¿Y si... resolvemos problemas fundamentales de la física? Todo está esperando una teoría de la que nada puede salir

¿Qué nos dará la respuesta a misterios como la materia oscura y la energía oscura, el misterio del comienzo del Universo, la naturaleza de la gravedad, la ventaja de la materia sobre la antimateria, la dirección del tiempo, la unificación de la gravedad con otras interacciones físicas? , la gran unificación de las fuerzas de la naturaleza en una básica, hasta llegar a la llamada teoría del todo?

Según Einstein y muchos otros destacados físicos modernos, el objetivo de la física es precisamente crear una teoría del todo (TV). Sin embargo, el concepto de tal teoría no es unívoco. Conocida como la teoría del todo, ToE es una teoría física hipotética que describe todo de manera consistente. fenomeno fisico y le permite predecir el resultado de cualquier experimento. Hoy en día, esta frase se usa comúnmente para describir teorías que intentan hacer una conexión con teoría general de la relatividad. Hasta el momento, ninguna de estas teorías ha recibido confirmación experimental.

En la actualidad, la teoría más avanzada que afirma ser TW se basa en el principio holográfico. Teoría M de 11 dimensiones. Todavía no se ha desarrollado y muchos lo consideran una dirección de desarrollo en lugar de una teoría real.

Muchos científicos dudan de que algo así como una "teoría del todo" sea posible, y en el sentido más básico, basada en la lógica. Teorema de Kurt Gödel dice que cualquier sistema lógico suficientemente complejo es internamente inconsistente (uno puede probar una oración y su contradicción en ella) o incompleto (hay oraciones trivialmente verdaderas que no pueden probarse). Stanley Jackie comentó en 1966 que TW debe ser una teoría matemática compleja y coherente, por lo que inevitablemente estará incompleta.

Hay un modo especial, original y emotivo de la teoría del todo. hipótesis holográfica (1), transfiriendo la tarea a un plan ligeramente diferente. La física de los agujeros negros parece indicar que nuestro universo no es lo que nos dicen nuestros sentidos. La realidad que nos rodea puede ser un holograma, es decir, Proyección de un plano bidimensional. Esto también se aplica al propio teorema de Gödel. Pero tal teoría del todo, ¿resuelve algún problema, nos permite enfrentar los desafíos de la civilización?

Describir el universo. Pero, ¿qué es el universo?

Actualmente tenemos dos teorías generales que explican casi todos los fenómenos físicos: La teoría de la gravedad de Einstein (relatividad general) i. El primero explica bien el movimiento de macroobjetos, desde balones de fútbol hasta galaxias. él es muy conocedor de átomos y partículas subatómicas. El problema es ese estas dos teorías describen nuestro mundo de maneras completamente diferentes. En la mecánica cuántica, los eventos tienen lugar sobre un fondo fijo. espacio-tiempo – mientras que w es flexible. ¿Cómo será la teoría cuántica del espacio-tiempo curvo? No sabemos.

Los primeros intentos de crear una teoría unificada del todo aparecieron poco después de la publicación. teoría general de la relatividadantes de que entendamos las leyes fundamentales que gobiernan las fuerzas nucleares. Estos conceptos, conocidos como Teoría de Kaluzi-Klein, buscaba combinar la gravedad con el electromagnetismo.

Durante décadas, la teoría de cuerdas, que representa la materia como compuesta de pequeñas cuerdas vibrantes o bucle de energía, es considerado el mejor para crear teoría unificada de la física. Sin embargo, algunos físicos prefieren kgravedad de bucle atirantadoen el que el propio espacio exterior se compone de minúsculos bucles. Sin embargo, ni la teoría de cuerdas ni la gravedad cuántica de bucles han sido verificadas experimentalmente.

Las grandes teorías unificadas (GUT), que combinan la cromodinámica cuántica y la teoría de las interacciones electrodébiles, representan las interacciones fuerte, débil y electromagnética como una manifestación de una única interacción. Sin embargo, ninguna de las grandes teorías unificadas anteriores ha recibido confirmación experimental. Una característica común de la gran teoría unificada es la predicción de la descomposición del protón. Este proceso aún no se ha observado. De esto se deduce que la vida útil de un protón debe ser de al menos 1032 años.

El modelo estándar de 1968 unificó las fuerzas fuerte, débil y electromagnética bajo un mismo paraguas general. Se han considerado todas las partículas y sus interacciones, y se han hecho muchas predicciones nuevas, incluida una gran predicción de unificación. A altas energías, del orden de 100 GeV (la energía requerida para acelerar un solo electrón a un potencial de 100 mil millones de voltios), se restaurará la simetría que unifica las fuerzas electromagnética y débil.

Se predijo la existencia de nuevos, y con el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983, se confirmaron estas predicciones. Las cuatro fuerzas principales se redujeron a tres. La idea detrás de la unificación es que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y quizás incluso la energía superior de la gravedad, se combinen en una sola estructura.

2. La ecuación de Langrange que describe el Modelo Estándar, dividida en cinco componentes.

Algunos han sugerido que a energías aún más altas, quizás alrededor escala de Planck, la gravedad también se combinará. Esta es una de las principales motivaciones de la teoría de cuerdas. Lo que es muy interesante de estas ideas es que si queremos la unificación, tenemos que restaurar la simetría a energías más altas. Y si actualmente están rotos, conduce a algo observable, nuevas partículas y nuevas interacciones.

El Lagrangiano del Modelo Estándar es la única ecuación que describe partículas i influencia del modelo estándar (2). Consta de cinco partes independientes: sobre gluones en la zona 1 de la ecuación, bosones débiles en la parte marcada con dos, marcada con tres, es una descripción matemática de cómo interactúa la materia con la fuerza débil y el campo de Higgs, partículas fantasmas que restan el exceso del campo de Higgs en partes del cuarto, y los espíritus descritos en cinco Fadeev-Popovque afectan a la redundancia de la interacción débil. No se tienen en cuenta las masas de neutrinos.

Aunque Modelo estandar podemos escribirlo como una sola ecuación, no es realmente un todo homogéneo en el sentido de que hay muchas expresiones separadas e independientes que gobiernan los diversos componentes del universo. Las partes separadas del modelo estándar no interactúan entre sí, porque la carga de color no afecta las interacciones electromagnéticas y débiles, y quedan preguntas sin respuesta sobre por qué las interacciones que deberían ocurrir, por ejemplo, la violación de CP en interacciones fuertes, no funcionan. tener lugar.

Cuando se restauran las simetrías (en el pico del potencial), se produce la unificación. Sin embargo, la ruptura de la simetría en el fondo es consistente con el universo que tenemos hoy, junto con nuevos tipos de partículas masivas. Entonces, ¿qué “de todo” debería ser esta teoría? El que es, i.e. un universo asimétrico real, o uno y simétrico, pero en definitiva no el que nos ocupa.

La engañosa belleza de las modelos "completas"

Lars English, en The No Theory of Everything, argumenta que no existe un único conjunto de reglas que pueda combinar la relatividad general con la mecánica cuánticaporque lo que es cierto a nivel cuántico no es necesariamente cierto a nivel de la gravedad. Y cuanto más grande y complejo es el sistema, más se diferencia de sus elementos constitutivos. “El punto no es que estas reglas de la gravedad contradigan la mecánica cuántica, sino que no pueden derivarse de la física cuántica”, escribe.

Toda ciencia, intencionalmente o no, se basa en la premisa de su existencia. leyes físicas objetivasque implican un conjunto mutuamente compatible de postulados físicos fundamentales que describen el comportamiento del universo físico y todo lo que hay en él. Por supuesto, tal teoría no implica una explicación o descripción completa de todo lo que existe, pero, muy probablemente, describe exhaustivamente todos los procesos físicos verificables. Lógicamente, uno de los beneficios inmediatos de tal comprensión de TW sería detener los experimentos en los que la teoría predice resultados negativos.

La mayoría de los físicos tendrán que dejar de investigar y ganarse la vida enseñando, no investigando. Sin embargo, al público probablemente no le importe si la fuerza de la gravedad puede explicarse en términos de la curvatura del espacio-tiempo.

Por supuesto, existe otra posibilidad: el Universo simplemente no se unirá. Las simetrías a las que hemos llegado son simplemente nuestros propios inventos matemáticos y no describen el universo físico.

En un artículo de alto perfil para Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), científica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, evaluó que "toda la idea de una teoría del todo se basa en una suposición no científica". “Esta no es la mejor estrategia para desarrollar teorías científicas. (…) Históricamente, la confianza en la belleza en el desarrollo de la teoría ha funcionado mal”. En su opinión, no hay razón para que la naturaleza sea descrita por una teoría del todo. Si bien necesitamos una teoría cuántica de la gravedad para evitar una inconsistencia lógica en las leyes de la naturaleza, las fuerzas en el modelo estándar no necesitan unificarse y no necesitan unificarse con la gravedad. Sería bueno, sí, pero es innecesario. El modelo estándar funciona bien sin unificación, enfatiza el investigador. A la naturaleza claramente no le importa lo que los físicos piensen que son bellas matemáticas, dice enfadada la Sra. Hossenfelder. En física, los avances en el desarrollo teórico están asociados con la solución de inconsistencias matemáticas, y no con modelos hermosos y "terminados".

A pesar de estas sobrias advertencias, constantemente se presentan nuevas propuestas para una teoría del todo, como The Exceptionally Simple Theory of Everything de Garrett Lisi, publicada en 2007. Tiene la característica de que el Prof. Hossenfelder es hermoso y puede mostrarse maravillosamente con visualizaciones atractivas (4). Esta teoría, llamada E8, afirma que la clave para entender el universo es objeto matemático en forma de roseta simétrica.

Lisi creó esta estructura trazando partículas elementales en un gráfico que también tiene en cuenta las interacciones físicas conocidas. El resultado es una estructura matemática compleja de ocho dimensiones de 248 puntos. Cada uno de estos puntos representa partículas con diferentes propiedades. Hay un grupo de partículas en el diagrama con ciertas propiedades que "faltan". Al menos algunos de estos "desaparecidos" teóricamente tienen algo que ver con la gravedad, cerrando la brecha entre la mecánica cuántica y la relatividad general.

4. Teoría de la visualización E8

Así que los físicos tienen que trabajar para llenar el "zócalo de Fox". Si tiene éxito, ¿qué pasará? Muchos responden sarcásticamente que nada especial. Solo una imagen bonita estaría terminada. Esta construcción puede ser valiosa en este sentido, ya que nos muestra cuáles serían las consecuencias reales de completar una "teoría del todo". Quizás insignificante en un sentido práctico.