ماذا لو ... قمنا بحل مشاكل أساسية في الفيزياء. كل شيء ينتظر نظرية لا يمكن أن يأتي منها شيء
ما الذي سيعطينا الإجابة على هذه الألغاز مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، ولغز بداية الكون ، وطبيعة الجاذبية ، وميزة المادة على المادة المضادة ، واتجاه الوقت ، وتوحيد الجاذبية مع التفاعلات الفيزيائية الأخرى ، التوحيد العظيم لقوى الطبيعة في أساس واحد ، وصولاً إلى ما يسمى بنظرية كل شيء؟
بحسب أينشتاين والعديد من الفيزيائيين المعاصرين البارزين ، فإن هدف الفيزياء هو على وجه التحديد إنشاء نظرية لكل شيء (تلفزيون). ومع ذلك ، فإن مفهوم مثل هذه النظرية ليس غامضًا. تُعرف نظرية ToE بنظرية كل شيء ، وهي نظرية فيزيائية افتراضية تصف كل شيء باستمرار الظواهر الفيزيائية ويسمح لك بالتنبؤ بنتيجة أي تجربة. في الوقت الحاضر ، تُستخدم هذه العبارة بشكل شائع لوصف النظريات التي تحاول إجراء اتصال مع النظرية النسبية العامة. حتى الآن ، لم تتلق أي من هذه النظريات تأكيدًا تجريبيًا.
في الوقت الحاضر ، تستند النظرية الأكثر تقدمًا التي تدعي أنها TW على مبدأ الهولوغرام. 11-الأبعاد M- نظرية. لم يتم تطويره بعد ويعتبره الكثيرون اتجاهًا للتنمية وليس نظرية فعلية.
يشك العديد من العلماء في أن شيئًا مثل "نظرية كل شيء" ممكن ، وبمعنى أساسي ، يعتمد على المنطق. نظرية كورت جودل يقول أن أي نظام منطقي معقد بما فيه الكفاية إما غير متسق داخليًا (يمكن للمرء إثبات جملة وتناقضها فيها) أو غير مكتمل (هناك جمل صحيحة تافهة لا يمكن إثباتها). لاحظ ستانلي جاكي في عام 1966 أن TW يجب أن تكون نظرية رياضية معقدة ومتماسكة ، لذا فهي حتماً ستكون غير مكتملة.
هناك طريقة خاصة وأصلية وعاطفية لنظرية كل شيء. فرضية التصوير المجسم (1) نقل المهمة إلى خطة مختلفة قليلاً. يبدو أن فيزياء الثقوب السوداء تشير إلى أن كوننا ليس ما تخبرنا به حواسنا. يمكن أن تكون الحقيقة التي تحيط بنا صورة ثلاثية الأبعاد ، أي إسقاط مستوي ثنائي الأبعاد. هذا ينطبق أيضًا على نظرية جوديل نفسها. لكن هل مثل هذه النظرية في كل شيء تحل أي مشاكل ، هل تسمح لنا بمواجهة تحديات الحضارة؟
صِف الكون. لكن ما هو الكون؟
لدينا حاليًا نظريتان شاملتان تشرحان جميع الظواهر الفيزيائية تقريبًا: نظرية الجاذبية لأينشتاين (النسبية العامة) ط. الأول يشرح جيدًا حركة الأجسام الكبيرة ، من كرات كرة القدم إلى المجرات. إنه على دراية جيدة بالذرات والجسيمات دون الذرية. المشكلة هي تصف هاتان النظريتان عالمنا بطرق مختلفة تمامًا. في ميكانيكا الكم ، تقع الأحداث على خلفية ثابتة. الزمكان - بينما w مرن. كيف ستبدو نظرية الكم في الزمكان المنحني؟ نحن لا نعلم.
ظهرت المحاولات الأولى لإنشاء نظرية موحدة لكل شيء بعد وقت قصير من النشر النظرية النسبية العامةقبل أن نفهم القوانين الأساسية التي تحكم القوات النووية. هذه المفاهيم ، والمعروفة باسم نظرية كالوزي كلاين، سعى إلى الجمع بين الجاذبية والكهرومغناطيسية.
لعقود من الزمان ، كانت نظرية الأوتار ، والتي تمثل المادة على أنها مكونة من سلاسل تهتز صغيرة أو حلقة الطاقة، يعتبر الأفضل للإنشاء النظرية الموحدة للفيزياء. ومع ذلك ، فإن بعض علماء الفيزياء يفضلون kالجاذبية حلقة الكابلحيث يتكون الفضاء الخارجي نفسه من حلقات صغيرة. ومع ذلك ، لم يتم التحقق تجريبيًا من نظرية الأوتار ولا الجاذبية الكمية الحلقية.
تمثل النظريات الموحدة الكبرى (GUTs) ، التي تجمع بين الديناميكا اللونية الكمومية ونظرية التفاعلات الكهروضعيفة ، التفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية كمظهر من مظاهر تفاعل واحد. ومع ذلك ، لم تتلق أي من النظريات الموحدة الكبرى السابقة تأكيدًا تجريبيًا. السمة المشتركة للنظرية الموحدة الكبرى هي التنبؤ بتفكك البروتون. هذه العملية لم يتم ملاحظتها بعد. ويترتب على ذلك أن عمر البروتون يجب ألا يقل عن 1032 عامًا.
وحد النموذج القياسي لعام 1968 القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية تحت مظلة واحدة شاملة. تم النظر في جميع الجسيمات وتفاعلاتها ، وتم عمل العديد من التنبؤات الجديدة ، بما في ذلك تنبؤ واحد كبير بالتوحيد. عند الطاقات العالية ، بترتيب 100 GeV (الطاقة المطلوبة لتسريع إلكترون واحد إلى جهد 100 مليار فولت) ، سيتم استعادة التناظر الذي يوحد القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة.
تم توقع وجود بوزونات جديدة ، ومع اكتشاف بوزونات W و Z في عام 1983 ، تم تأكيد هذه التنبؤات. تم تخفيض القوى الأربع الرئيسية إلى ثلاث. الفكرة وراء التوحيد هي أن جميع القوى الثلاث للنموذج القياسي ، وربما حتى طاقة الجاذبية الأعلى ، يتم دمجها في هيكل واحد.
2. معادلة لانجرانج التي تصف النموذج القياسي ، مقسمة إلى خمسة مكونات.
اقترح البعض أنه في طاقات أعلى ، ربما حولها مقياس بلانك، سوف تتحد الجاذبية أيضًا. هذا هو أحد الدوافع الرئيسية لنظرية الأوتار. الأمر المثير للاهتمام في هذه الأفكار هو أننا إذا أردنا التوحيد ، فعلينا استعادة التناظر عند الطاقات الأعلى. وإذا تم كسرها حاليًا ، فهذا يؤدي إلى شيء يمكن ملاحظته وجزيئات جديدة وتفاعلات جديدة.
لاغرانج في النموذج القياسي هي المعادلة الوحيدة التي تصف الجسيمات i تأثير النموذج القياسي (2). يتكون من خمسة أجزاء مستقلة: حول الغلوونات في المنطقة 1 من المعادلة ، والبوزونات الضعيفة في الجزء المميز بجزئين ، والمميز بثلاثة ، هو وصف رياضي لكيفية تفاعل المادة مع القوة الضعيفة ومجال هيغز ، وجسيمات الأشباح التي تطرح فائض مجال هيغز في أجزاء من الرابع ، والأرواح الموصوفة تحت خمسة فاديف بوبوفمما يؤثر على تكرار التفاعل الضعيف. كتل النيوترينو لا تؤخذ في الاعتبار.
رغم أن النموذج القياسي يمكننا كتابتها كمعادلة واحدة ، فهي ليست كلاً متجانسًا حقًا بمعنى أن هناك العديد من التعبيرات المنفصلة والمستقلة التي تحكم المكونات المختلفة للكون. لا تتفاعل الأجزاء المنفصلة من النموذج القياسي مع بعضها البعض ، لأن شحنة اللون لا تؤثر على التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة ، وتبقى الأسئلة دون إجابة لماذا التفاعلات التي يجب أن تحدث ، على سبيل المثال ، انتهاك CP في التفاعلات القوية ، لا تعمل. تجري.
عندما يتم استعادة التماثلات (في ذروة الإمكانات) ، يحدث التوحيد. ومع ذلك ، فإن كسر التناظر في القاع يتوافق مع الكون الذي لدينا اليوم ، جنبًا إلى جنب مع أنواع جديدة من الجسيمات الضخمة. إذن ما "من كل شيء" يجب أن تكون هذه النظرية؟ الذي هو أي. كون حقيقي غير متماثل ، أو كون متماثل ، ولكن في النهاية ليس ذلك الذي نتعامل معه.
الجمال المخادع للنماذج "الكاملة"
يجادل لارس إنجليش ، في كتابه The No Theory of Everything ، بأنه لا توجد مجموعة واحدة من القواعد التي يمكن أن تفعل ذلك الجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكملأن ما هو صحيح على المستوى الكمومي ليس بالضرورة صحيحًا على مستوى الجاذبية. وكلما كان النظام أكبر وأكثر تعقيدًا ، زاد اختلافه عن العناصر المكونة له. كتب: "النقطة ليست أن قواعد الجاذبية هذه تتعارض مع ميكانيكا الكم ، ولكن لا يمكن اشتقاقها من فيزياء الكم".
كل العلم ، بقصد أو بغير قصد ، يقوم على أساس وجودهم. قوانين فيزيائية موضوعيةالتي تستلزم مجموعة متوافقة بشكل متبادل من الافتراضات الفيزيائية الأساسية التي تصف سلوك الكون المادي وكل شيء فيه. بالطبع ، لا تستلزم مثل هذه النظرية شرحًا كاملاً أو وصفًا لكل شيء موجود ، ولكنها على الأرجح تصف بشكل شامل جميع العمليات الفيزيائية التي يمكن التحقق منها. منطقياً ، تتمثل إحدى الفوائد المباشرة لفهم كهذا في إيقاف التجارب التي تتنبأ فيها النظرية بنتائج سلبية.
سيتعين على معظم الفيزيائيين التوقف عن البحث وكسب العيش في التدريس ، وليس البحث. ومع ذلك ، ربما لا يهتم الجمهور بما إذا كانت قوة الجاذبية يمكن تفسيرها من حيث انحناء الزمكان.
بالطبع ، هناك احتمال آخر - الكون ببساطة لن يتحد. التماثلات التي توصلنا إليها هي ببساطة اختراعاتنا الرياضية ولا تصف الكون المادي.
في مقال رفيع المستوى لـ Nautil.Us ، قيمت سابينا هوسينفيلدر (3) ، العالمة في معهد فرانكفورت للدراسات المتقدمة ، أن "الفكرة الكاملة لنظرية كل شيء تستند إلى افتراض غير علمي." "هذه ليست أفضل استراتيجية لتطوير النظريات العلمية. (...) كان الاعتماد على الجمال في تطوير النظرية تاريخيًا سيئًا. " في رأيها ، لا يوجد سبب لوصف الطبيعة بنظرية كل شيء. بينما نحتاج إلى نظرية كمية للجاذبية لتجنب التناقض المنطقي في قوانين الطبيعة ، فإن القوى في النموذج القياسي لا تحتاج إلى أن تكون موحدة ولا تحتاج إلى التوحيد مع الجاذبية. سيكون لطيفًا ، نعم ، لكنه غير ضروري. يؤكد الباحث أن النموذج القياسي يعمل بشكل جيد دون توحيد. من الواضح أن الطبيعة لا تهتم بما يعتقده الفيزيائيون أنها رياضيات جميلة ، كما تقول السيدة Hossenfelder بغضب. في الفيزياء ، ترتبط الاختراقات في التطور النظري بحل التناقضات الرياضية ، وليس بالنماذج الجميلة و "النهائية".
على الرغم من هذه التحذيرات الرصينة ، يتم باستمرار طرح مقترحات جديدة لنظرية كل شيء ، مثل نظرية غاريت ليزي البسيطة الاستثنائية لكل شيء ، التي نُشرت في عام 2007. لديها ميزة أن أ. Hossenfelder جميلة ويمكن عرضها بشكل جميل مع تصورات جذابة (4). تدعي هذه النظرية ، المسماة E8 ، أن مفتاح فهم الكون هو كائن رياضي على شكل وردة متناظرة.
أنشأ ليزي هذا الهيكل من خلال رسم الجسيمات الأولية على رسم بياني يأخذ في الاعتبار أيضًا التفاعلات الفيزيائية المعروفة. والنتيجة هي بنية رياضية معقدة ثمانية الأبعاد من 248 نقطة. كل نقطة من هذه النقاط تمثل جسيمات ذات خصائص مختلفة. توجد مجموعة من الجسيمات في الرسم التخطيطي لها خصائص معينة "مفقودة". على الأقل بعضًا من هؤلاء "المفقودين" نظريًا له علاقة بالجاذبية ، وسد الفجوة بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة.
4. نظرية التصور E8
لذلك يتعين على الفيزيائيين العمل لملء "فجوة فوكس". إذا نجحت ، ماذا سيحدث؟ يجيب الكثير بسخرية أنه لا يوجد شيء مميز. مجرد صورة جميلة ستنتهي. يمكن أن يكون هذا البناء ذا قيمة بهذا المعنى ، لأنه يوضح لنا النتائج الحقيقية لإكمال "نظرية كل شيء". ربما تافهة من الناحية العملية.
