Bagaimana jika... kita memecahkan masalah mendasar dalam fisika. Semuanya menunggu sebuah teori yang darinya tidak ada yang bisa datang

Apa yang akan memberi kita jawaban untuk misteri seperti materi gelap dan energi gelap, misteri awal Semesta, sifat gravitasi, keunggulan materi dibandingkan antimateri, arah waktu, penyatuan gravitasi dengan interaksi fisik lainnya , penyatuan besar kekuatan alam menjadi satu dasar, hingga yang disebut teori segalanya ?

Menurut Einstein dan banyak fisikawan modern terkemuka lainnya, tujuan fisika justru untuk menciptakan teori segalanya (TV). Namun, konsep teori semacam itu tidak ambigu. Dikenal sebagai teori segalanya, ToE adalah teori fisika hipotetis yang secara konsisten menjelaskan segalanya fenomena fisik dan memungkinkan Anda untuk memprediksi hasil eksperimen apa pun. Saat ini, frasa ini umum digunakan untuk menggambarkan teori yang mencoba menghubungkannya dengan teori relativitas umum. Sejauh ini, tak satu pun dari teori ini telah menerima konfirmasi eksperimental.

Saat ini, teori paling maju yang mengklaim sebagai TW didasarkan pada prinsip holografik. Teori-M 11-dimensi. Ini belum dikembangkan dan dianggap oleh banyak orang sebagai arah pengembangan daripada teori yang sebenarnya.

Banyak ilmuwan meragukan bahwa sesuatu seperti "teori segalanya" itu mungkin, dan dalam pengertian yang paling mendasar, berdasarkan logika. Teorema Kurt Godel mengatakan bahwa setiap sistem logis yang cukup kompleks tidak konsisten secara internal (seseorang dapat membuktikan sebuah kalimat dan kontradiksinya di dalamnya) atau tidak lengkap (ada kalimat yang benar-benar sepele yang tidak dapat dibuktikan). Stanley Jackie mengatakan pada tahun 1966 bahwa TW harus menjadi teori matematika yang kompleks dan koheren, sehingga pasti tidak akan lengkap.

Ada cara khusus, orisinal, dan emosional dari teori segalanya. hipotesis holografik (1), mentransfer tugas ke rencana yang sedikit berbeda. Fisika lubang hitam tampaknya menunjukkan bahwa alam semesta kita tidak seperti yang dikatakan indra kita. Realitas yang mengelilingi kita dapat berupa hologram, mis. proyeksi bidang dua dimensi. Ini juga berlaku untuk teorema Gödel itu sendiri. Tetapi apakah teori segalanya seperti itu memecahkan masalah apa pun, apakah itu memungkinkan kita untuk menghadapi tantangan peradaban?

Menggambarkan alam semesta. Tapi apa itu alam semesta?

Saat ini kami memiliki dua teori menyeluruh yang menjelaskan hampir semua fenomena fisik: teori gravitasi einstein (relativitas umum) i. Yang pertama menjelaskan dengan baik pergerakan objek makro, dari bola sepak hingga galaksi. dia sangat berpengetahuan tentang atom dan partikel subatom. Masalahnya adalah kedua teori ini menggambarkan dunia kita dengan cara yang sangat berbeda. Dalam mekanika kuantum, peristiwa terjadi dengan latar belakang tetap. ruang waktu – sementara w fleksibel. Seperti apa teori kuantum ruang-waktu melengkung? Kami tidak tahu.

Upaya pertama untuk menciptakan teori terpadu tentang segala sesuatu muncul tak lama setelah publikasi teori relativitas umumsebelum kita memahami hukum dasar yang mengatur gaya nuklir. Konsep-konsep ini, yang dikenal sebagai Teori Calusi-Klein, berusaha untuk menggabungkan gravitasi dengan elektromagnetisme.

Selama beberapa dekade, teori string, yang menyatakan materi terdiri dari senar bergetar kecil atau lingkaran energi, dianggap yang terbaik untuk membuat teori fisika terpadu. Namun, beberapa fisikawan lebih memilih kgravitasi loop tetap kabeldi mana luar angkasa itu sendiri terdiri dari lingkaran-lingkaran kecil. Namun, baik teori string maupun gravitasi kuantum loop tidak diuji secara eksperimental.

Teori penyatuan besar (GUT), menggabungkan kromodinamika kuantum dan teori interaksi elektrolemah, mewakili interaksi kuat, lemah dan elektromagnetik sebagai manifestasi dari satu interaksi terpadu. Namun, tidak ada teori terpadu besar sebelumnya yang menerima konfirmasi eksperimental. Ciri umum dari grand unified theory adalah prediksi peluruhan proton. Proses ini belum diamati. Dari sini dapat disimpulkan bahwa masa hidup proton harus setidaknya 1032 tahun.

Model Standar 1968 menyatukan gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik di bawah satu payung. Semua partikel dan interaksinya telah dipertimbangkan, dan banyak prediksi baru telah dibuat, termasuk satu prediksi penyatuan besar. Pada energi tinggi, pada urutan 100 GeV (energi yang dibutuhkan untuk mempercepat satu elektron hingga potensial 100 miliar volt), simetri yang menyatukan gaya elektromagnetik dan gaya lemah akan dipulihkan.

Keberadaan yang baru diprediksi, dan dengan penemuan boson W dan Z pada tahun 1983, prediksi ini dikonfirmasi. Empat kekuatan utama dikurangi menjadi tiga. Gagasan di balik penyatuan adalah bahwa ketiga gaya Model Standar, dan bahkan mungkin energi gravitasi yang lebih tinggi, digabungkan menjadi satu struktur.

2. Persamaan Langrange menggambarkan Model Standar, dibagi menjadi lima komponen.

Beberapa telah menyarankan bahwa pada energi yang lebih tinggi, mungkin sekitar skala Planck, gravitasi juga akan bergabung. Ini adalah salah satu motivasi utama teori string. Yang sangat menarik dari ide-ide ini adalah jika kita menginginkan penyatuan, kita harus mengembalikan simetri pada energi yang lebih tinggi. Dan jika mereka saat ini rusak, itu mengarah pada sesuatu yang dapat diamati, partikel baru dan interaksi baru.

Lagrangian dari Model Standar adalah satu-satunya persamaan yang menggambarkan partikel i pengaruh Model Standar (2). Ini terdiri dari lima bagian independen: tentang gluon di zona 1 dari persamaan, boson lemah di bagian yang ditandai dengan dua, ditandai dengan tiga, adalah deskripsi matematis tentang bagaimana materi berinteraksi dengan gaya lemah dan medan Higgs, partikel hantu yang mengurangi kelebihan medan Higgs di bagian keempat, dan roh-roh yang dijelaskan di bawah lima Fadeev-Popovyang mempengaruhi redundansi interaksi yang lemah. Massa neutrino tidak diperhitungkan.

Meskipun Model standar kita dapat menulisnya sebagai persamaan tunggal, itu bukan keseluruhan yang homogen dalam arti bahwa ada banyak ekspresi independen yang terpisah yang mengatur berbagai komponen alam semesta. Bagian terpisah dari Model Standar tidak berinteraksi satu sama lain, karena muatan warna tidak memengaruhi interaksi elektromagnetik dan lemah, dan pertanyaan tetap tidak terjawab mengapa interaksi yang seharusnya terjadi, misalnya, pelanggaran CP dalam interaksi kuat, tidak berfungsi. terjadi.

Ketika simetri dipulihkan (pada puncak potensi), penyatuan terjadi. Namun, pemutusan simetri di bagian paling bawah konsisten dengan alam semesta yang kita miliki saat ini, bersama dengan jenis partikel masif baru. Jadi seperti apa "dari segalanya" seharusnya teori ini? Yang itu, yaitu alam semesta asimetris yang nyata, atau satu dan simetris, tetapi pada akhirnya bukan yang sedang kita hadapi.

Keindahan menipu dari model "lengkap"

Lars English, dalam The No Theory of Everything, berpendapat bahwa tidak ada satu pun aturan yang dapat menggabungkan relativitas umum dengan mekanika kuantumkarena apa yang benar di tingkat kuantum belum tentu benar di tingkat gravitasi. Dan semakin besar dan kompleks sistem, semakin berbeda dari unsur-unsur penyusunnya. “Intinya bukanlah bahwa aturan gravitasi ini bertentangan dengan mekanika kuantum, tetapi bahwa mereka tidak dapat diturunkan dari fisika kuantum,” tulisnya.

Semua ilmu, sengaja atau tidak, didasarkan pada premis keberadaan mereka. hukum fisika objektifyang memerlukan seperangkat postulat fisik mendasar yang saling kompatibel yang menggambarkan perilaku alam semesta fisik dan segala sesuatu di dalamnya. Tentu saja, teori semacam itu tidak memerlukan penjelasan atau deskripsi lengkap tentang segala sesuatu yang ada, tetapi, kemungkinan besar, teori itu menjelaskan secara mendalam semua proses fisik yang dapat diverifikasi. Logikanya, salah satu manfaat langsung dari pemahaman TW semacam itu adalah menghentikan eksperimen di mana teori memprediksi hasil negatif.

Kebanyakan fisikawan harus berhenti meneliti dan mencari nafkah dengan mengajar, bukan meneliti. Namun, publik mungkin tidak peduli apakah gaya gravitasi dapat dijelaskan dalam bentuk kelengkungan ruang-waktu.

Tentu saja, ada kemungkinan lain - Semesta tidak akan bersatu. Kesimetrian yang telah kita capai hanyalah penemuan matematika kita sendiri dan tidak menggambarkan alam semesta fisik.

Dalam sebuah artikel terkenal untuk Nautil.Us, Sabine Hossenfelder (3), seorang ilmuwan di Institut Frankfurt untuk Studi Lanjutan, menilai bahwa "seluruh gagasan tentang teori segala sesuatu didasarkan pada asumsi yang tidak ilmiah." “Ini bukan strategi terbaik untuk mengembangkan teori ilmiah. (...) Ketergantungan pada keindahan dalam pengembangan teori secara historis tidak berhasil.” Menurutnya, tidak ada alasan bagi alam untuk dideskripsikan dengan teori segalanya. Sementara kita membutuhkan teori gravitasi kuantum untuk menghindari inkonsistensi logis dalam hukum alam, gaya-gaya dalam Model Standar tidak perlu disatukan dan tidak perlu disatukan dengan gravitasi. Akan menyenangkan, ya, tapi itu tidak perlu. Model standar bekerja dengan baik tanpa penyatuan, peneliti menekankan. Alam jelas tidak peduli apa yang fisikawan anggap sebagai matematika yang indah, kata Ms. Hossenfelder dengan marah. Dalam fisika, terobosan dalam pengembangan teoretis dikaitkan dengan solusi ketidakkonsistenan matematika, dan bukan dengan model yang indah dan "selesai".

Terlepas dari peringatan yang bijaksana ini, proposal baru untuk teori segalanya terus diajukan, seperti The Exceptionally Simple Theory of Everything karya Garrett Lisi, yang diterbitkan pada 2007. Ini memiliki fitur yang Prof. Hossenfelder cantik dan dapat ditampilkan dengan indah dengan visualisasi yang menarik (4). Teori ini, yang disebut E8, mengklaim bahwa kunci untuk memahami alam semesta adalah objek matematika dalam bentuk roset simetris.

Lisi menciptakan struktur ini dengan memplot partikel elementer pada grafik yang juga memperhitungkan interaksi fisik yang diketahui. Hasilnya adalah struktur matematika delapan dimensi yang kompleks dengan 248 poin. Masing-masing titik ini mewakili partikel dengan sifat yang berbeda. Ada sekelompok partikel dalam diagram dengan sifat-sifat tertentu yang "hilang". Setidaknya beberapa dari "yang hilang" ini secara teoritis ada hubungannya dengan gravitasi, menjembatani kesenjangan antara mekanika kuantum dan relativitas umum.

4. Teori visualisasi E8

Jadi fisikawan harus bekerja untuk mengisi "soket Fox". Jika berhasil, apa yang akan terjadi? Banyak yang dengan sinis menjawab bahwa tidak ada yang istimewa. Hanya gambar cantik yang akan selesai. Konstruksi ini bisa berharga dalam pengertian ini, karena ini menunjukkan kepada kita apa konsekuensi nyata dari menyelesaikan "teori segalanya" nantinya. Mungkin tidak signifikan dalam arti praktis.