E se... resolvermos problemas fundamentais da física. Tudo está esperando por uma teoria da qual nada pode vir

O que nos dará a resposta para mistérios como matéria escura e energia escura, o mistério do início do Universo, a natureza da gravidade, a vantagem da matéria sobre a antimatéria, a direção do tempo, a unificação da gravidade com outras interações físicas , a grande unificação das forças da natureza em um básico, até a chamada teoria de tudo ?

De acordo com Einstein e muitos outros físicos modernos notáveis, o objetivo da física é precisamente criar uma teoria de tudo (TV). No entanto, o conceito de tal teoria não é inequívoco. Conhecida como a teoria de tudo, ToE é uma teoria física hipotética que descreve consistentemente tudo fenômenos físicos e permite que você preveja o resultado de qualquer experimento. Hoje em dia, esta frase é comumente usada para descrever teorias que tentam fazer uma conexão com teoria geral da relatividade. Até agora, nenhuma dessas teorias recebeu confirmação experimental.

Atualmente, a teoria mais avançada que afirma ser TW é baseada no princípio holográfico. Teoria M de 11 dimensões. Ela ainda não foi desenvolvida e é considerada por muitos como uma direção de desenvolvimento, em vez de uma teoria real.

Muitos cientistas duvidam que algo como uma "teoria de tudo" seja possível e, no sentido mais básico, baseado na lógica. Teorema de Kurt Gödel diz que qualquer sistema lógico suficientemente complexo é internamente inconsistente (pode-se provar uma sentença e sua contradição nela) ou incompleto (há sentenças trivialmente verdadeiras que não podem ser provadas). Stanley Jackie observou em 1966 que a TW deve ser uma teoria matemática complexa e coerente, por isso será inevitavelmente incompleta.

Há uma maneira especial, original e emocional da teoria de tudo. hipótese holográfica (1), transferindo a tarefa para um plano ligeiramente diferente. A física dos buracos negros parece indicar que nosso universo não é o que nossos sentidos nos dizem. A realidade que nos cerca pode ser um holograma, ou seja, projeção de um plano bidimensional. Isso também se aplica ao próprio teorema de Gödel. Mas essa teoria de tudo resolve algum problema, nos permite enfrentar os desafios da civilização?

Descreva o universo. Mas o que é o universo?

Atualmente, temos duas teorias abrangentes que explicam quase todos os fenômenos físicos: A teoria da gravidade de Einstein (relatividade geral) i. A primeira explica bem o movimento de macro objetos, desde bolas de futebol até galáxias. ele é muito bem informado sobre átomos e partículas subatômicas. O problema é que essas duas teorias descrevem nosso mundo de maneiras completamente diferentes. Na mecânica quântica, os eventos ocorrem contra um fundo fixo. espaço-tempo – enquanto w é flexível. Como será a teoria quântica do espaço-tempo curvo? Nós não sabemos.

As primeiras tentativas de criar uma teoria unificada de tudo apareceram logo após a publicação teoria geral da relatividadeantes de entendermos as leis fundamentais que governam as forças nucleares. Esses conceitos, conhecidos como Teoria de Kaluzi-Klein, procurou combinar gravidade com eletromagnetismo.

Durante décadas, a teoria das cordas, que representa a matéria como sendo feita de pequenas cordas vibrantes ou circuito de energia, é considerado o melhor para criar teoria unificada da física. No entanto, alguns físicos preferem kgravidade de loop estaiadoem que o próprio espaço exterior é feito de pequenos laços. No entanto, nem a teoria das cordas nem a gravidade quântica em loop foram testadas experimentalmente.

Grandes teorias unificadas (GUTs), combinando a cromodinâmica quântica e a teoria das interações eletrofracas, representam as interações fortes, fracas e eletromagnéticas como uma manifestação de uma única interação. No entanto, nenhuma das grandes teorias unificadas anteriores recebeu confirmação experimental. Uma característica comum da grande teoria unificada é a previsão do decaimento do próton. Este processo ainda não foi observado. Segue-se disso que o tempo de vida de um próton deve ser de pelo menos 1032 anos.

O Modelo Padrão de 1968 unificou as forças forte, fraca e eletromagnética sob um guarda-chuva abrangente. Todas as partículas e suas interações foram consideradas, e muitas novas previsões foram feitas, incluindo uma grande previsão de unificação. Em altas energias, da ordem de 100 GeV (a energia necessária para acelerar um único elétron a um potencial de 100 bilhões de volts), a simetria que unifica as forças eletromagnética e fraca será restaurada.

A existência de novos foi prevista, e com a descoberta dos bósons W e Z em 1983, essas previsões foram confirmadas. As quatro forças principais foram reduzidas a três. A ideia por trás da unificação é que todas as três forças do Modelo Padrão, e talvez até a energia mais alta da gravidade, sejam combinadas em uma estrutura.

2. A equação de Langrange que descreve o Modelo Padrão, dividida em cinco componentes.

Alguns sugeriram que em energias ainda mais altas, talvez em torno de Escala de Planck, a gravidade também se combinará. Esta é uma das principais motivações da teoria das cordas. O que é muito interessante sobre essas idéias é que se queremos unificação, temos que restaurar a simetria em energias mais altas. E se eles estão atualmente quebrados, isso leva a algo observável, novas partículas e novas interações.

A Lagrangiana do Modelo Padrão é a única equação que descreve partículas i influência do Modelo Padrão (2). Consiste em cinco partes independentes: sobre glúons na zona 1 da equação, bósons fracos na parte marcada com dois, marcada com três, é uma descrição matemática de como a matéria interage com a força fraca e o campo de Higgs, partículas fantasmas que subtraem o excesso do campo de Higgs em partes do quarto, e os espíritos descritos em cinco Fadeev-Popovque afetam a redundância da interação fraca. As massas de neutrinos não são levadas em consideração.

Embora Modelo padrão podemos escrevê-lo como uma única equação, não é realmente um todo homogêneo no sentido de que existem muitas expressões separadas e independentes que governam os vários componentes do universo. Partes separadas do Modelo Padrão não interagem umas com as outras, porque a carga de cor não afeta as interações eletromagnéticas e fracas, e as perguntas permanecem sem resposta por que as interações que deveriam ocorrer, por exemplo, violação de CP em interações fortes, não funcionam. tomar lugar.

Quando as simetrias são restauradas (no pico do potencial), ocorre a unificação. No entanto, a quebra de simetria na parte inferior é consistente com o universo que temos hoje, juntamente com novos tipos de partículas massivas. Então, o que "de tudo" deveria ser essa teoria? Aquele que é, ou seja. um universo assimétrico real, ou uno e simétrico, mas, em última análise, não aquele com o qual estamos lidando.

A beleza enganosa dos modelos "completos"

Lars English, em The No Theory of Everything, argumenta que não existe um conjunto único de regras que combinar a relatividade geral com a mecânica quânticaporque o que é verdade no nível quântico não é necessariamente verdade no nível da gravidade. E quanto maior e mais complexo o sistema, mais ele difere de seus elementos constituintes. “O ponto não é que essas regras da gravidade contradizem a mecânica quântica, mas que elas não podem ser derivadas da física quântica”, escreve ele.

Toda ciência, intencionalmente ou não, se baseia na premissa de sua existência. leis físicas objetivasque envolvem um conjunto mutuamente compatível de postulados físicos fundamentais que descrevem o comportamento do universo físico e tudo nele. É claro que tal teoria não envolve uma explicação ou descrição completa de tudo o que existe, mas, muito provavelmente, descreve exaustivamente todos os processos físicos verificáveis. Logicamente, um dos benefícios imediatos de tal compreensão do TW seria interromper experimentos nos quais a teoria prevê resultados negativos.

A maioria dos físicos terá que parar de pesquisar e ganhar a vida ensinando, não pesquisando. No entanto, o público provavelmente não se importa se a força da gravidade pode ser explicada em termos da curvatura do espaço-tempo.

Claro, existe outra possibilidade - o Universo simplesmente não se unirá. As simetrias a que chegamos são simplesmente nossas próprias invenções matemáticas e não descrevem o universo físico.

Em um artigo de destaque para o Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), cientista do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, avaliou que “toda a ideia de uma teoria de tudo é baseada em uma suposição não científica”. “Esta não é a melhor estratégia para desenvolver teorias científicas. (…) A confiança na beleza no desenvolvimento da teoria tem historicamente funcionado mal.” Para ela, não há razão para que a natureza seja descrita por uma teoria de tudo. Embora precisemos de uma teoria quântica da gravidade para evitar uma inconsistência lógica nas leis da natureza, as forças no Modelo Padrão não precisam ser unificadas e não precisam ser unificadas com a gravidade. Seria bom, sim, mas é desnecessário. O modelo padrão funciona bem sem unificação, enfatiza o pesquisador. A natureza claramente não se importa com o que os físicos acham que é uma bela matemática, diz Hossenfelder com raiva. Na física, os avanços no desenvolvimento teórico estão associados à solução de inconsistências matemáticas, e não a modelos bonitos e "acabados".

Apesar dessas advertências sóbrias, novas propostas para uma teoria de tudo estão sendo constantemente apresentadas, como The Exceptionally Simple Theory of Everything, de Garrett Lisi, publicado em 2007. Tem a característica que o Prof. Hossenfelder é lindo e pode ser mostrado lindamente com visualizações atraentes (4). Essa teoria, chamada E8, afirma que a chave para entender o universo é objeto matemático na forma de uma roseta simétrica.

Lisi criou essa estrutura traçando partículas elementares em um gráfico que também leva em conta as interações físicas conhecidas. O resultado é uma estrutura matemática complexa de oito dimensões de 248 pontos. Cada um desses pontos representa partículas com propriedades diferentes. Há um grupo de partículas no diagrama com certas propriedades que estão "faltando". Pelo menos alguns desses "ausentes" teoricamente têm algo a ver com a gravidade, preenchendo a lacuna entre a mecânica quântica e a relatividade geral.

4. Teoria da visualização E8

Assim, os físicos têm que trabalhar para preencher o "soquete Fox". Se for bem-sucedido, o que acontecerá? Muitos respondem sarcasticamente que nada de especial. Apenas uma imagem bonita seria concluída. Essa construção pode ser valiosa nesse sentido, pois nos mostra quais seriam as reais consequências de completar uma “teoria de tudo”. Talvez insignificante em um sentido prático.