Teoria tuturor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea filmului din 2014, consultați Theory of Everything .

În fizica, teoria a tot ceea ce, de asemenea , cunoscut sub numele de TOE ( acronim din limba engleză Theory of Everything), este o ipotetică teorie fizică capabilă să explice și să aducă laolaltă toate cunoscute fenomene fizice într - un singur cadru. Cerința minimă a acestei teorii este unificarea tuturor interacțiunilor fundamentale .

Inițial termenul a fost folosit cu o conotație ironică pentru a se referi la diferitele teorii supergeneralizate, chiar și în domeniul science fiction [1] . În ceea ce privește literatura tehnică, fizicianul John Ellis susține [2] că a introdus-o într-un articol din revista Nature în 1986. [3] De-a lungul timpului, termenul s-a stabilit în popularizările fizicii cuantice pentru a descrie o teorie care ar uni toate interacțiunile fundamentale ale naturii, cunoscută și sub numele de teoria câmpului unificat .

Au existat multe teorii propuse în întregime de fizicienii teoretici în ultimul secol, dar niciuna nu a fost confirmată experimental . Principala problemă în producerea unei astfel de teorii este de a face compatibile cele două teorii fizice fundamentale acceptate, mecanica cuantică și relativitatea generală , care sunt în prezent ireconciliabile. [4]

Precedente istorice

Laplace a sugerat că un intelect suficient de puternic ar putea, dacă ar cunoaște viteza și poziția fiecărei particule la un moment dat, împreună cu legile naturii, să calculeze poziția fiecărei particule la un alt moment:

„O inteligență care într-un anumit moment a cunoscut toate forțele care pun natura în mișcare și toate pozițiile tuturor obiectelor a căror natură este cunoscută, dacă și acest intelect ar fi suficient de vast pentru a analiza aceste date, ar colecta într-o singură formulă mișcările din cele mai mari corpuri din univers față de cele ale celui mai mic atom; pentru o astfel de inteligență nimic nu ar fi incert și viitorul, ca și trecutul, ar fi prezentul în ochii lui ".

( Essai philosophique sur les probabilités , Introducere. 1814 )

Chiar dacă mecanica cuantică modernă sugerează că incertitudinea este inevitabilă, ar putea exista încă o „formulă unică”.

De la Grecia antică la Einstein

Încă din vremea Greciei antice , filozofii au presupus că diversitatea aparentă a realității ascunde o unitate intrinsecă și, prin urmare, lista forțelor ar putea fi scurtă, într-adevăr ar putea conține un singur element. De exemplu, filozofia mecanică din secolul al XVII-lea a presupus că toate forțele ar putea fi în cele din urmă reduse la forțe de contact între particulele solide mici. [5] Această teorie a fost abandonată după acceptarea de către Isaac Newton a gravitației la distanță; dar, în același timp, lucrarea lui Newton în Principia sa a furnizat primele dovezi empirice puternice pentru unificarea forțelor aparent distincte: experimentele lui Galileo asupra gravitației Pământului, legile lui Kepler ale mișcării planetare și fenomenul mareelor au fost toate explicate calitativ printr-o singură lege a gravitația universală .

În 1820 , Hans Christian Ørsted a descoperit o legătură între electricitate și magnetism , provocând decenii de muncă care au culminat cu teoria electromagnetismului a lui James Clerk Maxwell . Chiar și în secolele al XIX - lea și începutul secolului al XX-lea a devenit treptat evident că multe exemple de forțe comune - forțe de contact, elasticitate , vâscozitate , frecare , presiune - au rezultat din interacțiunile electrice dintre cele mai mici particule de materie. La sfârșitul anilor 1920 , noua mecanică cuantică a arătat că legăturile chimice dintre atomi erau exemple de forțe electrice (cuantice), justificând susținuta afirmație a lui Dirac că „legile fizice de bază necesare teoriei matematice a multor fizicieni și totalitatea chimiei sunt, prin urmare, complet cunoscut ". [6]

Încercările de unificare a gravitației cu electromagnetismul datează cel puțin din experimentele lui Michael Faraday din 1849–50. [7] După ce teoria gravitației ( relativitatea generală ) a lui Albert Einstein a fost publicată în 1915 , căutarea unei teorii unificate a câmpului care combina gravitația cu electromagnetismul a început să devină serioasă. În acea perioadă părea plauzibil că nu existau alte forțe fundamentale. Contribuitorii principali au fost Gunnar Nordström , Hermann Weyl , Arthur Eddington , Theodor Kaluza , Oskar Klein și, cel mai faimos, numeroasele încercări făcute de Einstein și colaboratorii săi. În ultimii ani, Albert Einstein a fost intens ocupat cu găsirea unei astfel de teorii unificatoare.

Fără îndoială, gravitația a fost readusă la structura spațiului; dar, în afara câmpului gravitațional, există încă câmpul electromagnetic; a fost necesar să se introducă aceasta din urmă în teorie, ca o formațiune independentă de gravitație prin termeni suplimentari în ecuația condiției pentru câmp. Dar gândul nu putea suporta ideea că există două structuri ale spațiului independente una de alta: una a gravitației metrice, cealaltă electromagnetică . Se impune convingerea că aceste două tipuri de câmp trebuie să corespundă unei structuri unitare a spațiului. Acum teoria unitară a câmpului , care se prezintă ca o extensie matematic independentă a relativității generalizate , încearcă să răspundă la acest postulat. [...] Structura spațiului de bază este descrisă după cum urmează și se aplică unui spațiu de orice dimensiune "

( Einstein, „După cum văd lumea”, cap. „Spațiul, eterul și câmpul” )

Cu relativitatea specială și generală, Einstein a teoretizat că în același spațiu-timp, unde apar câmpul electromagnetic și câmpul gravitațional, ar trebui formulată o teorie unificată a câmpului capabilă să reconcilieze câmpul electromagnetic, care nu este încă descris în termeni geometrici, cu cel gravitațional. câmp, descris ca o variație a geometriei spațiului-timp înconjurător.

Einstein însuși a sugerat că relativitatea generală nu era o teorie finală și că o cale către o teorie unificatoare a câmpului era studiul proprietăților geometrice ale spațiului-timp, banalul câmpului electromagnetic și gravitațional și extinderea la n dimensiuni ale acestei construcții. geometric, posibil și încă neterminat în potențialul său fizic teoretic și experimental. Acest spațiu-timp are aceste caracteristici: geometrie euclidiană aplicabilă local în vecinătatea infinitesimală a fiecărui punct, direcția segmentului și conservarea unghiului pot fi definite, prin urmare liniile paralele, paralelogramul nu poate fi definit, din care un spațiu în linie dreaptă cu segmente paralele două câte două. În această construcție, se poate defini o forță (cu direcție și direcție, intensitate), dar din moment ce nu este posibil să se construiască un paralelogram pentru compoziția lor, este clar că unificarea teoriei electromagnetice și gravitaționale trebuie operată cu noțiunea de câmp, mai larg decât cel al puterii.

Cu toate acestea, niciuna dintre aceste încercări nu a avut succes. [8]

Noi descoperiri

Căutarea unei teorii universale a fost întreruptă de descoperirea forțelor nucleare puternice și slabe , care nu puteau fi incluse nici în gravitație, nici în electromagnetism. Un alt obstacol a fost acceptarea faptului că mecanica cuantică ar trebui încorporată de la început, mai degrabă decât să apară ca o consecință a unei teorii deterministe unificate, așa cum spera Einstein. Gravitația și electromagnetismul pot coexista pașnic ca elemente într-o listă a forțelor newtoniene, dar timp de mulți ani s-a părut că gravitația nu poate fi nici măcar încorporată în structura cuantică și, prin urmare, trebuie să rămână izolată dacă este unificată cu celelalte forțe fundamentale.

Din acest motiv, munca de unificare pentru o mare parte a secolului al XX-lea s-a concentrat pe înțelegerea celor trei forțe „cuantice”: electromagnetismul și forțele nucleare slabe și puternice. Primele două au fost unificate în 1967–68 de Sheldon Glashow , Steven Weinberg și Abdus Salam ca „forță electrolabă”. [9] Forțe puternice și electro-slabe coexistă pașnic în modelul standard al fizicii particulelor, dar rămân distincte. Au fost propuse mai multe teorii ale marii unificări pentru a le uni. Deși cea mai simplă dintre astfel de teorii a fost exclusă experimental, ideea generală, în special în legătură cu supersimetria , rămâne puternic favorizată de comunitatea fizicienilor teoretici.

Fizica modernă

În curentul fizicii actuale, o teorie a totul ar uni toate interacțiunile fundamentale ale naturii, care sunt de obicei considerate a fi patru în număr: gravitația , forța nucleară puternică , forța nucleară slabă și forța electromagnetică . Deoarece forța slabă poate transforma particulele elementare de la un tip la altul, Teoria Totului ar trebui să ofere o înțelegere profundă a diferitelor tipuri de particule și a diferitelor forțe.
Structura care leagă diferitele forțe ar trebui să aibă următoarea formă:

În plus față de forțele enumerate aici, cosmologia modernă poate necesita forțe inflaționiste , energie întunecată și chiar materie întunecată compusă din particule fundamentale în afara cadrului modelului standard. Existența acestora nu a fost dovedită și există teorii alternative, cum ar fi teoriile MOND . A fost ipotezată și existența unei a cincea forțe .

Unificarea electro-slabă este o simetrie ruptă : forțele electromagnetice și cele slabe apar distincte la niveluri de energie scăzute, deoarece particulele care transportă forța slabă, bosonii W și Z au o masă de aproximativ 80 GeV / , în timp ce fotonul , care poartă forța electromagnetică, este lipsit de masă. La niveluri ridicate de energie, bosonii W și Z pot fi creați cu ușurință și natura unificată a forței devine evidentă. Se așteaptă ca marea unificare să funcționeze într-un mod similar, dar la energiile de ordinul lui GeV, mult mai mare decât cele realizabile cu orice accelerator de particule de pe Pământ. În mod similar, unificarea forței marii unificări cu gravitația este de așteptat la Energia Planck , cca GeV.

Poate părea prematur să căutăm o teorie a totul atunci când încă nu există dovezi clare ale unei forțe electronucleare și în timp ce atât de multe legi ale marii unificări ( GUT ) sunt încă propuse. De fapt, numele sugerează în mod deliberat hibrizi implicați. Cu toate acestea, mulți fizicieni cred că această unificare este posibilă, în parte datorită istoriei lor trecute de convergență către o singură teorie. Marile unificări supersimetrice par plauzibile nu numai datorită „frumuseții” lor teoretice, ci și pentru că implică în mod natural cantități mari de materie întunecată; forța inflaționistă poate fi, de asemenea, legată de fizica marii unificări (deși nu pare să formeze o parte inevitabilă a teoriei).

Cu toate acestea, marile unificări nu sunt în mod clar răspunsul final. Atât modelul standard actual, cât și marile unificări propuse sunt teorii cuantice de câmp care necesită utilizarea problematicii tehnice a renormalizării pentru a duce la răspunsuri semnificative. Acest lucru este de obicei luat ca un semn că acestea sunt doar teorii de câmp eficiente , omițând fenomenele cruciale care devin relevante doar la energii extrem de mari. Mai mult, incompatibilitatea dintre mecanica cuantică și relativitatea generală implică faptul că una sau ambele trebuie înlocuite de o teorie care încorporează gravitația cuantică .

Principala teorie a tuturor este în prezent teoria Superstring / M-theory ; Cercetarea cuantică a gravitației cuantice în buclă ar putea juca, probabil, un rol esențial într-o teorie a totul, dar nu acesta este obiectivul său principal. Aceste teorii încearcă să abordeze problema renormalizării prin stabilirea unor limite inferioare pentru posibilele scale de lungime. Teoria corzilor și supergravitatea (ambele considerate a fi cazuri limitative ale teoriei M încă nedefinite) presupun că universul are de fapt mai mult de trei dimensiuni ale spațiului și una a timpului, care sunt intuitive.

Motivația din spatele acestei abordări derivă din teoria Kaluza-Klein , în care se poate observa că prin aplicarea relativității generale unui univers cu cinci dimensiuni (cu cele patru dimensiuni obișnuite plus o dimensiune pliată mică) ajungem la același rezultat ca pentru relativitate. standard general pe patru dimensiuni cu adăugarea ecuațiilor lui Maxwell (electromagnetism, de asemenea, în patru dimensiuni). Acest lucru a dus apoi la lucrul intens asupra teoriilor cu un număr mare de dimensiuni, în speranța că aceasta va produce ecuații similare legilor cunoscute ale fizicii. Noțiunea de dimensiuni suplimentare ajută, de asemenea, la rezolvarea problemei ierarhiei, care este întrebarea de ce gravitația este mult mai slabă decât orice altă forță. Răspunsul comun este că gravitația „se dispersează” în alte dimensiuni în moduri diferite decât alte forțe.

La sfârșitul anilor 1990, s-a observat că o problemă comună mai multor teorii complet candidate (dar în special teoria șirurilor) a fost aceea că acestea nu constrângeau caracteristicile universului prezis. De exemplu, multe teorii ale gravitației cuantice pot crea universuri cu un număr arbitrar de dimensiuni sau cu constante cosmologice arbitrare. Chiar și teoria „standard” a șirurilor decadimensionale permite compactarea dimensiunilor „înfășurate” într-un număr imens de moduri diferite (o estimare este de 10 500 ), fiecare corespunzând unei colecții diferite de particule fundamentale și forțe cu energie redusă. Acest set de teorii este cunoscut sub numele de panorama teoriei șirurilor .

O soluție ipotetică este că multe sau toate aceste posibilități au fost realizate în unele dintre foarte multe universuri posibile, dar că doar un număr mic dintre ele sunt locuibile și, prin urmare, constantele fundamentale ale universului sunt în cele din urmă rezultatul principiului antropic. decât o consecință a teoriei tuturor.

Această abordare antropică este adesea criticată, deoarece teoria, suficient de flexibilă pentru a conține aproape toate observațiile, nu poate face predicții utile (adică falsificabile și verificabile). Din acest punct de vedere, teoria corzilor ar fi considerată o pseudostiință , întrucât ar fi o teorie infailibilă care este adaptată constant la rezultatele experimentale.

Starea potențială a unei teorii a totul

Nu se crede că nicio teorie fizică datată este exactă. În schimb, fizicienii au procedat cu o serie de „aproximări succesive” care permiteau predicții din ce în ce mai exacte asupra unui grup din ce în ce mai larg de fenomene. Prin urmare, unii fizicieni cred că este o greșeală să confundăm modelele teoretice cu adevărata natură a realității și cred că seria aproximărilor nu se va termina niciodată în „adevăr”. Einstein însuși și-a exprimat acest punct de vedere în câteva ocazii. [10] Din acest punct de vedere, am putea spera în mod rezonabil o teorie a tot ceea ce sinele încorporează în mod constant toate forțele cunoscute în prezent, dar nu se așteaptă să fie răspunsul final. Pe de altă parte, se susține adesea că, în ciuda complexității aparent din ce în ce mai mari a matematicii fiecărei noi teorii, într-un sens profund asociat cu simetria lor inerentă a gabaritului și numărul de constante fizice fundamentale , teoriile devin tot mai simple. În acest caz, procesul de simplificare nu ar putea continua la nesfârșit.

Există o dezbatere filosofică în cadrul comunității fizice pentru a stabili dacă o teorie la toate merită să fie numit legea fundamentală a universului. [11] Unul dintre puncte de vedere este poziția absolut reducționistă conform căreia teoria tuturor este legea fundamentală și toate celelalte teorii care se aplică în univers sunt o consecință a acesteia. Un alt punct de vedere este că legile emergente (denumite „legi plutitoare libere” de Steven Weinberg ), care guvernează comportamentul sistemelor complexe , ar trebui considerate la fel de fundamentale. Exemple sunt a doua lege a termodinamicii și teoria selecției naturale . Ideea este că, chiar dacă în universul nostru aceste legi descriu sisteme al căror comportament ar putea („în principiu”) să fie prezis de o teorie a totul, ele ar fi valabile și în universuri cu legi diferite de nivel scăzut, sub rezerva doar a câtorva condiții.foarte generice. În consecință, nu este util, nici măcar în principiu, să invocăm legi de nivel scăzut atunci când discutăm comportamentul sistemelor complexe. Unii susțin că această atitudine ar încălca aparatul de ras al lui Occam dacă s-ar formula o teorie complet valabilă. Nu este clar că există vreo idee a problemei în aceste dezbateri (de exemplu, între Steven Weinberg și Philip Anderson ), în afară de dreptul de a aplica cuvântul nobil „fundamental” subiectelor lor de interes respective.

Deși numele „Teoria a totul” sugerează determinismul citatului lui Laplace, acest lucru dă o impresie foarte înșelătoare. Determinismul este frustrat de natura probabilistică a predicțiilor mecanice, de sensibilitatea extremă la condițiile inițiale care duce la haos matematic și de dificultatea matematică extremă de a aplica teoria. Deci, chiar dacă actualul model standard de fizică a particulelor „în principiu” prezice toate fenomenele non-gravitaționale cunoscute, în practică doar câteva rezultate cantitative au fost derivate din teoria completă (de exemplu, masele unora dintre hadronii mai simpli) și aceste rezultate (în special masele de particule care sunt mai relevante pentru fizica cu energie scăzută) sunt mai puțin precise decât măsurătorile experimentale existente. O adevărată teorie a tuturor ar fi aproape sigur mai dificil de aplicat. Principalul motiv pentru căutarea unei Teorii a tuturor, în afară de satisfacția intelectuală absolută de a finaliza o căutare de secole, este că toate unificările de succes anterioare au prezis noi fenomene, dintre care unele au demonstrat o mare importanță practică (a se vedea exemplul generatoarelor electrice ) . Ca și în alte cazuri de teorii reducționiste, teoria tuturor ar permite, de asemenea, să definească cu încredere domeniul validității și eroarea reziduală a aproximărilor cu energie redusă la întreaga teorie, care ar putea fi apoi folosită pentru calcule practice.

Limite de la teorema incompletitudinii lui Gödel

Un număr mic de oameni de știință susțin că teoremele de incompletitudine ale lui Gödel demonstrează că orice încercare de a construi o teorie a totul este sortită eșecului. Teorema lui Gödel afirmă că orice teorie matematică nontrivială care are o descriere finită este fie inconsistentă, fie incompletă. În cartea sa din 1966, The Relevance of Physics (The relevance of physics), Stanley Jaki a observat că, întrucât fiecare „teorie a totul” ar fi cu siguranță o teorie matematică nontrivială consistentă trebuie să fie incompletă. El spune că acest lucru condamnă cercetarea unei teorii deterministe a tuturor. [12]

Freeman Dyson a susținut că

„Teorema lui Gödel implică faptul că matematica pură este inepuizabilă. Indiferent de câte probleme sunt rezolvate, vor exista întotdeauna alte probleme care nu pot fi rezolvate cu regulile existente. [...] Din cauza acestei teoreme, și fizica este inepuizabilă. Legile fizicii sunt un set finit de reguli și le includ pe cele ale matematicii, așa că teorema lui Gödel se aplică și acestora "

( Freeman Dyson )

Stephen Hawking a fost inițial un credincios în Teoria Totului, dar, după ce a luat în considerare Teorema lui Gödel, a ajuns la concluzia că nu se poate obține unul.

„Unii oameni ar fi foarte supărați dacă nu ar exista o teorie definitivă, care ar putea fi formulată ca un număr finit de principii. Am aparținut acelui grup de oameni, dar m-am răzgândit ".

( Stephen Hawking )

Acest punct de vedere a fost discutat de Jürgen Schmidhuber ( 1997 ), care a observat că teoremele lui Gödel sunt, de asemenea, irelevante pentru fizica calculabilă [13] . În 2000, Schmidhuber a construit în mod explicit universuri calculabile și deterministe a căror pseudo-aleatorie bazată pe probleme de oprire nedecidabile asemănătoare cu cele ale lui Gödel este extrem de dificil de detectat, dar nu evită absolut Teoriile formale ale Totului care pot fi descrise de foarte puțini biți de informații [14] [15] .

O critică a acestui fapt a fost oferită de Solomon Feferman , [16] împreună cu alții. Douglas S. Robertson oferă jocul vieții lui John Conway ca exemplu: [17] regulile de bază sunt simple și complete, dar există întrebări formal nedecidabile despre comportamentul jocului. În mod similar, ar putea (sau nu) să fie posibilă declararea completă a legilor intrinseci ale fizicii cu un număr finit de legi bine definite, dar există puține îndoieli că există întrebări cu privire la comportamentul sistemelor fizice care sunt formal nedecidabile pe baza a unor astfel de legi.intrinseci.

Întrucât mulți fizicieni ar considera declarația legilor intrinseci suficientă ca definiție a unei „teorii a totul”, acești cercetători susțin că Teorema lui Gödel nu înseamnă că o Teorie a Totului nu există. Pe de altă parte, se pare că fizicienii care invocă teorema lui Gödel, cel puțin în unele cazuri, se referă nu la legi intrinseci, ci la înțelegerea comportamentului tuturor sistemelor fizice, ca atunci când Hawking menționează dispunerea blocurilor în dreptunghiuri, transformând calculul numerelor prime într-o materie fizică. [18] Această discrepanță în definiții ar putea explica o parte a dezacordului dintre cercetători.

Teorii propuse

Cele mai acreditate teorii studiate sunt:

Teoria tuturor și filosofia

Starea unei teorii fizice a totul este deschisă dezbaterii filosofice , de exemplu, dacă fizicismul ar fi adevărat, o teorie fizică a tuturor ar coincide cu teoria filosofică a tuturor. Unii filozofi ( Platon , Aristotel , Immanuel Kant , Georg Wilhelm Friedrich Hegel , Alfred North Whitehead și alții) au încercat să construiască sisteme cuprinzătoare, în timp ce alții sunt extrem de îndoieli cu privire la realizarea unui astfel de exercițiu.

Notă

  1. ^ De exemplu, un străbunic al lui Ijon Tichy , un personaj dintr-o serie de povești științifico-fantastice ale lui Stanisław Lem din anii 1960 , lucra la „ Teoria generală a totul
  2. ^ John Ellis, Fizica devine fizică (corespondență) , în Nature , vol. 415, 2002, p. 957.
  3. ^ John Ellis, The superstring: theory of everything, or of nothing? , în Nature , vol. 323, 1986, pp. 595-598.
  4. ^ Stephen Hawking , De la Big Bang la Black Holes - O scurtă istorie a timpului , SuperPocket, 1998, p. 220, ISBN 88-462-0052-7 .
  5. ^ de ex. Steven Shapin,Revoluția științifică , University of Chicago Press, 1996, ISBN 0-226-75021-3 .
  6. ^ PAM Dirac, Mecanica cuantică a sistemelor cu mai mulți electroni , Proc. Royal Soc. Londra, Seria A, volumul 123, pagina 714, 1929
  7. ^ M. Faraday, Cercetări experimentale în electricitate. Serie Douăzeci și Patra. Despre relația posibilă a gravitației cu electricitatea , Rezumatele lucrărilor comunicate societății regale din Londra, volumul 5, paginile 994-995, 1850.
  8. ^ Pais , cap. 17 .
  9. ^ de ex. Weinberg , cap. 5
  10. ^ Einstein, scrisoare către Felix Klein, 1917. Citat în Pais (1982), Cap. 17.
  11. ^ de ex. Weinberg , cap. 2
  12. ^ Jaki, SL: "Relevance of Physics", Chicago Press , 1966
  13. ^ Jürgen Schmidhuber . Viziunea unui informatic despre viață, univers și totul. Note de curs în informatică, pp. 201-208, Springer, 1997: http://www.idsia.ch/~juergen/everything/
  14. ^ Jürgen Schmidhuber . Teorii algoritmice ale totul , 30 noiembrie 2000
  15. ^ Jürgen Schmidhuber . Ierarhii de complexități generalizate ale lui Kolmogorov și măsuri universale nenumărate calculabile în limită. Jurnalul internațional al bazelor de informatică 13 (4): 587-612, 2002
  16. ^ Feferman, S. Natura și semnificația teoremelor incompletei lui Gödel , Institute for Advanced Study, Princeton, 17 noiembrie 2006
  17. ^ Douglas S. Robertson, Goedel's Theorem, Theory of Everything, and the Future of Science and Mathematics , în Complexitate , vol. 5, 2007, pp. 22-27.
  18. ^ Stephen Hawking, Gödel și sfârșitul fizicii Depus 21 mai 2011 în Internet Archive ., 20 iulie 2002

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

Collegamenti esterni

Controllo di autorità GND ( DE ) 7507111-3
Fisica Portale Fisica : accedi alle voci di Wikipedia che trattano di fisica