Teoria finală în fizica modernă

Secvența convențională a teoriilor

O Teorie Finală ar unifica toate interacțiunile fundamentale ale naturii: gravitație, interacțiune puternică, interacțiune slabă și electromagnetism. Deoarece interacțiunea slabă poate transforma particulele elementare de la un tip la altul, TF ar trebui să dea, de asemenea, o înțelegere profundă a diferitelor tipuri diferite de particule posibile. Traiectoria obișnuită a teoriilor este dată în graficul următor, în care fiecare etapă de unificare duce un nivel în sus:

(În acest grafic, unificarea electroslabă are loc la aproximativ 100 GeV, se preconizează că marea unificarea se va întâmpla la 10¹⁶ GeV, iar unificarea forței GUT cu gravitația este așteptată la energia Planck, aproximativ 10¹⁹ GeV.)

Au fost propuse mai multe mari teorii unificate (GUT) pentru a unifica electromagnetismul și forțele slabe și puternice. Marea unificare ar presupune existența unei forțe electronucleare; este de așteptat să se instaleze la energii de ordinul lui 10¹⁶ GeV, mult mai mare decât ar putea fi atinse de orice posibil accelerator de particule de pe Pământ. Deși cele mai simple GUT-uri au fost excluse experimental, ideea generală, mai ales atunci când este legată de suprasimetrie, rămâne un candidat favorit în comunitatea teoretică a fizicii. GUT supersimetrice par plauzibile nu numai pentru „frumusețea” lor teoretică, ci și pentru că ele produc în mod natural cantități mari de materie întunecată, și deoarece forța inflaționistă poate fi legată de fizica GUT (deși nu pare să constituie o parte inevitabilă a teoriei) . Cu toate acestea, GUT nu sunt în mod clar răspunsul final; atât modelul standard actual cât și toate GUT-urile propuse sunt teorii de câmp cuantic care necesită tehnica problematică de renormalizare pentru a da răspunsuri sensibile. Acesta este considerat, de obicei, ca un semn că acestea sunt doar teorii de teren eficiente, omițând fenomene importante relevante numai la energii foarte mari [3].

Ultimul pas în grafic necesită rezolvarea separării dintre mecanica cuantică și gravitație, adesea egală cu relativitatea generală. Numeroși cercetători își concentrează eforturile asupra acestui pas specific; totuși, nu a apărut încă o teorie acceptată a gravitației cuantice – și, astfel, nici o teorie acceptată finală. De obicei, se presupune că TF va rezolva și problemele rămase de GUT.

Pe lângă explicarea forțelor enumerate în grafic, o TF poate explica și statutul a cel puțin două forțe candidate sugerate de cosmologia modernă: o forță inflaționistă și o energie întunecată. Mai mult, experimentele cosmologice sugerează de asemenea existența unei materii întunecate, presupusă a fi compusă din particule fundamentale în afara schemei modelului standard. Cu toate acestea, existența acestor forțe și particule nu a fost dovedită.

Teoria corzilor și teoria M

Problemă nerezolvată în fizică: Este teoria corzilor, teoria supercorzilor sau teoria M sau o altă variantă pe această temă, un pas pe drumul spre o „teorie finală” sau doar un drum care nu duce nicăieri?

Începând cu anii 1990, unii fizicieni cred că teoria M 11-dimensională, care este descrisă în anumite limite de către una dintre cele cinci teorii ale supercorzilor perturbative, și în alta de supergravitația maximum-supersimetrică 11-dimensională, este teoria finală. Cu toate acestea, nu există un consens general pe această temă.

O proprietate surprinzătoare a teoriei corzilor/M este că dimensiunile suplimentare sunt necesare pentru consistența teoriei. În această privință, teoria corzilor poate fi văzută ca bazându-se pe cunoașterea teoriei Kaluza-Klein, în care s-a constatat că aplicarea relativității generale la un univers cinci-dimensional (cu unul mic și înclinat) arată din perspectiva patrudimensională ca relativitatea generală obișnuită împreună cu electrodynamica lui Maxwell. Aceasta a împrumutat credința ideii de interacțiune unificatoare a interacțiunilor gauge și gravitația, și dimensiunilor suplimentare, dar nu a abordat cerințele experimentale detaliate. O altă proprietate importantă a teoriei corzilor este supersimetria sa, care împreună cu dimensiunile suplimentare sunt cele două propuneri principale pentru rezolvarea problemei ierarhice a modelului standard, care este (în mare) problema de ce gravitația este mult mai slabă decât orice altă forță. Soluția extradimensională presupune să se permită gravitației să se răspândească în celelalte dimensiuni, păstrând în același timp alte forțe limitate într-un spațiu-timp patru dimensional, o idee care a fost realizată cu mecanisme explicite ale corzilor. [18]

Cercetarea teoriei corzilor a fost încurajată de o varietate de factori teoretici și experimentali. Pe partea experimentală, conținutul de particule al modelului standard suplimentat cu masele de neutrini se potrivește într-o reprezentare spinor a SO(10), un subgrup al lui E8 care apare în mod obișnuit în teoria corzilor, cum ar fi în teoria corzilor heterotice [19] sau (ceva echivalent) în teoria F. [20] [21] Teoria corzilor are mecanisme care pot explica de ce fermionii vin în trei generații ierarhice, și explica ratele de amestecare între generațiile de cuarci. [22] Pe partea teoretică, a început să abordeze unele dintre întrebările-cheie în gravitația cuantică, cum ar fi rezolvarea paradoxului informațiilor despre gaura neagră, numărarea entropiei corecte a găurilor negre [23] [24] și permiterea procesele de schimbare a topologiei [ 25] [26] [27] De asemenea, a dus la multe descoperiri în matematica pură și în teoria gauge obișnuită, puternic cuplată, datorită dualității Gauge/Coardă.

La sfârșitul anilor 1990, s-a observat că un obstacol major în acest demers este că numărul de universuri posibile în patru dimensiuni este incredibil de mare. Dimensiunile suplimentare mici, curbate, pot fi compactizate într-un număr enorm de moduri diferite (o estimare este de 10500), fiecare dintre acestea conducând la proprietăți diferite pentru particulele și forțe cu consum redus de energie. Această serie de modele este cunoscută sub numele de peisajul teoriei corzilor. [7]: 347

O soluție propusă este că multe sau toate aceste posibilități sunt realizate într-unul sau altul dintr-un număr imens de universuri, dar numai un număr mic de ele sunt locuibile. Prin urmare, ceea ce în mod obișnuit concepem ca fiind constantele fundamentale ale universului sunt, în cele din urmă, rezultatul principiului antropic, mai degrabă decât dictat de teorie. Acest lucru a condus la critica teoriei corzilor [28], argumentând că nu poate face predicții utile (adică, originale, falsificabile și verificabile) și a fost privită ca pseudoștiință. Alții nu sunt de acord, [29] iar teoria corzilor rămâne un subiect extrem de activ al investigației în fizica teoretică.

Gravitația cuantică în bucle

Cercetările curente privind gravitația cuantică în bucle (GCB) pot juca în cele din urmă un rol fundamental într-o TF, dar acesta nu este scopul său principal. [30] De asemenea, GCB introduce o limită inferioară pe scalele posibile de lungime.

Au existat afirmații recente conform cărora GCB poate fi capabilă să reproducă caracteristici asemănătoare modelului standard. Până în prezent, numai prima generație de fermioni (leptoni și cuarci) cu proprietăți corecte de paritate au fost modelate de Sundance Bilson-Thompson folosind preoni constituiți din împletituri de spațiu-timp ca blocuri de construcție. [31] Cu toate acestea, nu există nici o derivare a lagrangianului care ar descrie interacțiunile unor astfel de particule și nici nu este posibil să se arate că astfel de particule sunt fermioni, nici că grupurile gauge sau interacțiunile modelului standard sunt realizate. Utilizarea conceptelor de calcul cuantic a făcut posibilă demonstrarea faptului că particulele pot supraviețui fluctuațiilor cuantice [32].

Acest model duce la interpretarea sarcinii și culorii electrice și ca cantități topologice (electrice ca număr și chiralitatea răsucirilor efectuate pe panglici individuale și culoare ca variante ale unei astfel de răsuciri pentru sarcină electrică fixă).

Lucrarea originală a lui Bilson-Thompson a sugerat că fermionii de generație superioară ar putea fi reprezentați de panglici mai complicate, deși construcțiile explicite ale acestor structuri nu au fost date. Proprietățile sarcinii electrice, culorii și parității acestor fermioni ar apărea în același mod ca și pentru prima generație. Modelul a fost generalizat în mod expres pentru un număr infinit de generații și pentru bozonii cu forță slabă (dar nu pentru fotoni sau gluoni) într-o lucrare din 2008 a lui Bilson-Thompson, Hackett, Kauffman și Smolin.

Alte încercări

Printre alte încercări de a dezvolta o teorie finală este teoria sistemelor de fermioni cauzală, care dau cele două teorii fizice curente (relativitatea generală și teoria câmpului cuantic) drept cazuri limitative.

O altă teorie se numește Seturi cauzale. În ceea ce privește unele dintre abordările menționate mai sus, obiectivul lor direct nu este neapărat să atingă o TF, ci mai degrabă o teorie de lucru a gravitației cuantice, care ar putea include modelul standard și să devină un candidat pentru o TF. Principiul său de bază este că spațiu-timpul este fundamental discret și că evenimentele spațiu-timp sunt legate de o ordine parțială. Această ordine parțială are înțelesul fizic al relațiilor de cauzalitate dintre evenimentele relativ anterioare și cele viitoare distinctive ale spațiu-timpului.

În afara încercărilor menționate mai sus, există propunerea E8 a lui Garrett Lisi. Această teorie oferă o încercare de a identifica relativitatea generală și modelul standard în cadrul grupului Lie. Teoria nu oferă o procedură nouă de cuantificare și autorul sugerează că cuantificarea lui ar putea urma abordarea GCB menționată mai sus [35].

Traingularea dinamică cauzală nu presupune o arenă pre-existentă (spațiu dimensional), ci mai degrabă încercări de a arăta cum evoluează eșafodajul spațiu-timp însuși.

Modelul Strand al lui Christoph Schiller încearcă să reflecte simetria gauge a modelului standard al fizicii particulelor, U(1)×SU(2)×SU(3), cu cele trei mișcări Reidemeister ale teoriei nodurilor prin egalizarea fiecărei particule elementare într-o încurcătură de una, două sau trei fire (selectiv un lung nod prim sau o curbă neînnodată, o încurcătură rațională sau o încurcătură împletită).

O altă încercare poate fi legată de ER=EPR, o ipoteză în fizică care susține că particulele inseparabile sunt legate printr-o gaură de vierme (sau podul Einstein-Rosen). [36] [37]

Starea actuală

În prezent, nu există o teorie a candidată finală care să includă modelul standard al fizicii particulelor și relativității generale. De exemplu, nicio teorie candidată nu este capabilă să calculeze constanta structurii fine sau masa electronului. Majoritatea fizicienilor de particule se așteaptă ca rezultatul experimentelor în desfășurare – căutarea de particule noi la acceleratoarele de particule mari și materia întunecată – sunt necesare pentru a furniza o contribuție suplimentară pentru o TF.

Filosofia

Implicațiile filosofice ale unei TF fizice sunt frecvent dezbătute. De exemplu, dacă fizicalismul filozofic este adevărat, o TF fizică va coincide cu o teorie filosofică finală.

Stilul metafizicii de „construire a sistemului” încearcă să răspundă în mod coerent tuturor întrebărilor importante, oferind o imagine completă a lumii. Aristotel este primul și cel mai de seamă filosof care a încercat un astfel de sistem cuprinzător în metafizica sa. În timp ce Aristotel a avut contribuții importante în toate științele în ceea ce privește metoda sa de logică și primul său principiu de cauzalitate, el a fost ulterior demonizat de către filosofii contemporani ai Iluminismului, cum ar fi Immanuel Kant, care l-au criticat pentru ideea de Dumnezeu ca primă cauză. Isaac Newton și Principiile matematice ale filozofiei naturale au constituit cea mai cuprinzătoare încercare de abordare a unei teorii finale până în secolul al XX-lea și la Teoria generală a relativității a lui Albert Einstein. După atacurile lui David Hume asupra metodei inductive utilizate în toate științele, idealiștii germani precum Kant și G.W.F. Hegel – și numeroasele reacții filosofice pe care le-au inspirat – au luat o hotărâre departe de filosofia naturală și de științele fizice și s-au concentrat în schimb asupra problemelor percepției, cunoașterii, conștiinței și în cele din urmă a limbajului.