nhiều người mỉa mai trả lời rằng không có gì đặc biệt. Chỉ cần một bức tranh đẹp sẽ được hoàn thành. Việc xây dựng này có thể có giá trị theo nghĩa này, vì nó cho chúng ta thấy hậu quả thực sự của việc hoàn thành một "lý thuyết về mọi thứ" sẽ như thế nào. Có lẽ không đáng kể theo nghĩa thực tế.