Krótki:
- dlaczego współczesna fizyka osiągnęła ślepy zaułek.
- że Einstein i Hawking nie mieli czasu na zbadanie.
- jak połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności.
Z pomocą Internetu można dowiedzieć się wszystkiego - od konstrukcji silnika spalinowego po szybkość rozszerzania się Wszechświata. Ale są pytania, na które odpowiedzi nie zna nie tylko Google, ale nawet najwięksi naukowcy naszych czasów.
Jeśli nagle masz szczęście porozmawiać z najnowszymi zdobywcami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, nie pytaj ich o egzoplanety i ciemną materię, powiedzieli to już setki razy.
Lepiej zapytaj, dlaczego różne obiekty w naszym świecie podlegają innym prawom fizyki. Na przykład, dlaczego planety, gwiazdy i inne duże obiekty oddziałują ze sobą zgodnie z określonymi prawami, a cząsteczki na najniższym poziomie, takie jak atomy, są posłuszne tylko sobie.
Takie pytanie zaskoczy laika, a osoba wykształcona, odpowiadając na nie, powie Ci, dlaczego współczesna nauka znalazła się w ślepym zaułku, jaka jest różnica między standardowym modelem fizyki a ogólną teorią względności (dalej - GR), a także dlaczego znaczenie bozonów Higgsa i teorii strun jest w rzeczywistości sprawa jest przereklamowana.
Film promocyjny:
Pomimo tych wyjaśnień, nikt, łącznie ze zmartwychwstałym Albertem Einsteinem, nie będzie w stanie wyjaśnić wam odmiennej natury zjawisk fizycznych na poziomach mikro i makro. Jeśli sam możesz rozwiązać ten problem - gratuluję, jesteś pierwszym autorem teorii wszystkiego, najwspanialszym mózgiem w historii ludzkości, laureatem wszystkich możliwych nagród i ojcem (lub matką) nowej fizyki.
Ale zanim przedstawimy światu rewolucyjne odkrycie, lepiej zrozumieć, co oznacza teoria wszystkiego, na jakie pytania powinna odpowiedzieć i kto był najbliżej jej odkrycia.
Teoria wszystkiego jest połączeniem dwóch najbardziej znanych koncepcji współczesnej fizyki - ogólnej teorii względności Alberta Einsteina i mechaniki kwantowej. Pierwsza teoria opisuje wszystko, co nas otacza w postaci czasoprzestrzeni, a także interakcję wszystkich obiektów we Wszechświecie za pomocą tylko grawitacji. Z kolei mechanika kwantowa opisuje oddziaływanie cząstek elementarnych za pomocą trzech wskaźników jednocześnie - elektromagnetycznego oraz silnego / słabego oddziaływania jądrowego.
Tak więc mówi o grawitacji i dużych obiektach, takich jak planety i gwiazdy, a mechanika kwantowa mówi o cząstkach elementarnych i ich elektromagnetycznych i słabych / silnych oddziaływaniach jądrowych. Wrócimy do tego trochę później.
Dziedzic Newtona
Po raz pierwszy ogólną teorię względności wypowiedział Albert Einstein. W tym czasie młody pracownik Austriackiego Urzędu Patentowego uzupełnił klasyczną teorię grawitacji Newtona i opisał wszystkie zawarte w niej niewiadome. W szczególności dzięki temu odkryciu ludzie dowiedzieli się, czym naprawdę jest grawitacja i jak determinuje interakcję nie tylko między jabłkiem a Ziemią, ale także między Słońcem a wszystkimi planetami Układu Słonecznego.
Einstein zasugerował, że przestrzeń i czas są ze sobą powiązane i tworzą jedno czasoprzestrzenne kontinuum - podstawę dla powstania sił grawitacyjnych wszystkich obiektów. W przeciwieństwie do teorii Newtona, to kontinuum (lub czasoprzestrzeń) jest elastyczne i może zmieniać swój kształt w zależności od masy obiektów i odpowiednio ich energii.
Przypuszczenia Einsteina potwierdziły się w praktyce dopiero kilka lat temu, kiedy zauważyli, jak światło - a zatem czasoprzestrzeń - ugina się, przechodząc w pobliżu masywnego obiektu - Słońca - pod wpływem grawitacji. Nawet bez tych dowodów ogólna teoria względności już dawno stała się podstawą współczesnej fizyki i jak dotąd nikt nie był w stanie przedstawić bardziej uzasadnionego wyjaśnienia grawitacji ciał i pól w przestrzeni.
Mimo to sama czasoprzestrzeń jest nadal słabo poznana, a naukowcy nie wiedzą, jak powstaje iz czego się składa. Odpowiedzi na te pytania dopiero zaczyna się szukać w mechanice kwantowej - teoretycznej gałęzi fizyki opisującej naturę zjawisk fizycznych na poziomie cząsteczek, atomów, elektronów, fotonów i innych drobnych cząstek.
Mechanika kwantowa
Zgodnie z teorią Einsteina absolutnie wszystkie obiekty we Wszechświecie powinny ulegać grawitacji. Ale jednocześnie z odkryciem ogólnej teorii względności, inni naukowcy badali, w jaki sposób obiekty oddziałują na siebie na poziomie subatomowym.
Okazało się, że grawitacja w takiej skali jest zupełnie bezużyteczna. Zamiast tego definiujące stały się oddziaływania elektromagnetyczne i słabe / silne jądrowe. Za pomocą tych sił oddziałują ze sobą najmniejsze cząsteczki - fotony, gluony i bozony.
Jednak naukowcy nadal nie wiedzą, na jakich zasadach te cząstki oddziałują na siebie, ponieważ mogą mieć niezwykle wysoką gęstość energii i nadal nie nadają się do grawitacji. Stąd - takie niewytłumaczalne zjawiska, jak dualizm falowo-ciałko-ciałkowy (przejaw własności fali przez cząstkę), a także efekt obserwatora, którego efektem jest żywy i martwy kot Schrödingera.
Z tego powodu dwa światy fizyki zderzyły się z ich czołami - Einsteina, gdzie wszystkie obiekty mają określone właściwości, nadają się do grawitacji, można je opisać i przewidzieć, oraz kwantowy, w którym szaleje zupełnie inne, nieprzewidywalne życie, w którym wszystko nieustannie się zmienia i wyrównuje pojęcie przestrzeni - czas jako taki.
Co należy zrobić, aby zjednoczyć te dwa światy? Rozmawialiśmy o grawitacji w ogólnej teorii względności oraz o elektromagnetycznym, silnym / słabym oddziaływaniu jądrowym w standardowym modelu fizyki. Tak więc grawitacja jest prawie doskonała, pozwala nam zrozumieć prawie wszystko, co nas otacza, ale nie bierze pod uwagę tego bardzo niewytłumaczalnego zachowania cząstek na najmniejszym poziomie. Oddziaływanie elektromagnetyczne i silne / słabe jądrowe jest alternatywną częścią fizyki, która skrywa nowe odkrycia i stanowi ogromny rezerwuar dla badań, ale nie uwzględnia praw grawitacji ogólnej teorii względności.
Ostatnim etapem badań i życia Alberta Einsteina było stworzenie teorii kwantowej grawitacji, która pozwoliłaby połączyć wszystkie możliwe oddziaływania obiektów na poziomie makro i mikro, a także wyjaśnić, dlaczego zachowują się one inaczej. Einstein nigdy nie był w stanie znaleźć odpowiedzi na te pytania, a po nim możliwe unifikację ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej zaczęto nazywać teorią wszystkiego.
Teoria wszystkiego
W poszukiwaniu teorii wszystkiego naukowcy zbadali niektóre z najbardziej niezwykłych obiektów we wszechświecie - czarne dziury. Są tak ciężkie, że nadają się do grawitacji i są tak skompresowane, że teoretycznie można zaobserwować efekty kwantowe podczas wpadania do czarnej dziury. Niestety, jak dotąd, poza promieniowaniem Hawkinga, które jest sprzeczne z mechaniką kwantową, i niedawnym zdjęciem horyzontu zdarzeń, czarne dziury niewiele pomogły współczesnej nauce. Nawet jeśli istnieją, dotarcie do nich jest dla ludzi zadaniem prawie niemożliwym.
Zaczęli poszukiwać teorii wszystkiego na Ziemi, korzystając z różnych eksperymentów myślowych oraz właściwości mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, które mogłyby się wzajemnie uzupełniać.
Dzisiaj chyba najbardziej popularną i najbliższą prawdziwej wersji teorii wszystkiego jest teoria strun. Mówi, że każda cząstka jest jednowymiarową struną, która wibruje w 11-wymiarowej rzeczywistości i, w zależności od tych wibracji, określa się jej masę i ładunek.
Między innymi główną właściwością struny jest to, że może przenosić grawitację na poziomie kwantowym. Gdyby taka teoria została potwierdzona w praktyce, struny mogłyby być pierwszym krokiem w kierunku unifikacji mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności. Niestety, jak dotąd nikt nie był w stanie tego udowodnić i zadeklarować, że struny są nośnikiem grawitacji na poziomie subatomowym. Podobnie jak niedawno odkryty bozon Higgsa nie stał się pożądanym grawitonem.
Tak, nadal nie wiemy, skąd pochodzi masa wielu cząstek elementarnych i na jakiej zasadzie oddziałują one ze sobą, ale to nie przeszkadza współczesnym fizykom w proponowaniu coraz to nowych „teorii wszystkiego”.
Ostatnio np. Fizycy z Chin, Niemiec i Kanady przetestowali teorię darwinizmu kwantowego Wojciecha Żurka, która rzekomo wyjaśnia, w jaki sposób cząstki kwantowe pozostawiają swoje ślady w dostępnym nam makrokosmosie. Ale nawet w przypadku potwierdzenia znalezienia cząstek w dwóch stanach jednocześnie, jest to tylko potwierdzenie wzajemnego oddziaływania mechaniki kwantowej ogólnej teorii względności iw żaden sposób tego nie wyjaśnia.
Inny amerykański fizyk teoretyczny z University of Maryland, Brian Swingle, podjął się opisania natury pojawienia się czasoprzestrzeni i zdecydował, że splątanie kwantowe może tworzyć kontinuum Einsteina. Swingle zasugerował, że czterowymiarową strukturę czasoprzestrzeni (długość, szerokość, głębokość i czas) można zakodować w trójwymiarowej fizyce kwantowej (o tych samych wymiarach, tylko bez czasu). Zdaniem fizyka grawitację i ogólną teorię względności należy tłumaczyć właściwościami mechaniki kwantowej, a nie odwrotnie, co spowodowało, że ten eksperyment był dość sprzeczny.
Istnieją dziesiątki podobnych złożonych, a nawet dobrze uzasadnionych teorii, ale żadnej z nich nie można jeszcze nazwać teorią wszystkiego. Być może to dobrze, ponieważ człowiek próbował zrozumieć, w jaki sposób atomy i gwiazdy oddziałują na siebie, dopiero od ostatniego stulecia, a Wszechświat istnieje od prawie 14 miliardów lat.
Najsłynniejszy współczesny badacz teorii wszystkiego - Stephen Hawking - pod koniec swojego życia doszedł do wniosku, że nie da się tego znaleźć. Nie przyniosło to jednak dla niego rozczarowania, ale, jak powiedział później, wręcz przeciwnie, doprowadziło do zrozumienia, że człowiek będzie się stale rozwijał: „Teraz cieszę się, że nasze poszukiwania zrozumienia nigdy się nie skończą i zawsze będziemy doświadczać nowych odkryć … Bez tego stalibyśmy w miejscu”.