Квантовая физика квантовая механика теория всего: Что такое Теория всего? Максимально доступно - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Теория всего | это… Что такое Теория всего?

Тео́рия всего́ (англ. Theory of everything, TOE) — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий^[1]. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе. В научной литературе вместо термина «теория всего» используется термин «единая теория поля», тем не менее следует иметь в виду, что теория всего может быть построена и без использования полей, несмотря на то, что научный статус таких теорий может быть спорным.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов.

Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения. Квантовая механика в основном используется для описания микромира, а общая теория относительности применима к макромиру. СТО (Специальная теория относительности) описывает явления при больших скоростях, а ОТО является обобщением ньютоновской теории гравитации, объединяющей её со СТО и распространяющей на случай больших расстояний и больших масс. Непосредственное совмещение квантовой механики и специальной теории относительности в едином формализме (квантовой релятивистской теории поля) приводит к проблеме расходимости — отсутствия конечных результатов для экспериментально проверяемых величин. Для решения этой проблемы используется идея перенормировки величин. Для некоторых моделей механизм перенормировок позволяет построить очень хорошо работающие теории, но добавление гравитации (то есть включение в теорию ОТО как предельного случая для малых полей и больших расстояний) приводит к расходимостям, которые убрать пока не удаётся.

Хотя из этого вовсе не следует, что такая теория не может быть построена.

Содержание

1 Основные положения
2 См. также
3 Примечания

4 Литература
5 Ссылки

Основные положения

После построения в конце XIX века электродинамики, объединившей на основе уравнений Максвелла в единой теоретической схеме явления электричества, магнетизма и оптики, в физике возникла идея объяснения на основе электромагнетизма всех известных физических явлений. Однако создание общей теории относительности привело физиков к мысли, что для описания на единой основе всех явлений необходимо объединение теорий электромагнетизма и гравитации.

Первые варианты единых теорий поля были созданы Давидом Гильбертом и Германом Вейлем. В дальнейшем большое внимание «теории всего» уделил Альберт Эйнштейн. Он посвятил попыткам её создания большую часть своей жизни. Гильберт, Вейль и, в дальнейшем, Эйнштейн полагали, что достаточно объединить общую теорию относительности и электромагнетизм, к тому же вначале не имелось в виду, что они должны быть квантовыми, так как сама квантовая механика ещё не была достаточно развитой.

В значительной мере, если не полностью, минимальная программа — объединение ОТО и электродинамики была решена в рамках теории Калуцы — Клейна (возможно, и ещё некоторых теорий), но почти уже ко времени её создания стало актуальным включение в теорию других полей и предсказание существования многих частиц, что было не совсем тривиальным, а в дальнейшем прояснились и новые трудности, а квантовый вариант теории Калуцы-Клейна хоть и был мыслим, однако квантование наталкивалось на трудности конкретной разработки, как и квантование само́й общей теории относительности отдельно.

Современная физика требует от «теории всего» объединения четырёх известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий:

гравитационное взаимодействие,
электромагнитное взаимодействие,
сильное ядерное взаимодействие,
слабое ядерное взаимодействие.

Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц. Первым шагом на пути к этому стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1967 году Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом.

В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия. После чего появилось несколько вариантов теорий Великого объединения (наиболее известная из них — теория Пати — Салама, 1974 год), в рамках которых удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Правда, ни одна из теорий Великого объединения пока не нашла подтверждения, а некоторые уже опровергнуты экспериментально на основе данных по отсутствию распада протона. Недостающим звеном в «теории всего» остается подтверждение какой-либо из теорий Великого объединения и построение квантовой теории гравитации на основе квантовой механики и общей теории относительности.

В настоящее время основными кандидатами в качестве «теории всего» являются теория струн, петлевая теория и теория Калуцы — Клейна. О последней подробней. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временно́е. Толчком к этому стала теория Калуцы — Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла.

Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих большими размерностями. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятый ответ состоит в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

В конце 2007 года Гаррет Лиси предложил «Исключительно простую теорию всего», основанную на свойствах алгебр Ли. Несмотря на обнаруженные недостатки теории Лиси, она может открыть новое направление работ в области единых теорий поля.

В конце 1990-х стало ясно, что общей проблемой предлагаемых вариантов «теории всего» является то, что они нестрого определяют характеристики наблюдаемой Вселенной. Так, многие теории квантовой гравитации допускают существование вселенных с произвольным числом измерений или произвольным значением космологической постоянной. Некоторые физики придерживаются мнения, что на самом деле существует множество вселенных, но лишь небольшое их количество обитаемы, а значит, фундаментальные константы вселенной определяются антропным принципом. Макс Тегмарк довёл этот принцип до логического завершения, постулирующего, что «все математически непротиворечивые структуры существуют физически». Это означает, что достаточно сложные математические структуры могут содержать «самоосознающую структуру», которая будет субъективно воспринимать себя «живущей в реальном мире».

В научном сообществе физиков продолжаются дебаты по поводу того, следует ли считать «теорию всего» фундаментальным законом Вселенной. Одна точка зрения, строго редукционистская, состоит в том, что «теория всего» — это фундаментальный закон Вселенной и что все остальные теории, описывающие Вселенную, являются её следствиями или предельными случаями. Другая точка зрения опирается на законы, названные Нобелевским лауреатом по физике Стивеном Вайнбергом законами «свободного плавания», которые определяют поведение сложных систем. Критика последней точки зрения обращает внимание на то, что в такой формулировке «теория всего» нарушает принцип бритвы Оккама.

Среди других факторов, уменьшающих объяснительно-предсказательную ценность «теории всего», её чувствительность к наличию у Вселенной граничных условий и существование математического хаоса среди её решений, что делает её предсказания точными, но бесполезными.

См. также

Исключительно простая теория всего
Квантовая гравитация
Квантовая теория поля
М-теория

Петлевая квантовая гравитация
Причинная динамическая триангуляция
Стандартная модель
Суперсимметрия
Теории Великого объединения
Теория струн
Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

↑ Так, прадед Ийона Тихого, персонажа научно-фантастического цикла Станислава Лема, работал над «Общей теорией всего».

Литература

Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. — М.: Наука, 1985. — С. 304.
Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. Dreams of a Final Theory — М.: ЛКИ, 2008, — С. 256, ISBN 978-5-382-00590-4.

Ссылки

Большая Советская Энциклопедия, статья «Единая теория поля»

Единая теория Гаррета Лиси (англ.)

Почему «теорию всего» следует искать в информатике, и почему следующим Эйнштейном станет программист / Хабр

В 1962 году американский историк Томас Кун опубликовал книгу под названием “Структура научных революций”, ставшую результатом его многолетнего анализа истории развития научного знания. По мнению Куна представления людей о природе развиваются не постепенно, а скачкообразно. После каждого скачка формируется новая парадигма знания, в рамках которой идут все дальнейшие исследования. Постепенно учёные натыкаются на факты и парадоксы, не вписывающиеся в текущую парадигму. Когда таких фактов становится достаточно много, их критическая масса заставляет учёных искать лучшие теории, согласующиеся со всеми необъяснимыми в рамках текущей парадигмы фактами. Когда такие теории появляются, происходит новый скачок – Кун называл такой скачок “сдвигом парадигмы”. Самым ярким примером такого сдвига является смена научной картины мира на рубеже XIX-XX веков: несоответствие уравнений Максвелла ньютоновской механике привели к созданию теории относительности, а необъяснимость корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения привели к созданию квантовой механики. Теория относительности и квантовая механика сформировали научную парадигму физики XX века, в рамках которой учёные существуют и поныне.

К сожалению, эти два столпа современной физики почти несовместимы друг с другом: ни одна попытка включения теории гравитации и теории относительности как её предельного случая в квантовую механику еще не увенчалась успехом. Физики всего мира бьются над созданием теории всего, которая сведет все четыре фундаментальных взаимодействия и все виды элементарных частиц к единому математическому формализму.

Одним из основных кандидатов на роль “теории всего” являются разные варианты теории струн, в которых все физические процессы описываются как колебания микроскопических одномерных струн. Основная проблема всех струнных теорий, так называемая проблема ландшафта состоит в том, что они описывают математическую модель 22-мерного или 10-мерного пространства, которое компатифицируется в 4-мерное пространство-время нашей Вселенной. Существует огромное количество вариантов такой компатификации и оказывается, что большинство фундаментальных физических констант нашей Вселенной в теории струн являются свободными параметрами. А конкретное значение этих констант в нашей Вселенной объясняется исключительно антропным принципом: физические константы имеют определённые значения не по каким-то фундаментальным причинам, а просто потому, что именно такие значения необходимы для существования разумной жизни на Земле.

Использование теорией струн антропного принципа широко критикуется её противниками: по их словам, это лишает теорию статуса научной. Кроме того, теория струн является исключительно теоретическим построением, и до сих пор не дала ни одного предсказания, проверка которого была бы возможна в ходе эксперимента. Данное несоответствие струнной теории критерию фальсифицируемости Поппера только подтверждает мнение её критиков о её ненаучности.

Другим кандидатом на роль “теории всего” является теория петлевой квантовой гравитации. Эта теория рассматривает пространство-время как дискретное, как состоящее из небольших квантовых ячеек, что с увеличением масштаба создает иллюзию непрерывного континуума. Лучшей аналогией такого явления служит структура воды: вода состоит из дискретных молекул h3O, но на большом масштабе вода кажется нам непрерывной средой. Из этой теории достаточно просто выводится стандартная модель элементарных частиц, но в ней тоже существует большое количество нерешенных проблем.

Некоторые учёные считают, что “теорию всего” удастся создать, если попробовать совместить струнные теории с теорией петлевой гравитации. Но пока что никаких прорывных открытий в этом направлении не произошло. Можно сказать, что современная теоретическая физика находится в затяжном застое. И некоторые учёные видят выход из этого застоя в очень оригинальном подходе – информационно-алгоритмическом. Одним из таких учёных является знаменитый американский математик Стивен Вольфрам.

Цифровая физика

В своей книге ״A New Kind of Science״, вышедшей в 2002 году, Стивен Вольфрам пишет, что физику стоит рассматривать не как статичную систему, а как динамичную.

По его мнению, на фундаментальном уровне наша Вселенная является чем-то вроде клеточного автомата, развивающегося по чрезвычайно простому рекурсивно применяемому правилу, порождающему однако крайне сложные физические структуры. В пример такого простого правила, порождающего сложные устойчивые структуры, Вольфрам приводит игру “Жизнь”. Он считает, что известные нам законы физики – это только модели описания свойств такой структуры. В пользу своей точки зрения он указывает на схожесть многих структур нашей Вселенной с фракталами – сложными геометрическими объектами, получаемыми с помощью рекурсивного применения простого математического правила. Результат своих многолетних исследований в данной области Стивен Вольфрам опубликовал в виде статьи “Кажется, мы близки к пониманию фундаментальной теории физики, и она прекрасна”.

Идея Вольфрама далеко не маргинальна. Похожую точку зрения о информационно-алгоритмической природе Вселенной высказывал известный американский физик Джон Уилер – согласно его теории “It from bit” на базовом уровне Вселенная является битами информации, а все физические процессы являются обработкой этой информации. Похожие мысли в форме книги “Программируя Вселенную” высказывает профессор MIT Сет Ллойд. По его мнению, дальнейшего прогресса в понимании физики можно достичь, только рассмотрев энтропию как информационное, а не как термодинамическое явление.

В последнее время все эти теории были объединены в новое направление науки – цифровую физику. Подтверждение идей цифровой физики мы можем найти во многих явлениях квантовой механики и теории относительности.

Скорость света

Изначально в созданной Эйнштейном теории относительности считалось, что скорость света является ограничением на скорость распространения физических взаимодействий. Но после появления квантовой теории сам же Альберт Эйнштейн нашел возможность сверхсветового распространения взаимодействия: сформулированный им ЭПР-парадокс гласит, что в результате запутывания состояния двух частиц измерение импульса первой частицы изменяет состояние у второй, даже когда частицы находятся сколь угодно далеко друг от друга.

Проведенные в последние десятилетия эксперименты по квантовой телепортации подтвердили предположение Эйнштейна: действительно изменение состояния запутанной частицы распространяется гораздо быстрее скорости света – мгновенно. Правда, эти нелокальные квантовые взаимодействия не подходят в качестве канала связи, ведь через них невозможно передать никакую неслучайную информацию. Таким образом, современные физики уточнили определение скорости света: теперь скорость света – это ограничение на распространение не физических взаимодействий, а на распространение информации.

Время

Одним из нерешенных фундаментальных вопросов современной физики является объяснение причин однонаправленности времени, или другими словами: почему время течет из прошлого в будущее, но не наоборот? В рамках гипотезы Стивена Вольфрама о рекурсивно-вычислимой Вселенной ответ оказывается элементарным.

В науке об алгоритмах известно, что многие функции являются односторонними: по односторонней функции f из данных x легко получить f(x), но по f(x) узнать x почти невозможно. На базе таких односторонних функций построена широко используемая ассиметричная криптография. Так вот, если предположить, что элементарное правило, применением которого к текущему состоянию Вселенной порождается следующее состояние Вселенной, является односторонней функцией, то становится абсолютно ясным, почему время течёт в одну сторону.

Кроме того, сама суть рекурсивных вычислений предполагает, что следующее состояние данных зависит от текущего, как текущее зависит от предыдущего. Физическое время таким образом в гипотезе рекурсивно-вычислимой Вселенной является эквивалентом самого вычисления, а краткое мгновение настоящего между уже прошедшим прошлым и еще не наступившим будущим – это текущая итерация вычисления.

Замедление времени

В теории относительности есть еще одно явление, связанное со скоростью света и временем – релятивистское замедление времени: при приближении скорости объекта к скорости света время для движущегося объекта относительно неподвижной точки отсчёта начинает течь медленнее и течёт тем медленнее, чем ближе его скорость к скорости света.

Хорошим объяснением этого явления с точки зрения цифровой физики может являться вычислительная сложность алгоритмов. Возможно, при приближении скорости объекта к скорости света сложность распространения информации о состоянии этого объекта вырастает и при приближении к скорости света стремится к бесконечности. n) или O(n!).

График замедления времени при приближении к скорости светаГрафики вычислительной сложности

Корпускулярно-волновой дуализм

Явлением, необходимость объяснить которое привела к появлению квантовой механики, является корпускулярно-волновой дуализм – проявление квантами света свойств как волн, так и частиц. Обычно свет ведет себя как волна, и его поведение описывается волновым уравнением Шредингера, но при измерении свет локализуется в одном месте как частица.

Это явление неплохо согласуется с гипотезой вычисляемой Вселенной. Возможно обычно при “вычислении” Вселенной свойства кванта передаются в следующую итерацию в виде функции (волны), и лишь при необходимости рассчитывается точное значение (частица) – этакий аналог ленивых вычислений. Думая об этом, невольно задумываешься о верности гипотезы симуляции: вдруг и правда, наша Вселенная – это чей-то школьный проект по программированию.

Заключение

Если гипотеза Стивена Вольфрама о рекурсивно-вычислимой Вселенной верна, то будущее физики за нами – программистами, а следующая научная парадигма будет информационно-алгоритмической. Кто знает, может найденная нашими потомками “теория всего” будет записана в виде нескольких файлов на JavaScript?

Теория всего: В поисках универсальных законов физики

При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Физики ищут теорию, которая объединила бы квантовую физику с общей теорией относительности. (Изображение предоставлено: Getty Images)

Теория всего — это всеобъемлющая гипотетическая система, которая объясняет физику всей вселенной одним уравнением. Но объединение теорий, определяющих крупномасштабную космологическую структуру Вселенной, с теориями, описывающими крохотный квантовый мир субатомных частиц, было проблемой уже более века.

Выяснение такой всеобъемлющей теории было мечтой двух легендарных физиков, Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга . Но хотя уравнения, описывающие вселенную в наибольшем и наименьшем масштабах, за десятилетия стали более точными, они все еще не объединяются, чтобы дать полную картину физического мира. Ситуация настолько раздражает, что некоторые из величайших физиков современности признают, что они, возможно, не доживут до того момента, когда все станет на свои места. Сам Хокинг отказался от поисков Теории Всего перед своей смертью в 2018 году9.2 (упрощенная форма уравнения, которое показывает, что энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате), все начало рушиться, когда физики попытались согласовать его общую теорию относительности с квантовой физикой, описывающей правила, управлять миром в мельчайших масштабах.

Связанный: Существуют ли параллельные вселенные? Мы могли бы жить в мультивселенной.

«Стандартная физика прямо сейчас действительно имеет две опоры», — сказал Рейнольдс Space.com. «Одной из них является Стандартная модель физики элементарных частиц. Это прекрасная теория, объясняющая свойства материи. Но она не объясняет гравитацию, которая является другой стороной».

Гравитация против квантового поля

Стандартная модель физики элементарных частиц является основой квантовой механики , которая описывает мир атомов и составляющих их частиц, таких как кварков и глюонов протоны и нейтроны в атомных ядрах и электронов , которые вращаются вокруг них. Стандартная модель объясняет три из четырех фундаментальных сил , которые управляют миром природы: электромагнитное взаимодействие, которое удерживает атомы и молекулы вместе посредством взаимодействия их электрически заряженных компонентов, сильное ядерное взаимодействие, которое связывает элементарные частицы, называемые кварками, в более сложные протоны, нейтроны и электроны (а затем и в атомы) и слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад.

Эти силы являются результатом взаимодействия частиц, сказал Space.com Майкл Дафф, почетный профессор теоретической физики Имперского колледжа Лондона. Фотон, которым обмениваются два электрона, создает электромагнитное взаимодействие, а бозоны W и Z объясняют сильные и слабые ядерные взаимодействия. Но попробуйте объяснить гравитацию взаимодействием частиц, и вы дойдете до точки, где математика пойдет наперекосяк, сказал Дафф.

“По Эйнштейну, это геометрия пространства и времени , который отвечает за гравитационную силу, — сказал Дафф Space. com. — Вы можете спросить себя, не могла ли гравитация быть результатом действия частицы, называемой гравитоном. И это в какой-то степени хорошо работает. Но когда вы пытаетесь создать полную квантовую теорию гравитонов, получается ужасно неправильно. Ваши ответы, которые должны быть конечными, оказались бесконечными”. принципы гравитации в микромире субатомных частиц.

Дафф, который провел большую часть своей взрослой жизни, пытаясь примирить две теоретические концепции, описывает их несовместимость как «катастрофу 21-го века».

Путешествие, чтобы разобраться с этой «катастрофой», началось сто лет назад, и Дафф, которому сейчас 73 года, признает, что он, возможно, не увидит того дня, когда «шахматные правила», как он их называет, будут наконец взломаны и Теория Все завершено.

“Я не жду этого в ближайшее время”, сказал Дафф. «Я думаю, что ключевое слово — терпение. Это займет много времени, еще много исследований, прежде чем мы доберемся до этого, это мое предположение».

Альберт Эйнштейн попытался объединить свою теорию относительности с физикой элементарных частиц, но потерпел неудачу. (Изображение предоставлено: Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Теория Калуцы-Клейна и рождение многомерной вселенной

Еще до того, как Альберт Эйнштейн обратил свой знаменитый мозг к Теории Всего, его современники Теодор Калуца и Оскар Клейн попытался соединить свою общую теорию относительности с теорией электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, которая в конце 19XIX век дал исчерпывающее объяснение двух основных сил, известных в то время: магнетизма и электрической силы.

Чтобы заставить свою теорию работать, Калуца и Кляйн должны были изобрести мир, который сильно отличался от того, что мы видим вокруг себя. Они должны были добавить пятое измерение к нашему трехмерному пространству плюс время. Однако это пятое измерение было свернутым и микроскопическим, крошечной петлей, которую мы не можем увидеть на уровне повседневной жизни.

Именно эту теорию Эйнштейн попытался в дальнейшем развить в единую теорию поля, которая описывала бы все фундаментальные силы, включая гравитацию, и отношения между элементарными частицами в рамках единой теоретической основы без необходимости в квантовой физике. Его попытка в конечном итоге провалилась. С тех пор все стало только сложнее. На смену электромагнетизму пришла более сложная квантовая механика, которую Эйнштейн, согласно сообщениям, никогда полностью не принимал, поскольку она казалась слишком «нелогичной». Кроме того, число измерений 9Вселенная 0007 , необходимая для работы развивающейся Теории Всего (иногда называемой квантовой гравитацией ), увеличилась более чем вдвое.

Почетный профессор теоретической физики Имперского колледжа Лондона

Майкл Дафф — почетный профессор теоретической физики Имперского колледжа Лондона. Дафф получил докторскую степень по теоретической физике в 1972 году в Имперском колледже под руководством лауреата Нобелевской премии Абдуса Салама и провел десятилетия, исследуя объединяющую теорию физики. Он известен своим вкладом в развитие квантовой гравитации, супергравитации, теории струн и М-теории. Он написал первую книгу, посвященную М-теории, «Мир в одиннадцати измерениях: супергравитация, супермембраны и М-теория», которую опубликовал в 1999. Он является обладателем золотой медали за встречи 2004 г. от El Colegio Nacional, Мексика, золотой медали и премии Поля Дирака 2017 г. от Института физики, Великобритания, и премии Троттера 2018 г., США.

Теория струн и мультивселенная

Первый крупный прорыв после теории Калуцы и Кляйна 1920-х годов произошел в 1980-х годах в форме Теория струн . В то время физики, отчаянно пытавшиеся избавиться от приводящих в бешенство бесконечных значений, создаваемых теоретически сталкивающимися частицами гравитона (упомянутыми Даффом), предположили, что элементарные частицы микрокосма, возможно, не являются простыми точками в пространстве, а представляют собой крошечные петли струн. которые только кажутся нам точечными.

«На мгновение показалось, что это ответ на все наши молитвы», — сказала Дафф. «Но вскоре мы обнаружили, что были и другие проблемы».

Как и теория Калуцы-Кляйна, теория струн не работала в обычной четырехмерной вселенной. Но это не сработало и в пяти измерениях Калуцы и Кляйна. На школьных досках физиков возникла вселенная из 10, а в конечном итоге и 11 измерений, где не одно, а шесть-семь измерений должны были быть свернуты в невидимом царстве, чтобы теория заработала.

«Оказывается, с теорией струн можно делать довольно замечательные вещи, — сказал Рейнольдс. «Вы можете определить режимы вибрации этих струн, а затем выяснить, что разные режимы вибрации могут приобретать характеристики разных частиц. Электрон будет струной с одной модой вибрации, кварк будет струной с другой вибрацией. Вы начинаете описывать разные частицы в природе как разные режимы вибрации этих струн».

Пока все хорошо. Проблема в том, что то, как вибрирует струна, зависит от того, как она намотана. Когда математики попытались подсчитать количество возможностей такого завершения, они получили поразительные цифры.

«Число, которое они часто называют, — это 10 в пятисотой степени», — сказал Рейнольдс. «Это десятка с 500 нулями после нее. Это количество различных способов, которыми вы можете обернуть строки».

Каждая из этих комбинаций упаковки создает возможную вселенную в четырех измерениях, добавила Дафф, почти бесконечное множество возможностей, одна из которых должна представлять вселенную, в которой мы живем.

«Некоторые из них похожи на нашу Вселенную, с нужным количеством кварков, электронов и так далее, но некоторые совсем не похожи на нашу вселенную», — сказал Дафф. «И проблема, с которой мы сталкиваемся в теории струн, заключается в том, как выбрать правильный вариант? Существует ли правильный вариант? Потому что существуют миллиарды различных возможностей».

Предложив множество различных рецептов пространства-времени, ткани вселенной, Теория струн помогла создать концепцию мультивселенной , теорию альтернативных вселенных наряду с нашей, которые могут иметь другие физические законы, чем вселенная, в которой мы живем.

Профессор астрономии Кембриджского университета

Кристофер Рейнольдс — профессор астрофизики Кембриджского университета. Специалист в области наблюдательной и теоретической астрофизики высоких энергий. Он изучает роль черных дыр во Вселенной и релятивистские явления, возникающие вблизи черных дыр, где нарушаются правила, определенные Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Суперсимметрия и супергравитация

Чтобы уравнения теории струн заработали, физикам пришлось согласовать поведение двух типов частиц: бозоны и фермионы. Кварки, строительные блоки протонов и нейтронов, являются фермионами, как и электроны. Это означает, что фермионы являются фундаментальными составляющими материи. Бозоны, такие как фотоны, глюоны и бозоны W и Z, с другой стороны, несут силы, удерживающие эту материю вместе. Оба этих типа частиц характеризуются своим вращением, которое представляет собой количество углового момента, которым обладает частица, и определяет, в каком направлении она будет двигаться под воздействием магнитного поля. Значения спина фермионов и бозонов также могут существовать в дискретных количествах, и спин сохраняется для всех частиц, но эти значения сильно различаются для этих семейств частиц.0003

«У бозонов есть собственный угловой момент, который представляет собой [целое число] вроде 0,1,2,3», — объяснил Дафф. «Фермионы имеют спины, разделенные пополам: вращение наполовину, вращение на три половины. Поэтому в течение многих лет мы думали, что эти два [типа частиц] подобны мелу и сыру. Мы не могли сложить их вместе».

Физики решили эту проблему с помощью концепции суперсимметрии , которая предполагает, что каждая частица Стандартной модели имеет своего «суперпартнера» в другой группе. Это означает бозонного суперпартнера для каждого фермиона и фермионного суперпартнера для каждого бозона, причем эти суперпартнеры обладают числом спинов, которое наполовину отличается от его аналога в Стандартной модели.

Включение суперсимметрии в уравнения помогло струнным теоретикам остановиться на 11 измерениях Вселенной вместо 10. Это развитие событий понравилось Даффу, который в то время был частью группы теоретиков, разрабатывавших теорию под названием супергравитации . Теория супергравитации работала не со струнами, а с тем, что Дафф называет «мембранами», и эти мембраны работали только в 11 измерениях.

«Некоторое время мы были отколовшейся группой, наблюдающей за 11 измерениями и видящей, куда это нас приведет», — сказал Дафф. «Теоретики струн все еще рассматривали 10 измерений, и какое-то время было неясно, находимся ли мы на одной волне».

M Теория

Черные дыры «просачиваются» в форме теплового излучения, известного как излучение Хокинга. (Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library/Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

На протяжении 1980-х и 1990-х годов конкурирующие подходы развивались бок о бок. Затем, в 1995 году, произошел еще один прорыв, когда американский физик Эдвард Виттен предложил свою М-теорию . М-теория, согласно Даффу, послужила зонтиком для различных вариаций теории струн, существовавших в то время.

“Сначала было шесть разных подходов,” сказал Дафф. «И Виттен показал нам, что на самом деле это не шесть разных теорий, а скорее шесть разных углов более глубокой и глубокой теории, которую он назвал М-теорией».

M Теория решила многие проблемы, добавил Дафф. Это позволило физикам выполнить более точные расчеты и согласовать теорию струн с формулой черной дыры Стивена Хокинга и его теорией о том, что черная дыра является «утечкой» формы теплового излучения, которое впоследствии стало известно как «излучение Хокинга». “испаряясь при этом.

M Теория также ввела то, что Дафф называет голографическим принципом , который утверждает, что «гравитационный мир в определенном числе измерений может быть описан негравитационной теорией, живущей на его границе, которая имеет на одно измерение меньше». — сказал Дафф, признав, что заявление, хотя и довольно «удивительное», похоже, работает.

Тем не менее, Теория Всего далека от разработки, сказал Дафф. Самое главное, физики до сих пор не знают, как выбрать из миллиардов возможных комбинаций переплетения строк ту, которая соответствует нашей Вселенной.

«Мы не знаем, является ли теория М правильной теорией или нет, но это наиболее многообещающий кандидат», — сказал Дафф. «Но если это так, то сколько времени нам потребуется, чтобы выяснить все детали, можно только гадать».

Недостающие части Теории Всего: Аксионы и темная материя

Тем временем ученые продолжают искать недостающую часть информации, которая могла бы заткнуть дыры в потенциальной Теории Всего. Эксперименты на ускорителях частиц, таких как CERN 9Большой адронный коллайдер 0007 в Женеве или наблюдения за самой отдаленной вселенной могут однажды привести к прорыву, которого ждали поколения физиков-теоретиков.

Этот прорыв, по словам Рейнольдса, скорее всего, произойдет благодаря исследованию природы темной материи , неуловимой невидимой субстанции, которая должна составлять около 85% всей материи во Вселенной, чтобы объяснить гравитационное поведение галактик и скоплений галактик .

«В Стандартной модели физики элементарных частиц нет объяснения темной материи», — сказал Рейнольдс. «Там что-то есть, о чем у нас просто очень неточные данные. Если бы мы могли каким-то образом обнаружить эти частицы темной материи или обнаружить какую-то сигнатуру темной энергии [сила, управляющая ускоряющимся расширением Вселенной], тогда это началось бы. чтобы действительно сказать, действительно ли Теория Всего является чем-то вроде Теории Струн или это что-то совершенно другое».

Астрофизики, такие как Рейнольдс, а также физики частиц, работающие с ускорителями частиц, имеют представление о том, что они ищут: частица под названием аксион , которая предлагается в качестве кандидата на частицы темной материи и на самом деле , предсказанное теорией струн.

«Сейчас проводится множество экспериментов, направленных на обнаружение этих аксионных сигнатур, — сказал Рейнольдс.

Исследователи считают, что аксионы обладают странной способностью преобразовываться в рентгеновские фотоны при прохождении через мощные магнитные поля. Рентгеновские обсерватории, такие как 9Таким образом, космический телескоп НАСА “Чандра” 0007 может сыграть важную роль в выяснении того, действительно ли существуют аксионы.

«Мы пытаемся изучить некоторые из крупнейших намагниченных систем во Вселенной, такие как скопления галактик», — сказал Рейнольдс. «У вас может быть что-то вроде 1000 галактик, захваченных гравитационным потенциалом темной материи, окруженных намагниченным горячим газом. И через этот газ мы можем видеть рентгеновские лучи, генерируемые сверхмассивными черными дырами . Если аксионы существуют, есть вероятность, что некоторые рентгеновских фотонов превратятся в аксионы, и мы сможем увидеть это как искажения в спектрах света, которые мы измеряем».

Будущие миссии, такие как миссия Европейского космического агентства Athena , а также коллайдеры частиц нового поколения, возможно, наконец найдут ответ.

Что будет, если мы наконец взломаем Теорию Всего?

Что произойдет, когда все кусочки головоломки наконец встанут на свои места и мы поймем, как устроен наш мир? Будет ли это концом физики? Дафф не согласен. После того, как мы изучим «шахматные правила», сказал он, мы, наконец, сможем «начать игру».

Разгадка Теории Всего наверняка приведет к шквалу Нобелевских премий. Но что будет дальше? Нам придется подождать и посмотреть.

Дополнительные ресурсы

Чтобы глубже погрузиться в поиски Теории Всего, прочтите статьи Майкла Даффа Индивидуалисты в поисках квантовой гравитации или Erratum to: String and M-Theory: Answering the Критики (открывается в новой вкладке). Вы также можете проверить книгу Теория суперструн (открывается в новой вкладке), соавтором которого является Эдвард Виттен. Если вам все еще недостаточно, вы можете погрузиться в Supergravity одного из крестных отцов теории Дэниела Фридмана.

Библиография

Дафф, М. В поисках квантовой гравитации, Мир физики, декабрь 2020 г., IOP Publishing

https://michaelduff.weebly.com/uploads/4/4/3/0/44306005/a_mavericks_quest ._physics_world_2000.pdf (открывается в новой вкладке)

Дафф, М. , 2013 г., Теория струн и М-теория: ответы на критику, Основы физики, ноябрь 2011 г.

https://link.springer.com/article/10.1007/s10701-012-9696-y (открывается в новой вкладке)

Грин, М.Б. и др., Теория суперструн, июль 2012 г., Cambridge University Press

Фридман, Д. Супергравитация, апрель 2012 г., Cambridge University Press

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Тереза — лондонский журналист в области науки и технологий, начинающий писатель-фантаст и гимнастка-любитель. Родом из Праги, Чешская Республика, она провела первые семь лет своей карьеры, работая репортером, сценаристом и ведущей различных телепрограмм Чешского общественного телевидения. Позже она сделала перерыв в карьере, чтобы продолжить образование, и добавила степень магистра естественных наук Международного космического университета во Франции к степени бакалавра журналистики и магистра культурной антропологии Карлова университета в Праге. Она работала репортером в журнале Engineering and Technology, работала внештатным сотрудником в ряде изданий, включая Live Science, Space.com, Professional Engineering, Via Satellite and Space News, а также работала научным редактором в Европейском космическом агентстве.

Теория всего: В поисках универсальных законов физики

При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Связанный: Существуют ли параллельные вселенные? Мы могли бы жить в мультивселенной.

Гравитация против квантового поля

Эти силы являются результатом взаимодействия частиц, сказал Space. com Майкл Дафф, почетный профессор теоретической физики Имперского колледжа Лондона. Фотон, которым обмениваются два электрона, создает электромагнитное взаимодействие, а бозоны W и Z объясняют сильные и слабые ядерные взаимодействия. Но попробуйте объяснить гравитацию взаимодействием частиц, и вы дойдете до точки, где математика пойдет наперекосяк, сказал Дафф.

“По Эйнштейну, это геометрия пространства и времени , который отвечает за гравитационную силу, — сказал Дафф Space.com. — Вы можете спросить себя, не могла ли гравитация быть результатом действия частицы, называемой гравитоном. И это в какой-то степени хорошо работает. Но когда вы пытаетесь создать полную квантовую теорию гравитонов, получается ужасно неправильно. Ваши ответы, которые должны быть конечными, оказались бесконечными”. принципы гравитации в микромире субатомных частиц.