Къс:
- защо съвременната физика е достигнала до задънена улица.
- че Айнщайн и Хокинг нямаха време да проучат.
- как да се комбинират квантовата механика и общата относителност.
С помощта на интернет можете да научите всичко - от дизайна на двигател с вътрешно горене до скоростта на разширяване на Вселената. Но има въпроси, отговорите на които не са известни не само от Google, но дори и от най-големите учени на нашето време.
Ако изведнъж имате късмет да говорите с последните носители на Нобелова награда по физика, не ги питайте за екзопланети и тъмна материя, те вече са казали това стотици пъти.
По-добре попитайте защо различните обекти в нашия свят се подчиняват на различни закони на физиката. Например защо планетите, звездите и другите големи обекти си взаимодействат помежду си, следвайки определени закони и частици на най-малкото ниво, като атомите, се подчиняват само на себе си.
Такъв въпрос ще озадачи непрофесионалиста, а образованият човек, отговаряйки на него, ще каже защо съвременната наука е спряла, каква е разликата между Стандартния модел на физиката и общата теория на относителността (по-нататък - GR), а също и защо всъщност значението на Хигс бозоните и теорията на струните случаят е надценен.
Промоционално видео:
Въпреки тези обяснения, никой, включително възкръсналият Алберт Айнщайн, няма да може да ви обясни различната природа на физическите явления на микро и макро ниво. Ако сами можете да разрешите този проблем - поздравления, вие сте първият автор на теорията за всичко, най-големият мозък в историята на човечеството, лауреатът на всички възможни награди и бащата (или майката) на новата физика.
Но преди да представим на света революционно откритие, е по-добре да разберем какво означава теорията на всичко, какви въпроси трябва да отговаря и кой е най-близо до нейното откриване.
Теорията на всичко е комбинация от две от най-известните концепции на съвременната физика - общата относителност на Алберт Айнщайн и квантовата механика. Първата теория описва всичко, което ни заобикаля под формата на пространство-време, както и взаимодействието на всички обекти във Вселената, използвайки само гравитация. Квантовата механика от своя страна описва взаимодействието на елементарни частици, използвайки три индикатора наведнъж - електромагнитно и силно / слабо ядрено взаимодействие.
По този начин, тя говори за гравитация и големи обекти като планети и звезди, а квантовата механика говори за елементарни частици и техните електромагнитни и слаби / силни ядрени взаимодействия. Ще се върнем към това малко по-късно.
Наследникът на Нютон
За първи път общата относителност беше изразена от Алберт Айнщайн. По това време млад служител на Австрийското патентно ведомство допълва класическата теория на гравитацията на Нютон и описва всички неизвестни в нея. По-специално, благодарение на това откритие, хората научиха какво всъщност представлява гравитацията и как тя определя взаимодействието не само между ябълката и Земята, но и между Слънцето и всички планети в Слънчевата система.
Айнщайн предположи, че пространството и времето са свързани помежду си и образуват единен пространствено-времева континуум - основа за появата на гравитационните сили на всички обекти. За разлика от теорията на Нютон, този континуум (или пространство-време) е гъвкав и може да променя формата си в зависимост от масата на обектите и съответно от тяхната енергия.
Хипотезите на Айнщайн бяха потвърдени на практика само преди няколко години, когато забелязаха как светлината - и съответно пространството - времето - се огъва, минавайки близо до масивен предмет - Слънцето - поради влиянието на гравитацията. Дори и без тези доказателства общата относителност отдавна е станала основа за съвременната физика и досега никой не е в състояние да предложи по-обосновано обяснение на гравитацията на телата и полетата в космоса.
Въпреки това, самото пространство-време все още е слабо разбрано и учените не знаят как се формира и от какво се състои. Отговорите на тези въпроси едва сега започват да се търсят в квантовата механика - теоретичен клон на физиката, който описва естеството на физическите явления на ниво молекули, атоми, електрони, фотони и други малки частици.
Квантова механика
Според теорията на Айнщайн абсолютно всички обекти във Вселената трябва да се поддават на гравитацията. Но едновременно с откриването на общата относителност, други учени изследват как обектите взаимодействат на субатомно ниво.
Оказа се, че гравитацията в такъв мащаб е напълно безполезна. Вместо това електромагнитните и слабите / силните ядрени взаимодействия станаха определящи. С помощта на тези сили най-малките частици си взаимодействат помежду си - фотони, глуони и бозони.
Но учените все още не знаят по какви принципи си взаимодействат тези частици, защото те могат да имат изключително висока енергийна плътност и все още не се поддават на гравитацията. Оттук - такива необясними явления като вълново-корпускуларен дуализъм (проявление на свойствата на една вълна от частица), както и ефектът на наблюдател с получения под формата на жива и мъртва котка на Шрьодингер.
Поради това два света на физиката се сблъскаха с челата си - Айнщайн, където всички обекти имат определени свойства, поддават се на гравитацията, могат да бъдат описани и предсказуеми, и квантови, където бушува напълно различен, непредсказуем живот, в който всичко постоянно се променя и изравнява концепцията за пространството. време като такова.
Какво трябва да се направи, за да се обединят тези два свята? Говорихме за гравитацията в общата относителност и за електромагнитното, силно / слабо ядрено взаимодействие в Стандартния модел на физиката. И така, гравитацията е почти перфектна, тя ни позволява да разберем почти всичко, което ни заобикаля, но не отчита това много необяснимо поведение на частиците на най-малкото ниво. Електромагнитното и силно / слабо ядрено взаимодействие е алтернативна част от физиката, която крие нови открития и представлява огромен резервоар за изследвания, но не взема предвид гравитационните закони на общата относителност.
Последният етап в изследванията и живота на Алберт Айнщайн беше създаването на теорията за квантовата гравитация, която да обедини всички възможни взаимодействия на обекти на макро и микро нива, а също така да обясни защо те се държат различно. Айнщайн никога не успя да намери отговори на тези въпроси и след него евентуалното обединение на общата относителност и квантовата механика започна да се нарича теория на всичко.
Теорията на всичко
В стремежа си към теория за всичко учените са изследвали някои от най-необичайните обекти във Вселената - черни дупки. Те са толкова тежки, че се поддават на гравитацията и са толкова сгъстени, че квантовите ефекти теоретично могат да се наблюдават при попадане в черна дупка. Но, за съжаление, досега, освен радиацията на Хокинг, която противоречи на квантовата механика, и скорошната снимка на хоризонта на събитията, черните дупки не помогнаха много на съвременната наука. Дори и да съществуват, достигането им е почти невъзможна задача за хората.
Те започнаха да търсят теория за всичко на Земята, използвайки различни мисловни експерименти и свойства на квантовата механика и общата относителност, които потенциално могат да се допълват взаимно.
Днес може би най-популярната и най-близката до истината версия на теорията на всичко е теорията на струните. В него се казва, че всяка частица е едномерна струна, която вибрира в 11-мерна реалност и в зависимост от тези вибрации се определя нейната маса и заряд.
Наред с другите, основното свойство на низ е, че той може да предава гравитацията на квантово ниво. Ако подобна теория беше потвърдена на практика, струните биха могли да бъдат първата стъпка към обединението на квантовата механика с обща относителност. Но, за съжаление, досега никой не успя да го докаже и декларира, че струните са носител на гравитацията на субатомно ниво. Точно както наскоро откритият бог на Хигс не се превърна в желания гравитон.
Да, все още не знаем откъде идва масата на много елементарни частици и по какъв принцип те си взаимодействат помежду си, но това не пречи на съвременните физици да предлагат все повече и повече нови „теории за всичко“.
Наскоро например физици от Китай, Германия и Канада тестваха теорията за квантовия дарвинизъм на Войчех Зурек, която уж обяснява как квантовите частици оставят следите си в наличния за нас макрокосмос. Но дори и в случай на потвърждаване на намирането на частици в две състояния едновременно, това е само потвърждение на взаимодействието на квантовата механика с обща относителност и по никакъв начин не е обяснение на това.
Друг американски теоретичен физик от Университета в Мериленд, Брайън Суингъл, се ангажира да опише естеството на произхода на пространството-времето и реши, че квантовото заплитане може да формира континуума на Айнщайн. Суингъл предположи, че четириизмерната структура на пространственото време (дължина, ширина, дълбочина и време) може да бъде кодирана в триизмерна квантова физика (със същите измерения, само без време). Според физика гравитацията и общата относителност трябва да се обясняват чрез свойствата на квантовата механика, а не обратното, което направи този експеримент доста противоречив.
Има десетки подобни сложни и дори добре обосновани теории, но никоя от тях все още не може да се нарече теория на всичко. Може би това е добре, тъй като човекът се опитва да разбере как взаимодействат атомите и звездите само през миналия век, а Вселената съществува от почти 14 милиарда години.
Най-известният съвременен изследовател на теорията на всичко - Стивън Хокинг - в края на живота си стигна до извода, че е невъзможно да се намери. Но това не се превърна в разочарование за него, а както каза по-късно, напротив, доведе до разбирането, че човек ще се развива постоянно: „Сега се радвам, че нашето търсене на разбиране никога няма да приключи и че винаги ще преживяваме нови открития … Без това щяхме да стоим неподвижно."
