Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о физической концепции. Для использования в других целях, см Теория всего (значения) .
За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированные данные детектора частиц CMS на большом адронном коллайдере, изображающие бозон Хиггса, образованный сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Свидетельство
Теории
Суперсимметрия
  • MSSM
  • NMSSM
  • Теория суперструн
  • М-теория
  • Супергравитация
  • Нарушение суперсимметрии
  • Дополнительные размеры
  • Большие дополнительные размеры
Квантовая гравитация
  • Ложный вакуум
  • Струнная теория
  • Отжим пена
  • Квантовая пена
  • Квантовая геометрия
  • Петлевая квантовая гравитация
  • Квантовая космология
  • Петлевая квантовая космология
  • Причинная динамическая триангуляция
  • Причинные фермионные системы
  • Причинные множества
  • Каноническая квантовая гравитация
  • Полуклассическая гравитация
  • Теория сверхтекучего вакуума
Эксперименты
  • ЭННИ
  • Гран Сассо
  • Я НЕ
  • LHC
  • SNO
  • Супер-К
  • Теватрон
  • Новая звезда
  • v
  • т
  • е

Теория всего ( ОО [1] или ToE ), окончательная теория , конечная теория , или теория мастера гипотетические одиночные, всеохватывающая, когерентная теоретическая основа физики , которая полностью объясняет и связывает воедино все физические аспекты вселенной . [2] : 6 Поиск TOE - одна из основных нерешенных проблем физики . [3] Теория струн и М-теория.были предложены как теории всего. За последние несколько столетий были разработаны две теоретические основы, которые в совокупности больше всего напоминают ОО. Эти две теории, на которых основана вся современная физика, - это общая теория относительности и квантовая механика . Общая теория относительности - это теоретическая основа, которая фокусируется только на гравитации для понимания Вселенной в областях как большого масштаба, так и большой массы: звезд, галактик, скоплений галактик и т. Д. С другой стороны, квантовая механика - это теоретическая основа, которая фокусируется только на три негравитационные силы для понимания Вселенной в областях малых масштабов и малой массы: субатомные частицы, атомы, молекулы и т. д. Квантовая механика успешно реализовалаСтандартная модель , описывающая три негравитационных силы - сильное ядерное , слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие - а также все наблюдаемые элементарные частицы. [4] : 122

Общая теория относительности и квантовая механика были полностью доказаны в своих отдельных областях. Поскольку обычные области применимости общей теории относительности и квантовой механики сильно различаются, в большинстве ситуаций требуется использовать только одну из двух теорий. [5] [6] : 842–844 Однако две теории считаются несовместимыми в областях чрезвычайно малых масштабов - масштабах Планка - таких, как те, которые существуют в пределах черной дыры или на начальных стадиях развития Вселенной (т. Е. момент сразу после Большого взрыва). Чтобы устранить несовместимость, необходимо открыть теоретическую основу, раскрывающую более глубокую основную реальность, объединяющую гравитацию с тремя другими взаимодействиями, чтобы гармонично интегрировать области общей теории относительности и квантовой механики в единое целое: ТОЭ - это единая теория, которая в принцип, способен описать все явления во Вселенной.

Преследуя эту цель, квантовая гравитация стала одной из областей активных исследований. Одним из примеров является теория струн, которая превратилась в кандидата на ОО, но не без недостатков (в первую очередь, отсутствия в настоящее время проверяемых предсказаний ) и противоречий. Теория струн утверждает, что в начале Вселенной (до 10 -43 секунды после Большого взрыва) четыре фундаментальные силы когда-то были единой фундаментальной силой. Согласно теории струн, каждая частица во Вселенной на самом микроскопическом уровне ( длина Планка), состоит из различных комбинаций вибрирующих струн (или нитей) с предпочтительными формами вибрации. Теория струн далее утверждает, что именно благодаря этим особым колебательным паттернам струн создается частица с уникальной массой и силовым зарядом (то есть электрон - это тип струны, который колеблется в одну сторону, а верхний кварк - это тип колебания струны по-другому и т. д.).

Имя [ редактировать ]

Первоначально термин « теория всего» использовался с иронической ссылкой на различные чрезмерно обобщенные теории. Например, дед Ийона Tichy - персонаж из цикла Станислава Лема «s научной фантастики рассказов 1960 - х годов - была известна работа по„ Общей теории Everything “. Физик Харальд Фрич использовал этот термин в своих лекциях 1977 года в Варенне. [7] Физик Джон Эллис утверждает [8], что ввел этот термин в техническую литературу в статье в Nature в 1986 году. [9] Со временем этот термин закрепился в популяризацияхтеоретические исследования физики .

Исторические предшественники [ править ]

От античности до 19 века [ править ]

Многие древние культуры, такие как вавилонские астрономы и индийская астрономия, изучали структуру семи классических планет на фоне звезд , их интерес состоял в том, чтобы связать небесное движение с человеческими событиями ( астрология ), и цель состояла в том, чтобы предсказывать события, записывая события на фоне звезд. измерение времени, а затем поищите повторяющиеся закономерности. Споры о том, есть ли у Вселенной начало или вечные циклы , восходят к древней Вавилонии . [10] Индуистская космологияпостулирует, что время бесконечно с циклической вселенной, где текущая вселенная предшествовала и будет следовать за бесконечным числом вселенных. [11] [12] Шкалы времени, упомянутые в индуистской космологии, соответствуют шкалам современной научной космологии. Его циклы простираются от обычного дня и ночи до дня и ночи Брахмы длиной 8,64 миллиарда лет. [13]

Натурфилософия из атомизма появилась в нескольких древних традициях. В древней греческой философии , в досократической философы полагают , что кажущееся разнообразие наблюдаемых явлений было связано с одним типом взаимодействия, а именно движений и столкновений атомов. Концепция «атома», предложенная Демокритом, была ранней философской попыткой объединить явления, наблюдаемые в природе. Понятие «атом» также появилось в ньяя - Вайшешик школы древней индийской философии .

Архимед, возможно, был первым философом, который описал природу с помощью аксиом (или принципов), а затем вывел из них новые результаты. Подобным образом ожидается, что любая «теория всего» будет основана на аксиомах и выводит из них все наблюдаемые явления. [14] : 340

Следуя более ранней атомистической мысли, механическая философия 17 века постулировала, что все силы могут быть в конечном итоге сведены к силам контакта между атомами, которые затем можно представить как крошечные твердые частицы. [15] : 184 [16]

В конце 17 века описание Исаака Ньютона силы тяжести на больших расстояниях подразумевало, что не все силы в природе возникают в результате соприкосновения предметов. Работа Ньютона в его математических принципах естественной философии занимался этим в другом примере объединения, в данном случае объединяющим Галилео «работу с на земной гравитации, Кеплер » законы s планетарного движения и явление приливов и отливов , объясняя эти очевидные мероприятия при расстояние по одному единственному закону: закон всемирного тяготения . [17]

В 1814 году, основываясь на этих результатах, Лаплас предположил, что достаточно мощный интеллект мог бы, если бы он знал положение и скорость каждой частицы в данный момент, наряду с законами природы, вычислить положение любой частицы в любое другое время. : [18] : ch 7

Интеллект, который в определенный момент знал бы все силы, приводящие в движение природу, и все положения всех элементов, из которых состоит природа, если бы этот интеллект был также достаточно обширен, чтобы представить эти данные для анализа, он бы объединил в единой формуле движения величайших тел вселенной и мельчайшего атома; для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, предстало бы перед его глазами.

-  Философский очерк о вероятностях , Введение. 1814 г.

Таким образом, Лаплас рассматривал комбинацию гравитации и механики как теорию всего. Современная квантовая механика подразумевает, что неопределенность неизбежна , и поэтому видение Лапласа должно быть изменено: теория всего должна включать гравитацию и квантовую механику. Даже игнорируя квантовую механику, теории хаоса достаточно, чтобы гарантировать, что будущее любой достаточно сложной механической или астрономической системы непредсказуемо.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом, положив начало десятилетиям работы, завершившейся в 1865 году теорией электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла . В течение 19 и начала 20 веков постепенно стало очевидно, что многие общие примеры сил - контактные силы, упругость , вязкость , трение и давление - возникают в результате электрических взаимодействий между мельчайшими частицами материи.

В своих экспериментах 1849–1850 годов Майкл Фарадей был первым, кто попытался объединить гравитацию с электричеством и магнетизмом. [19] Однако он не нашел никакой связи.

В 1900 году Дэвид Гильберт опубликовал знаменитый список математических задач. В шестой проблеме Гильберта он призвал исследователей найти аксиоматическую основу всей физики. Таким образом, в этой проблеме он спросил о том, что сегодня можно было бы назвать теорией всего. [20]

Начало 20 века [ править ]

В конце 1920-х годов новая квантовая механика показала, что химические связи между атомами являются примерами (квантовых) электрических сил, оправдывая хвастовство Дирака , что «основные физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей физики в целом. химии, таким образом, полностью известны ". [21]

После 1915 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации ( общую теорию относительности ), поиск единой теории полясочетание гравитации с электромагнетизмом началось с возобновления интереса. Во времена Эйнштейна сильные и слабые взаимодействия еще не были открыты, но он обнаружил, что потенциальное существование двух других различных сил, гравитации и электромагнетизма, гораздо более заманчиво. Это положило начало его тридцатилетнему путешествию в поисках так называемой «единой теории поля», которая, как он надеялся, покажет, что эти две силы на самом деле являются проявлением одного великого, лежащего в основе принципа. В течение последних нескольких десятилетий его жизни это стремление отдалило Эйнштейна от остального мейнстрима физики, поскольку мейнстрим, напротив, был гораздо более взволнован возникающей структурой квантовой механики. Эйнштейн писал другу в начале 1940-х годов: «Я стал одиноким стариком, которого знают главным образом потому, что он не знает».t носить носки и выставляется как диковинка по особым случаям ».Гуннар Нордстрем , Герман Вейл , Артур Эддингтон , Дэвид Гильберт , [22] Теодор Калуца , Оскар Кляйн (см. Теорию Калуцы – Клейна ) и, в первую очередь, Альберт Эйнштейн и его сотрудники. Эйнштейн всерьез искал, но в конечном итоге не смог найти объединяющую теорию [23] : глава 17 (см. Уравнения Эйнштейна – Максвелла – Дирака).

Конец 20 века и ядерные взаимодействия [ править ]

В двадцатом веке поиск объединяющей теории был прерван открытием сильных и слабых ядерных взаимодействий, которые отличаются как от гравитации, так и от электромагнетизма. Еще одним препятствием было признание того, что в ОО квантовую механику нужно было включить с самого начала, а не возникать как следствие детерминированной единой теории, как надеялся Эйнштейн.

Гравитация и электромагнетизм могут сосуществовать как записи в списке классических сил, но в течение многих лет казалось, что гравитация не может быть включена в квантовую структуру, не говоря уже об объединении с другими фундаментальными силами. По этой причине работа по объединению на протяжении большей части двадцатого века была сосредоточена на понимании трех сил, описываемых квантовой механикой: электромагнетизма и слабых и сильных взаимодействий. Первые два были объединены в 1967–68 Шелдоном Глэшоу , Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в электрослабую силу. [24] Электрослабое объединение - это нарушенная симметрия.: электромагнитные и слабые силы кажутся разными при низких энергиях, потому что частицы, несущие слабое взаимодействие, W- и Z-бозоны , имеют ненулевые массы (80,4 ГэВ / c 2 и91,2 ГэВ / c 2 соответственно), тогда как фотон , несущий электромагнитную силу, не имеет массы. При более высоких энергиях могут быть легко созданы W-бозоны и Z-бозоны, и объединенная природа силы становится очевидной.

Хотя сильные и электрослабые взаимодействия сосуществуют в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, они остаются разными. Таким образом, поиск теории всего остается безуспешным: не удалось достичь ни объединения сильных и электрослабых сил, которые Лаплас назвал бы «контактными силами», ни объединения этих сил с гравитацией.

Современная физика [ править ]

Обычная последовательность теорий [ править ]

Теория Всего объединит все фундаментальные взаимодействия природы: гравитацию , сильное взаимодействие , слабое взаимодействие и электромагнетизм . Поскольку слабое взаимодействие может преобразовывать элементарные частицы из одного вида в другой, ОО должен также предсказывать все возможные типы частиц. Обычный предполагаемый путь теорий представлен на следующем графике, где каждый шаг объединения ведет на один уровень вверх на графе.

Теория всего
Квантовая гравитация
Кривизна пространстваЭлектронно- ядерная сила ( GUT )
Стандартная модель космологииСтандартная модель физики элементарных частиц
Сильное взаимодействие
SU (3)		Электрослабое взаимодействие
SU (2) x U (1) Y
Слабое взаимодействие
SU (2)		Электромагнетизм
U (1) EM
ЭлектричествоМагнетизм

На этом графике электрослабое объединение происходит при энергии около 100 ГэВ, великое объединение прогнозируется при 10 16 ГэВ, а объединение силы GUT с гравитацией ожидается при энергии Планка , примерно 10 19 ГэВ.

Было предложено несколько теорий Великого Объединения (GUT) для объединения электромагнетизма и слабых и сильных взаимодействий. Великое объединение означало бы существование электроядерной силы; ожидается, что оно начнется при энергиях порядка 10 16 ГэВ, что намного больше, чем могло бы быть достигнуто любым реально осуществимым в настоящее время ускорителем частиц . Хотя простейшие GUT экспериментально исключены, идея теории великого единства, особенно когда она связана с суперсимметрией, остается любимым кандидатом в сообществе теоретической физики. Суперсимметричные GUT кажутся правдоподобными не только из-за их теоретической «красоты», но и потому, что они естественным образом производят большие количества темной материи, а также потому, что инфляционная сила может быть связана с физикой GUT (хотя, похоже, это не является неизбежной частью теории) . И все же GUT явно не окончательный ответ; как текущая стандартная модель, так и все предлагаемые GUT являются квантовыми теориями поля, которые требуют проблемной техники перенормировки для получения разумных ответов. Обычно это считается признаком того, что это только эффективные теории поля , без учета важнейших явлений, актуальных только при очень высоких энергиях. [5]

Последний шаг на графике требует разрешения разделения между квантовой механикой и гравитацией, что часто приравнивается к общей теории относительности . Многие исследователи концентрируют свои усилия на этом конкретном шаге; тем не менее, общепринятой теории квантовой гравитации и, следовательно, общепринятой теории всего не возникло. Обычно предполагается, что ОО также решит оставшиеся проблемы GUT.

В дополнение к объяснению сил, перечисленных на графике, TOE может также объяснить статус по крайней мере двух сил-кандидатов, предложенных современной космологией : инфляционная сила и темная энергия . Кроме того, космологические эксперименты также предполагают существование темной материи , предположительно состоящей из элементарных частиц, выходящих за рамки стандартной модели. Однако существование этих сил и частиц не было доказано.

Теория струн и М-теория [ править ]

Нерешенная проблема в физике :

Является ли теория струн , теория суперструн , или М-теория , или какой - то другой вариант на эту тему, шаг на пути к «теории всего», или просто в тупик?

(больше нерешенных задач по физике)

С 1990-х годов некоторые физики, такие как Эдвард Виттен, считают, что 11-мерная М-теория , которая в некоторых пределах описывается одной из пяти пертурбативных теорий суперструн , а в другом - максимально суперсимметричной 11-мерной супергравитацией , является теорией. из всего. Однако по этому вопросу нет единого мнения.

Одно замечательное свойство струнной / М-теории состоит в том, что для непротиворечивости теории требуются дополнительные измерения. В этом отношении теория струн может рассматриваться как основанная на идеях теории Калуцы – Клейна , в которой было реализовано, что применение общей теории относительности к пятимерной Вселенной (с одной из них маленькой и свернутой) [ требуется пояснение ] выглядит с четырехмерной точки зрения как обычная общая теория относительности вместе с электродинамикой Максвелла . Это подтвердило идею объединения калибровки и гравитации.взаимодействия и дополнительных измерений, но не учитывали подробные экспериментальные требования. Другим важным свойством теории струн является суперсимметрии , которая вместе с дополнительными измерениями два основных предложения по решению проблемы иерархии в стандартной модели , которая является (грубо говоря) вопрос о том, почему гравитация настолько слабее , чем любая другая сила. Дополнительное измерение включает в себя разрешение гравитации распространяться в другие измерения, в то же время удерживая другие силы в четырехмерном пространстве-времени, идея, которая была реализована с помощью явных струнных механизмов. [25]

Исследования в области теории струн стимулировались множеством теоретических и экспериментальных факторов. С экспериментальной стороны, содержание частиц в стандартной модели, дополненной массами нейтрино, вписывается в спинорное представление SO (10) , подгруппы E8, которая обычно возникает в теории струн, например, в гетеротической теории струн [26] или (иногда эквивалентно) в F-теории . [27] [28] В теории струн есть механизмы, которые могут объяснить, почему фермионы относятся к трем иерархическим поколениям, и объяснить скорость смешивания между поколениями кварков. [29]С теоретической точки зрения он начал решать некоторые ключевые вопросы квантовой гравитации , такие как разрешение информационного парадокса черной дыры , подсчет правильной энтропии черных дыр [30] [31] и учет процессов, изменяющих топологию . [32] [33] [34] Это также привело к многим открытиям в чистой математике и в обычной, сильно связанной калибровочной теории из-за дуальности калибровки / струны .

В конце 1990-х годов было отмечено, что одним из основных препятствий на этом пути является то, что количество возможных четырехмерных вселенных невероятно велико. Маленькие, «свернутые» дополнительные измерения могут быть компактифицированы огромным количеством различных способов (одна оценка - 10 500  ), каждый из которых приводит к различным свойствам частиц и сил с низкой энергией. Этот набор моделей известен как ландшафт теории струн . [14] : 347

Одно из предлагаемых решений состоит в том, что многие или все эти возможности реализуются в той или иной из огромного числа вселенных, но лишь небольшое их количество пригодно для жизни. Следовательно, то, что мы обычно воспринимаем как фундаментальные константы Вселенной, в конечном итоге является результатом антропного принципа, а не продиктовано теорией. Это привело к критике теории струн [35], утверждающей, что она не может делать полезных (т.е. оригинальных, опровергаемых и проверяемых) предсказаний, и рассматривая ее как лженауку . Другие не согласны [36], и теория струн остается активной темой исследований в теоретической физике . [37]

Петлевая квантовая гравитация [ править ]

Текущие исследования петлевой квантовой гравитации могут в конечном итоге сыграть фундаментальную роль в теории теории , но это не его основная цель. [38] Также петлевая квантовая гравитация вводит нижнюю границу возможных масштабов длины.

Недавно появились заявления о том, что петлевая квантовая гравитация может воспроизводить особенности, напоминающие Стандартную модель . До сих пор только первое поколение фермионов ( лептонов и кварков ) с правильными свойствами четности было смоделировано Сандэнсом Билсоном-Томпсоном с использованием преонов, составленных из кос пространства-времени в качестве строительных блоков. [39] Однако не существует вывода лагранжиана , который описывал бы взаимодействия таких частиц, и невозможно показать, что такие частицы являются фермионами, или что реализуются калибровочные группы или взаимодействия Стандартной модели. Использование квантовых вычисленийконцепции позволили продемонстрировать, что частицы способны выдерживать квантовые флуктуации . [40]

Эта модель приводит к интерпретации электрического и цветового заряда как топологических величин (электрического как количества и хиральности скручиваний на отдельных лентах и ​​цвета как вариантов такого скручивания для фиксированного электрического заряда).

В оригинальной статье Билсона-Томпсона было высказано предположение, что фермионы более высокого поколения могут быть представлены более сложными плетениями, хотя явные конструкции этих структур не были даны. Электрический заряд, цвет и четность таких фермионов возникли бы так же, как и для первого поколения. Модель была явно обобщена для бесконечного числа поколений и для слабых силовых бозонов (но не для фотонов или глюонов) в статье Билсона-Томпсона, Хакетта, Кауфмана и Смолина в 2008 году. [41]

Другие попытки [ править ]

Среди других попыток развить теорию всего является теория систем причинная ТФ , [42] дает две текущие физические теории ( общая теория относительности и квантовая теория поля ) в качестве предельных случаев.

Другая теория называется причинными множествами . Как и в случае некоторых из упомянутых выше подходов, его прямая цель не обязательно заключается в достижении ОО, а в первую очередь в рабочей теории квантовой гравитации, которая в конечном итоге может включать стандартную модель и стать кандидатом на ОО. Его основополагающий принцип заключается в том, что пространство-время принципиально дискретно и что пространственно-временные события связаны частичным порядком . Этот частичный порядок имеет физический смысл причинных отношений между относительным прошлым и будущим, различающих пространственно-временные события.

Причинно-динамическая триангуляция не предполагает какой-либо ранее существовавшей арены (размерного пространства), а скорее пытается показать, как сама ткань пространства-времени развивается.

Другая попытка может быть связана с ER = EPR , гипотезой в физике, утверждающей, что запутанные частицы связаны червоточиной (или мостом Эйнштейна – Розена). [43]

Текущий статус [ править ]

В настоящее время не существует кандидатской теории всего, которая включает стандартную модель физики элементарных частиц и общую теорию относительности и в то же время способна вычислить постоянную тонкой структуры или массу электрона . [3] Большинство физиков элементарных частиц ожидают, что результат текущих экспериментов - поиск новых частиц на больших ускорителях частиц и темной материи - необходим для обеспечения дальнейших исходных данных для TOE.

Аргументы против [ править ]

Параллельно с интенсивными поисками TOE различные ученые серьезно обсуждали возможность его открытия.

Теорема Гёделя о неполноте [ править ]

Ряд ученых утверждают, что теорема Гёделя о неполноте предполагает, что любая попытка построить ОО обречена на провал. Теорема Гёделя, неофициально сформулированная, утверждает, что любая формальная теория, достаточная для выражения элементарных арифметических фактов и достаточно сильная для их доказательства, либо несовместима (как утверждение, так и его опровержение могут быть выведены из его аксиом), либо неполна в том смысле, что существует истинное утверждение, которое нельзя вывести в формальной теории.

Стэнли Джаки в своей книге «Актуальность физики» 1966 года указал, что, поскольку любая «теория всего» непременно будет последовательной нетривиальной математической теорией, она должна быть неполной. Он утверждает, что эта гибель ищет детерминистскую теорию всего. [44]

Фримен Дайсон заявил, что «теорема Гёделя подразумевает, что чистая математика неисчерпаема. Независимо от того, сколько проблем мы решаем, всегда будут другие проблемы, которые не могут быть решены в рамках существующих правил. […] Из-за теоремы Гёделя физика тоже неисчерпаема. . Законы физики - это конечный набор правил, включающий в себя правила выполнения математических задач, так что теорема Гёделя применима к ним ». [45]

Стивен Хокинг изначально верил в теорию всего, но после рассмотрения теоремы Гёделя он пришел к выводу, что ее невозможно получить. «Некоторые люди будут очень разочарованы, если не будет окончательной теории, которую можно сформулировать как конечное число принципов. Раньше я принадлежал к этому лагерю, но передумал». [46]

Юрген Шмидхубер (1997) возражает против этой точки зрения; он указывает, что теоремы Гёделя не имеют отношения к вычислимой физике. [47] В 2000 году Шмидхубер явно сконструировал предельно вычислимые детерминированные вселенные, чья псевдослучайность, основанная на неразрешимых , геделевских проблемах остановки, чрезвычайно трудно обнаружить, но совсем не препятствует формальным TOE, описываемым очень небольшим количеством битов информации. [48]

Соответствующая критика была предложена , среди прочих, Соломоном Феферманом [49] . Дуглас С. Робертсон приводит в качестве примера игру жизни Конвея : [50] Основные правила просты и полны, но есть формально неразрешимые вопросы о поведении игры. Аналогичным образом, возможно (а может и не получиться) полностью сформулировать основные правила физики с помощью конечного числа четко определенных законов, но нет никаких сомнений в том, что есть вопросы о поведении физических систем, которые формально неразрешимы на практике. основы этих основополагающих законов.

Поскольку большинство физиков сочли бы заявление основных правил достаточным в качестве определения «теории всего», большинство физиков утверждают, что теорема Гёделя не означает, что ОО не может существовать. С другой стороны, ученые, ссылающиеся на теорему Гёделя, по-видимому, по крайней мере в некоторых случаях, ссылаются не на основные правила, а на понятность поведения всех физических систем, как, например, когда Хокинг упоминает расположение блоков в прямоугольники, превращая вычисление простых чисел в физический вопрос. [51] Это несоответствие в определениях может объяснить некоторые разногласия между исследователями.

Фундаментальные ограничения точности [ править ]

На сегодняшний день ни одна физическая теория не считается точной. Вместо этого физика использовала серию «последовательных приближений», позволяющих делать все более и более точные предсказания для все более и более широкого круга явлений. Некоторые физики считают, что ошибочно путать теоретические модели с истинной природой реальности, и считают, что ряд приближений никогда не закончится «истиной». Сам Эйнштейн иногда высказывал эту точку зрения. [52] После этой точки зрения, мы можем обоснованно надеяться на в теории все , что самосогласованного включает в себя все известные в настоящее время силы, но мы не должны ожидать , что это будет окончательный ответ.

С другой стороны, часто утверждается, что, несмотря на очевидно постоянно возрастающую сложность математики каждой новой теории, в глубоком смысле, связанном с лежащей в их основе калибровочной симметрией и количеством безразмерных физических констант , теории становятся проще. В этом случае процесс упрощения не может продолжаться бесконечно.

Отсутствие фундаментальных законов [ править ]

Существует философская дискуссия в сообществе физики, чтобы заслуживает ли теория всего называть в основной закон Вселенной. [53] Одно из взглядов - это жесткая редукционистская позиция, согласно которой ОО является фундаментальным законом, а все другие теории, применимые во вселенной, являются следствием ОО. Другая точка зрения состоит в том, что возникающие законы, управляющие поведением сложных систем , должны рассматриваться как столь же фундаментальные. Примеры возникающих законов - второй закон термодинамики и теория естественного отбора.. Сторонники эмерджентности утверждают, что эмерджентные законы, особенно те, которые описывают сложные или живые системы, не зависят от микроскопических законов низкого уровня. С этой точки зрения возникающие законы столь же фундаментальны, как и Теория Всего.

Дебаты не проясняют суть спора. Возможно, единственная проблема, которая стоит на кону, - это право применять высокостатусный термин «фундаментальный» к соответствующим предметам исследования. Хорошо известные дебаты по этому поводу произошли между Стивеном Вайнбергом и Филипом Андерсоном [ ссылка ] . [54]

Невозможность быть «всем» [ править ]

Хотя название «теория всего» предполагает детерминизм цитаты Лапласа, это производит очень обманчивое впечатление. Детерминизм расстраивается из-за вероятностной природы квантово-механических предсказаний, из-за крайней чувствительности к начальным условиям, которая приводит к математическому хаосу , из-за ограничений, связанных с горизонтом событий, и из-за крайней математической сложности применения теории. Таким образом, хотя текущая стандартная модель физики элементарных частиц «в принципе» предсказывает почти все известные негравитационные явления, на практике только несколько количественных результатов были получены из полной теории (например, массы некоторых простейших адронов), и эти результаты (особенно массы частиц, которые наиболее важны для физики низких энергий) менее точны, чем существующие экспериментальные измерения. Даже в классической механике остаются нерешенными проблемы, такие как турбулентность , хотя уравнения известны веками. ОО почти наверняка было бы еще труднее применить для предсказания экспериментальных результатов, и поэтому он может иметь ограниченное применение.

Мотивом для поиска ОО, [ необходимая цитата ] помимо чистого интеллектуального удовлетворения от завершения многовекового поиска, является то, что предыдущие примеры объединения предсказали новые явления, некоторые из которых (например, электрические генераторы ) оказались очень полезными на практике. важность. И, как и в этих предыдущих примерах унификации, ОО, вероятно, позволит нам уверенно определить область применимости и остаточную ошибку низкоэнергетических приближений к полной теории.

Теории обычно не учитывают очевидные явления сознания или свободы воли , которые вместо этого часто являются предметом философии и религии .

Бесконечное количество слоев лука [ править ]

Фрэнк Клоуз регулярно утверждает, что слои природы могут быть подобны слоям лука, и что количество слоев может быть бесконечным. [55] Это подразумевает бесконечную последовательность физических теорий.

Невозможность расчета [ править ]

Вайнберг [56] указывает, что вычислить точное движение реального снаряда в атмосфере Земли невозможно. Итак, как мы можем узнать, что у нас есть адекватная теория для описания движения снарядов? Вайнберг предполагает, что мы знаем принципы (законы движения и гравитации Ньютона), которые «достаточно хорошо» работают для простых примеров, таких как движение планет в пустом пространстве. Эти принципы настолько хорошо работают на простых примерах, что мы можем быть достаточно уверены, что они будут работать и для более сложных примеров. Например, хотя общая теория относительностивключает уравнения, не имеющие точных решений, она широко признана в качестве действительной теории, поскольку все ее уравнения с точными решениями были экспериментально проверены. Точно так же ОО должен работать с широким кругом простых примеров таким образом, чтобы мы могли быть достаточно уверены, что он будет работать для любой ситуации в физике.

См. Также [ править ]

  • Абсолют (философия)
  • Аргумент от красоты
  • Аттрактор
  • За пределами черных дыр
  • Помимо стандартной модели
  • Большой взрыв
  • cGh физика
  • Хронология Вселенной
  • Электрослабое взаимодействие
  • ER = EPR
  • Голографический принцип
  • Математическая красота
  • Гипотеза математической вселенной
  • Мультивселенная
  • Интерпретация Пенроуза
  • Масштаб относительности
  • Стандартная модель (математическая формулировка)
  • Теория сверхтекучего вакуума (SVT)
  • Теория всего (фильм, 2014)
  • Хронология Большого взрыва
  • Единая теория поля
  • Вселенная с нулевой энергией

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Fran De Aquino (1999). «Теория всего». arXiv : gr-qc / 9910036 .
  2. ^ Стивен Вайнберг (2011-04-20). Мечты об окончательной теории: поиск ученых высших законов природы . Knopf Doubleday Publishing Group. ISBN 978-0-307-78786-6.
  3. ^ a b Овербай, Деннис (23 ноября 2020 г.). «Может ли компьютер разработать теорию всего? - Это возможно, говорят физики, но не в ближайшее время. И нет никакой гарантии, что мы, люди, поймем результат» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 23 ноября 2020 года .
  4. ↑ Стивен В. Хокинг (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Книги Феникса; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.
  5. ^ a b Карлип, Стивен (2001). «Квантовая гравитация: отчет о прогрессе». Отчеты о достижениях физики . 64 (8): 885–942. arXiv : gr-qc / 0108040 . Bibcode : 2001RPPh ... 64..885C . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 64/8/301 .
  6. ^ Сусанна Hornig Priest (14 июля 2010). Энциклопедия науки и техники связи . Публикации SAGE. ISBN 978-1-4522-6578-0.
  7. ^ Фрич, Харальд (1977). «МИР ВКУСА И ЦВЕТА». Отчет ЦЕРН . Ссылка TH.2359-CERN.(загрузить с http://cds.cern.ch/record/875256/files/CM-P00061728.pdf )
  8. ^ Эллис, Джон (2002). «Физика становится физической (по переписке)» . Природа . 415 (6875): 957. Bibcode : 2002Natur.415..957E . DOI : 10.1038 / 415957b . PMID 11875539 . 
  9. ^ Эллис, Джон (1986). «Суперструна: теория всего или ничего?». Природа . 323 (6089): 595–598. Bibcode : 1986Natur.323..595E . DOI : 10.1038 / 323595a0 .
  10. ^ Ходж, Джон С. (2012). Теория всего: скалярная потенциальная модель большого и малого . С. 1–13, 99. ISBN 9781469987361.
  11. ^ Сушил Миттал, Джин Терсби (2012). Индуистский мир . Рутледж. п. 284. ISBN 9781134608751.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  12. ^ Эндрю Циммерман Джонс (2009). Теория струн для чайников . Джон Вили и сыновья. п. 262. ISBN. 9780470595848.
  13. ^ Саган, Карл. (2006). Космос .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  14. ^ a b Крис Импи (26 марта 2012 г.). Как это начиналось: Путеводитель по Вселенной для путешественников во времени . WW Нортон. ISBN 978-0-393-08002-5.
  15. ↑ Уильям Э. Бернс (1 января 2001 г.). Научная революция: энциклопедия . ABC-CLIO. ISBN 978-0-87436-875-8.
  16. ^ Шапин, Стивен (1996). Научная революция . Издательство Чикагского университета . ISBN 978-0-226-75021-7.
  17. ^ Ньютон, сэр Исаак (1729). Математические основы естественной философии . II . п. 255.
  18. ^ Шон Кэрролл (2010). Из вечности сюда: поиски окончательной теории времени . Penguin Group США. ISBN 978-1-101-15215-7.
  19. ^ Фарадей, М. (1850). «Экспериментальные исследования в области электричества. Двадцать четвертая серия. О возможной связи силы тяжести с электричеством» . Отрывки из статей, переданных Лондонскому королевскому обществу . 5 : 994–995. DOI : 10,1098 / rspl.1843.0267 .
  20. ^ Горбань, Александр Н .; Карлин, Илья (2013). «Шестая проблема Гильберта: точные и приближенные гидродинамические многообразия для кинетических уравнений». Бюллетень Американского математического общества . 51 (2): 187. arXiv : 1310.0406 . Bibcode : 2013arXiv1310.0406G . DOI : 10.1090 / S0273-0979-2013-01439-3 .
  21. Перейти ↑ Dirac, PAM (1929). «Квантовая механика многоэлектронных систем» . Труды Королевского общества Лондона . 123 (792): 714–733. Bibcode : 1929RSPSA.123..714D . DOI : 10.1098 / RSPA.1929.0094 .
  22. ^ Majer, U .; Зауэр, Т. (2005). «Мировые уравнения» Гильберта и его видение единой науки . Исследования Эйнштейна. 11 . С. 259–276. arXiv : физика / 0405110 . Bibcode : 2005ugr..book..259M . DOI : 10.1007 / 0-8176-4454-7_14 . ISBN 978-0-8176-4454-3.
  23. ↑ Авраам Паис (23 сентября 1982 г.). Тонкий Господь: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-152402-8.
  24. ^ Вайнберг (1993), гл. 5
  25. Перейти ↑ Holloway, M (2005). "Красота Бранеса" (PDF) . Scientific American . 293 (4): 38–40. Bibcode : 2005SciAm.293d..38H . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1005-38 . PMID 16196251 . Проверено 13 августа 2012 года .  
  26. ^ Нилл, Ханс Петер; Рамос-Санчес, Сауль; Рац, Майкл; Vaudrevange, Патрик KS (2009). «От струнных к МССМ». Европейский физический журнал C . 59 (2): 249–267. arXiv : 0806.3905 . Bibcode : 2009EPJC ... 59..249N . DOI : 10.1140 / epjc / s10052-008-0740-1 .
  27. ^ Бизли, Крис; Хекман, Джонатан Дж; Вафа, Джумран (2009). «GUT и исключительные браны в F-теории - I». Журнал физики высоких энергий . 2009 (1): 058. arXiv : 0802.3391 . Bibcode : 2009JHEP ... 01..058B . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2009/01/058 .
  28. ^ Донаги, Рон; Wijnholt, Martijn (2008). "Построение модели с помощью F-теории". arXiv : 0802.2969v3 [ hep-th ].
  29. ^ Хекман, Джонатан Дж .; Вафа, Джумран (2010). «Иерархия вкусов из F-теории». Ядерная физика Б . 837 (1): 137–151. arXiv : 0811.2417 . Bibcode : 2010NuPhB.837..137H . DOI : 10.1016 / j.nuclphysb.2010.05.009 .
  30. ^ Строминджер, Эндрю; Вафа, Джумрун (1996). «Микроскопическое происхождение энтропии Бекенштейна-Хокинга». Физика Письма Б . 379 (1–4): 99–104. arXiv : hep-th / 9601029 . Bibcode : 1996PhLB..379 ... 99S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (96) 00345-0 .
  31. ^ Горовиц, Гэри. «Происхождение энтропии черных дыр в теории струн». arXiv : gr-qc / 9604051 .
  32. ^ Грин, Брайан Р .; Моррисон, Дэвид Р .; Строминджер, Эндрю (1995). «Конденсация черных дыр и объединение струнного вакуума». Ядерная физика Б . 451 (1–2): 109–120. arXiv : hep-th / 9504145 . Bibcode : 1995NuPhB.451..109G . DOI : 10.1016 / 0550-3213 (95) 00371-X .
  33. ^ Аспинуолл, Пол S .; Грин, Брайан Р .; Моррисон, Дэвид Р. (1994). «Пространство модулей Калаби-Яу, зеркальные многообразия и изменение топологии пространства-времени в теории струн». Ядерная физика Б . 416 (2): 414. arXiv : hep-th / 9309097 . Bibcode : 1994NuPhB.416..414A . DOI : 10.1016 / 0550-3213 (94) 90321-2 .
  34. ^ Адамс, Аллан ; Лю, Сяо; МакГриви, Джон; Солтман, Алекс; Сильверштейн, Ева (2005). «Все разваливается: топология меняется от намотанных тахионов». Журнал физики высоких энергий . 2005 (10): 033. arXiv : hep-th / 0502021 . Bibcode : 2005JHEP ... 10..033A . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2005/10/033 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  35. ^ Смолин, Ли (2006). Проблема с физикой: расцвет теории струн, падение науки и что будет дальше . Хоутон Миффлин. ISBN 978-0-618-55105-7.
  36. Перейти ↑ Duff, MJ (2011). «Теория струн и М: ответы критикам». Основы физики . 43 (1): 182–200. arXiv : 1112.0788 . Bibcode : 2013FoPh ... 43..182D . DOI : 10.1007 / s10701-011-9618-4 .
  37. ^ Чуйская, Glennda (1 мая 2007). «Великие дебаты о струнах» . Журнал Симметрия . Проверено 17 октября 2018 .
  38. ↑ Поттер, Франклин (15 февраля 2005 г.). «Лептоны и кварки в дискретном пространстве-времени» (PDF) . Самоцветы науки Фрэнка Поттера . Проверено 1 декабря 2009 .
  39. ^ Билсон-Томпсон, Сандэнс О .; Маркопулу, Фотини; Смолин, Ли (2007). «Квантовая гравитация и стандартная модель». Классическая и квантовая гравитация . 24 (16): 3975–3994. arXiv : hep-th / 0603022 . Bibcode : 2007CQGra..24.3975B . DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 24/16/002 .
  40. ^ Кастельвекки, Давиде; Валери Джеймисон (12 августа 2006 г.). «Вы сделаны из пространства-времени» . Новый ученый (2564).
  41. ^ Сандэнс Билсон-Томпсон; Джонатан Хакетт; Лу Кауфман; Ли Смолин (2008). «Идентификация частиц по симметриям инвариантов плетеной ленточной сети». arXiv : 0804.0037 [ hep-th ].
  42. ^ Ф. Финстер; Дж. Кляйнер (2015). «Причинно-фермионные системы как кандидат в единую физическую теорию». Журнал физики: Серия конференций . 626 (2015): 012020. arXiv : 1502.03587 . Bibcode : 2015JPhCS.626a2020F . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 626/1/012020 .
  43. Рианна Коуэн, Рон (16 ноября 2015 г.). «Квантовый источник пространства-времени». Природа . 527 (7578): 290–293. Bibcode : 2015Natur.527..290C . DOI : 10.1038 / 527290a . PMID 26581274 . 
  44. ^ Jaki, SL (1966). Актуальность физики . Чикаго Пресс. С. 127–130.
  45. ^ Freeman Dyson, NYRB, 13 мая 2004
  46. ↑ Стивен Хокинг, Гёдель и конец физики , 20 июля 2002 г.
  47. ^ Шмидхубер, Юрген (1997). Взгляд компьютерного ученого на жизнь, Вселенную и все остальное. Конспект лекций по информатике . Конспект лекций по информатике. 1337 . Springer . С. 201–208. CiteSeerX 10.1.1.580.1970 . DOI : 10.1007 / BFb0052071 . ISBN  978-3-540-63746-2.
  48. ^ Шмидхубер, Юрген (2002). «Иерархии обобщенных колмогоровских сложностей и неисчислимые универсальные меры, вычислимые в пределе». Международный журнал основ информатики . 13 (4): 587–612. arXiv : квант-ph / 0011122 . Bibcode : 2000quant.ph.11122S . DOI : 10.1142 / s0129054102001291 .
  49. ^ Феферман, Соломон (17 ноября 2006). «Природа и значение теорем Гёделя о неполноте» (PDF) . Институт перспективных исследований . Проверено 12 января 2009 .
  50. ^ Робертсон, Дуглас С. (2007). «Теорема Гёделя, теория всего и будущее науки и математики». Сложность . 5 (5): 22–27. Bibcode : 2000Cmplx ... 5e..22R . DOI : 10,1002 / 1099-0526 (200005/06) 5: 5 <22 :: АИД-CPLX4> 3.0.CO; 2-0 .
  51. ↑ Хокинг, Стивен (20 июля 2002 г.). «Гёдель и конец физики» . Проверено 1 декабря 2009 .
  52. ^ Эйнштейн, письмо Феликсу Клейну, 1917. (О детерминизме и приближениях). Цитируется в Pais (1982), Ch. 17.
  53. Перейти ↑ Weinberg (1993), Ch 2.
  54. ^ Суперструны, П-браны и М-теория . п. 7.
  55. ^ результаты, поиск (17 декабря 2006 г.). Новый космический лук: кварки и природа Вселенной . CRC Press. ISBN 978-1584887980.
  56. ^ Вайнберг (1993) стр. 5

Библиография [ править ]

  • Паис, Авраам (1982) Тонкий - это Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна (Oxford University Press, Oxford, Ch. 17, ISBN 0-19-853907-X 
  • Вайнберг, Стивен (1993) Мечты об окончательной теории: поиск фундаментальных законов природы , Радиус Хатчинсона, Лондон, ISBN 0-09-177395-4 
  • Кори С. Пауэлл Относительность против квантовой механики: битва за вселенную , The Guardian (2015) https://www.theguardian.com/news/2015/nov/04/relativity-quantum-mechanics-universe-physicists

Внешние ссылки [ править ]

  • Элегантная Вселенная , серия Nova о поисках теории всего и теории струн.
  • Теория всего , бесплатное видео от Vega Science Trust , BBC и Открытого университета .
  • Теория всего : мы приближаемся или окончательная теория материи и Вселенной невозможна? Дебаты между Джоном Эллисом (физиком) , Фрэнком Клоузом и Николасом Максвеллом .
  • Почему существует мир , дискуссия между физиком Лорой Мерсини-Хоутон , космологом Джорджем Фрэнсисом Рейнером Эллисом и философом Дэвидом Уоллесом о темной материи, параллельных вселенных и объяснении, почему они и нынешняя Вселенная существуют.
  • Теории всего , обсуждение BBC Radio 4 с Брайаном Грином, Джоном Барроу и Вэлом Гибсоном ( In Our Time , 25 марта 2004 г.)