もし...物理学の基本的な問題を解決できたらどうなるでしょうか。 すべては何も得られない理論を待っている

暗黒物質と暗黒エネルギー、宇宙の始まりの謎、重力の性質、反物質に対する物質の優位性、時間の方向、重力と他の物理的相互作用の統合などの謎に対する解決策は何でしょうか。いわゆる万物の理論に至るまで、自然の力を一つの主要な力に偉大に統合することが、私たちに与えてくれるでしょうか？

アインシュタインによれば および他の多くの優れた現代物理学者にとって、物理学の目標はまさに万物の理論 (TH) を作成することです。 ただし、そのような理論の概念は明確ではありません。 Theory of Everything (ToE) として知られる、これはすべてを一貫して説明する仮説的な物理理論です。 物理現象 あらゆる実験の結果を予測することができます。 今日では、このフレーズは通常、次のこととの関係を確立しようとする理論を説明するために使用されます 一般相対性理論。 これまでのところ、これらの理論はどれも実験的に確認されていません。

現在、TWであると主張する最も先進的な理論は、ホログラフィック原理に基づいています。 11次元M理論。 それはまだ開発されておらず、実際の理論ではなく開発の方向性であると多くの人が考えています。

多くの科学者は、最も基本的で論理的な意味で、「万物の理論」のようなものが可能であるかどうかさえ疑問に思っています。 クルト・ゲーデルの定理 十分に複雑な論理システムは、内部的に矛盾している (文とその中の矛盾は証明できる) か、不完全である (証明できない自明の真の文が存在する) のどちらかである、と彼は言います。 スタンリー・ジャッキーは 1966 年に、TW は複雑で一貫した数学理論でなければならないため、必然的に不完全になるだろうと指摘しました。

すべてのものには、特別で独創的で感情的な理論の方法があります。 ホログラフィック仮説 (1)、問題を少し異なるレベルに移します。 ブラックホールの物理学は、私たちの宇宙が私たちの感覚によって教えられるものではないことを示しているようです。 私たちを取り囲む現実はホログラムである可能性があります。 二次元平面の投影。 これはゲーデルの定理自体にも当てはまります。 しかし、そのような万物理論は何か問題を解決するのでしょうか、そしてそれは私たちが文明の課題に立ち向かうことを可能にするのでしょうか？

宇宙について説明します。 しかし、どんな宇宙なのでしょうか？

現在、ほぼすべての物理現象を説明する XNUMX つの包括的な理論があります。 アインシュタインの重力理論 （一般相対性理論） ｉ． XNUMX つ目は、サッカー ボールから銀河に至るまでのマクロオブジェクトの動きをよく説明します。 彼は原子と素粒子について非常に知識が豊富です。 問題はそれです これら XNUMX つの理論は私たちの世界をまったく異なって説明しています。 量子力学では、出来事は固定された背景に対して発生します。 時空 – 一方、w は柔軟です。 曲がった時空の量子論はどのように見えるでしょうか? 我々は知りません。

すべての統一理論を作成する最初の試みは、出版直後に現れました。 一般相対性理論核戦力を支配する基本法則を理解する前に。 として知られるこれらの概念 カルツィ・クライン理論、重力と電磁気を組み合わせようとしました。

何十年もの間、物質が次のものから構成されていると想像する超弦理論が研究されてきました。 小さな振動する弦 潤滑油 エネルギーループを作成するのに最適であると考えられています。 統一物理理論。 ただし、物理学者の中には k を好む人もいます。斜張ループ重力そこでは宇宙空間自体が小さな輪で構成されています。 ただし、弦理論もループ量子重力も実験的にテストされていません。

大統一理論 (GUT) は、量子色力学と電弱相互作用の理論を組み合わせたもので、強い力、弱い力、および電磁力を 1032 つの統一された力の現れとして示します。 しかし、これまでの大統一理論はどれも実験による確認を受けていませんでした。 大統一理論の共通の特徴は、陽子崩壊の予測です。 このプロセスはまだ観察されていません。 したがって、陽子の寿命は少なくとも XNUMX 年でなければなりません。

1968 年の標準モデルは、強い力、弱い力、電磁力を 100 つの包括的な傘の下にまとめました。 すべての粒子とその相互作用が考慮され、統一に関する大きな予測を含む多くの新しい予測がなされました。 100 GeV (単一の電子を XNUMX 億ボルトの電位まで加速するのに必要なエネルギー) 程度の高エネルギーでは、電磁相互作用と弱い相互作用を統合する対称性が回復します。

新しいものの存在が予測され、1983 年の W ボソンと Z ボソンの発見により、これらの予測が確認されました。 主力XNUMX部隊はXNUMX部隊に減った。 統一の考え方は、標準模型の XNUMX つの力すべてと、おそらくはより高いエネルギーの重力が XNUMX つの構造に結合するというものです。

2. 標準モデルを記述するラングランジュ方程式は、XNUMX つの要素に分割されます。

さらに高いエネルギーでは、おそらく約 プランクスケール、重力も結合します。 これが弦理論の主な動機の XNUMX つです。 これらのアイデアで非常に興味深いのは、統一を望むなら、より高いエネルギーで対称性を回復する必要があるということです。 そして、それらが現在壊れている場合、これは観察可能な何か、新しい粒子と新しい相互作用につながります。

標準モデルのラグランジアンは、粒子 i を記述する唯一の方程式です。 標準モデルの影響 (2)。 これは 1 つの独立した部分で構成されています。方程式のゾーン XNUMX のグルーオン、XNUMX とマークされた部分の弱ボソン、XNUMX とマークされた部分は、物質が弱い力とヒッグス場とどのように相互作用するかを数学的に説明したもので、過剰な力を差し引くゴースト粒子です。第 XNUMX 部のヒッグス場と第 XNUMX 部で説明される精霊 ファジェエフ・ポポフこれは弱い相互作用の冗長性に影響します。 ニュートリノの質量は考慮されていません。

しかし 標準モデル 単一の方程式として書くことができますが、宇宙のさまざまな要素を支配する多くの個別の独立した式が存在するという意味では、実際には均質な全体ではありません。 標準モデルの個々の部分は、色電荷が電磁力や弱い力に影響を与えないため、互いに相互作用しません。また、強い相互作用での CP 対称性の破れなど、発生するはずの相互作用がなぜ発生しないのかについては未解決の疑問が残ります。操作する。 行われる。

対称性が回復すると（電位のピーク時に）、統一が起こります。 しかし、その最下部での対称性の破れは、新しいタイプの巨大粒子とともに、今日私たちがいる宇宙に相当します。 それでは、この理論は「全体として」どのようなものであるべきでしょうか? 存在するもの、つまり本物の非対称の宇宙、または対称的だが最終的には私たちが扱っている宇宙ではありません。

「完成品」モデルの欺瞞的な美しさ

ラース・イングリッシュは、著書『There Is No Theory of Everything』の中で、すべてを解決できる単一のルールは存在しないと主張しています。 一般相対性理論と量子力学を組み合わせるなぜなら、量子レベルで真実であることが、重力レベルでは必ずしも真実であるとは限らないからです。 そして、システムが大きく複雑になればなるほど、その構成要素との差異も大きくなります。 「これらの重力の法則が量子力学に矛盾しているということではなく、量子物理学から導き出すことができないということです」と彼は書いている。

すべての科学は、意図的か否かにかかわらず、それらの存在を前提としています。 客観的な物理法則それには、物理​​宇宙とその中のすべての挙動を記述する、相互に互換性のある一連の基本的な物理公準が必要となります。 もちろん、そのような理論は、存在するすべての完全な説明や記述を必要とするわけではありませんが、おそらく、テスト可能なすべての物理プロセスを網羅的に説明します。 論理的に言えば、TW をこのように理解することですぐに得られる利点の XNUMX つは、理論が否定的な結果を予測するような実験をやめることができることです。

ほとんどの物理学者は研究をやめて、研究ではなく教えることで生計を立てなければならないだろう。 しかし、一般の人々はおそらく、重力が時空の曲率の観点から説明できるかどうかを気にしていません。

もちろん、別の可能性もあります。宇宙は単純に統一されないということです。 私たちが到達した対称性は単に私たち自身の数学的発明であり、物理宇宙を説明するものではありません。

Nautil.Us への痛烈な記事の中で、フランクフルト高等研究所の科学者ザビーネ・ホッセンフェルダー (3) は、「万物の理論という考え方全体が非科学的な仮定に基づいている」と評価しました。 「これは科学理論を発展させるための良い戦略ではありません。 (…) 理論開発において美しさに依存することは歴史的にうまく機能しませんでした。」 彼女の意見では、自然をすべての理論によって説明する理由はありません。 自然法則の論理的矛盾を回避するには重力の量子理論が必要ですが、標準模型の力は統一する必要はなく、重力で統一する必要もありません。 確かにそれはいいですが、それは不必要です。 標準モデルは統一しなくてもうまく機能すると研究者は強調する。 物理学者が美しい数学をどのように考えるかなど、自然は明らかに気にしていない、とホッセンフェルダー女史は怒って言う。 物理学では、理論開発におけるブレークスルーは、美しく「完全な」モデルではなく、数学的矛盾の解決に関連付けられています。

こうした冷静な勧告にもかかわらず、ギャレット・リシの 2007 年の『例外的に単純な万物理論』など、新しい万物理論の提案が絶えず提案されています。 それはProf.という特異性を持っています。 ホッセンフェルダーは美しく、魅力的なビジュアルで美しく表現できます (4)。 E8 と呼ばれるこの理論は、宇宙を理解する鍵は次のとおりであると述べています。 対称的なロゼットの形をした数学的オブジェクト.

Lisi は、既知の物理的相互作用も考慮したグラフ上に素粒子をプロットすることにより、この構造を作成しました。 その結果、248 点からなる複雑な XNUMX 次元の数学的構造が得られました。 これらの各点は、異なる特性を持つ粒子を表します。 この図には、「欠落している」特定の特性を持つ粒子のグループがあります。 これらの「欠けているもの」の少なくとも一部は理論的には重力と関係があり、量子力学と一般相対性理論の間のギャップを橋渡しします。

4. E8 可視化理論

したがって、物理学者はフォックスのロゼットを満たすために努力しなければなりません。 これが成功したら、何が起こるでしょうか？ 多くの人は皮肉を込めて、それは特別なことではないと答えます。 それだけで美しい絵が完成します。 この構造は、「すべての理論」を完成させた場合の実際の結果がどのようなものになるかを示すため、この意味で価値があると言えます。 おそらく実用的な意味では重要ではありません。