Наистина ли имаме нужда от теория за всичко?

Ваня Милева Последна промяна на 26 април 2023 в 00:01 15661 0

Вселената се разширява

Кредит NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU) и Palomar Digitized Sky Survey

Вселената става все по-голяма всяка секунда. Пространството между галактиките се разтяга като тесто, което втасва. Но колко бързо се разширява Вселената? Докато Хъбъл и други телескопи се опитват да отговорят на този въпрос, те се натъкват на интригуваща разлика между това, което учените прогнозират, и това, което наблюдават. Това е изглед от наземен телескоп на Големия Магеланов облак, сателитна галактика на нашия Млечен път. Вмъкнатото изображение, направено от космическия телескоп Хъбъл, разкрива един от многото звездни купове, разпръснати из галактиката джудже. Членовете на клъстера включват специален клас пулсиращи звезди, наречени цефеидни променливи, които изсветляват и потъмняват с предвидима скорост, която съответства на присъщата й яркост. След като астрономите определят тази стойност, те могат да изчислят точното разстояние до галактиката.

Намирането на теория за всичко – обясняваща всички сили и частици във Вселената – може би е Светият граал на физиката. Въпреки че всяка от основните ѝ теории работи изключително добре, те също така си противоречат една на друга, което кара физиците да търсят по-дълбока, по-фундаментална теория.

Но наистина ли имаме нужда от теория за всичко? И близо ли сме до постигането на такава?

Нашите две най-добри теории за природата са квантовата механика и Общата теория на относителността, описващи съответно най-малкия и най-големия мащаб на Вселената. Всяка от тях е изключително успешна и е експериментално тествана отново и отново. Проблемът е, че те са несъвместими една с друга по много начини – включително математически.

„Общата теория на относителността е свързана изцяло с геометрията. Това е начинът, по който пространството се изкривява и как пространство-времето – тази единна единица, която съдържа трите измерения на пространството и едно времево измерение – само по себе си също е извито“, обяснява Влатко Ведрал (Vlatko Vedral), професор по физика в Оксфордския университет, Великобритания. „Квантовата физика всъщност е изцяло свързана с алгебрата.“

Физиците вече са успели да обединят квантовата теория с другата голяма теория на Айнщайн - Специалната теория на относителността (обясняваща как скоростта влияе върху масата, времето и пространството). Заедно те образуват рамка, наречена „квантова теория на полето“, която е основата за Стандартния модел на физиката на частиците – нашата най-добра рамка за описание на най-основните градивни елементи на Вселената.

Стандартният модел описва три от четирите фундаментални сили във Вселената – електромагнетизма и „силните“ и „слабите“ взаимодействия, които управляват атомното ядро ​​– с изключение на гравитацията. (вж "Стандартният модел на елементарните частици", "Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената" )

Въпреки че Стандартният модел обяснява повечето от експериментите по физика на елементарните частици, има няколко пропуски. За да се преодолее това, е предложено разширение, наречено „суперсиметрия“, което предполага, че частиците са свързани чрез дълбока връзка. Суперсиметрията предполага, че всяка частица има „супер партньор“ със същата маса, но противоположен спин. За съжаление, ускорителите на частици като Големия адронен колайдер в Церн в Швейцария не успяват да намерят доказателства за суперсиметрия – въпреки че това бе една от целите, заради които е проектиран. (вж "Пет мистерии, които Големият адронен колайдер трябва да разгадае")

От друга страна, има скорошни намеци както от Големия адронен колайдер, така и от Fermilab в САЩ, които предполагат, че може да има пета сила на природата. Ако тези резултати могат да бъдат възпроизведени и потвърдени като действителни открития, това би имало последици за обединяването на квантовата механика и гравитацията. (вж "Физици потвърждават откриването на пета сила на природата")

„Мисля, че [откриването на нова сила] би било невероятно“, коментира Ведрал. „Това е предизвикателство към представата, която съществува вече повече от половин век, че има четири основни сили“.

Ведрал твърди, че първото нещо, което трябва да направим, ако открием пета сила, ще бъде да установим дали тя може да бъде описана от квантовата механика.

Ако може, това би означавало, че квантовата теория в крайна сметка може да бъде по-фундаментална от Общата теория на относителността, отчитайки четири от петте сили – което предполага, че Общата теория на относителността в крайна сметка може да се наложи да бъде модифицирана. Ако не може да бъде описана от квантовата механика, това би разтърсило физиката – което предполага, че може да се наложи да променим и квантовата механика.

Но какво трябва да включва една теория за всичко?

Ще бъде ли достатъчно да обединим гравитацията и квантовата механика? А какво ще правим с другите мистериозни свойства като тъмната енергия, която кара Вселената да се разширява с ускорена скорост, или тъмната материя, невидимото вещество, съставляващо по-голямата част от материята във Вселената?

Както обяснява Чанда Прескод-Вайнщайн (Chanda Prescod-Weinstein), асистент по физика и астрономия в Университета на Ню Хемпшир в САЩ, физиците предпочитат да използват термина „теория на квантовата гравитация“ пред „теория на всичко“.

„Тъмната материя и тъмната енергия са по-голямата част от енергийното съдържание на материята във Вселената. Така че всъщност не е теория за всичко, ако не отчита по-голямата част от енергийното съдържание на материята във Вселената“, твърди Прескод-Вайнщайн. „Ето защо се радвам, че всъщност не използваме „теорията на всичко“ в нашата работа.“

Въпреки че може да не обяснят всичко, съществуват няколко предложени теории за квантовата гравитация. Едната е теорията на струните, която предполага, че вселената в крайна сметка е съставена от малки, вибриращи струни. Друга е примковата квантова гравитация, която предполага, че пространство-времето на Айнщайн възниква от квантови ефекти.

„Една от силните страни на теорията на струните е, че тя е изградена върху квантовата теория на полето“, обяснява Прескод-Вайнщайн. „Тя носи целия Стандартен модел със себе си, а примковата квантова гравитация не действа по същия начин.“

Но теорията на струните също има своите слабости, твърди Прескод-Вайнщайн, като например изискването за допълнителни измерения, за които никога не сме виждали никакви доказателства.

Теориите са трудни за експериментално тестване – изискват много повече енергия, отколкото можем да произведем в която и да е лаборатория. Ведрал твърди, че въпреки че в крайна сметка не можем директно да изследваме малките мащаби, необходими за намиране на доказателства за теориите за квантовата гравитация, може да е възможно да усилим такива ефекти, така че да можем косвено да ги наблюдаваме в по-големи мащаби с експерименти на маса.

Чуйте шестия и последен епизод на подкаста "Големите загадки на физиката" на The Conversation:

Източник: Great Mysteries of Physics: do we really need a theory of everything? The Conversation

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !