Kratek:
- zakaj je sodobna fizika dosegla slepo ulico.
- da Einstein in Hawking nista imela časa za raziskovanje.
- kako kombinirati kvantno mehaniko in splošno relativnost.
S pomočjo interneta se lahko naučite vsega - od zasnove motorja z notranjim zgorevanjem do hitrosti širjenja vesolja. Obstajajo pa vprašanja, odgovorov na katere ne pozna le Google, ampak tudi največji znanstveniki našega časa.
Če imate nenadoma srečo, da se lahko pogovarjate z zadnjimi dobitniki Nobelove nagrade za fiziko, jih ne sprašujte o eksoplanetih in temni snovi, to so povedali že stokrat.
Bolje se vprašaj, zakaj različni predmeti v našem svetu upoštevajo različne fizikalne zakone. Na primer, zakaj planeti, zvezde in drugi veliki predmeti medsebojno delujejo, upoštevajoč določene zakone, in delci na najmanjši ravni, kot so atomi, ubogajo samo sebe.
Takšno vprašanje bo laikom laskalo in izobražena oseba, ki bo odgovorila nanj, bo povedala, zakaj se je sodobna znanost ustavila, kakšna je razlika med Standardnim modelom fizike in splošno teorijo relativnosti (v nadaljevanju GR) in tudi, zakaj je smisel Higgsovih bozonov in teorije strun pravzaprav primer je precenjen.
Promocijski video:
Kljub tem razlagam vam nihče, tudi vstali Albert Einstein, ne bo mogel razložiti različne narave fizičnih pojavov na mikro in makro ravni. Če lahko sami rešite to težavo - čestitke, ste prvi avtor teorije o vsem, največji možgani v zgodovini človeštva, laureat vseh možnih nagrad in oče (ali mati) nove fizike.
Preden pa svetu predstavimo revolucionarno odkritje, je bolje razumeti, kaj pomeni teorija vsega, na katera vprašanja naj bi odgovorila in kdo je najbližje njenemu odkritju.
Teorija vsega je kombinacija dveh najbolj znanih konceptov sodobne fizike - splošne relativnosti Alberta Einsteina in kvantne mehanike. Prva teorija opisuje vse, kar nas obdaja v obliki prostora-časa, pa tudi interakcijo vseh predmetov v Vesolju z uporabo le gravitacije. Kvantna mehanika opisuje interakcijo osnovnih delcev z uporabo treh indikatorjev hkrati - elektromagnetne in močne / šibke jedrske interakcije.
Tako govori o gravitaciji in velikih objektih, kot so planeti in zvezde, kvantna mehanika pa govori o elementarnih delcih in njihovih elektromagnetnih in šibko / močnih jedrskih interakcijah. K temu se bomo vrnili nekoliko kasneje.
Newtonov naslednik
Splošno relativnost je prvič izrazil Albert Einstein. Takrat je mladi uslužbenec avstrijskega patentnega urada dopolnil Newtonovo klasično teorijo gravitacije in opisal vse neznanke v njej. Zlasti zahvaljujoč temu odkritju so ljudje izvedeli, kaj v resnici predstavlja gravitacija in kako določa interakcijo ne le med jabolkom in Zemljo, temveč tudi med Soncem in vsemi planeti v osončju.
Einstein je predlagal, da sta prostor in čas med seboj povezana in tvorita enoten vesoljsko-časovni kontinuum - osnovo za nastanek gravitacijskih sil vseh predmetov. Za razliko od Newtonove teorije je ta kontinuum (ali prostor-čas) prožen in lahko spremeni svojo obliko, odvisno od mase predmetov in s tem njihove energije.
Einsteinove domneve so bile v praksi potrjene šele pred nekaj leti, ko so opazili, kako se svetloba - in s tem prostor - čas - upogiba, ko gre blizu masivnega predmeta - Sonca - zaradi vpliva gravitacije. Tudi brez teh dokazov je splošna relativnost že dolgo postala osnova sodobne fizike in doslej še nihče ni mogel ponuditi bolj utemeljene razlage teže teles in polj v vesolju.
Kljub temu je vesolje-čas še vedno slabo razumljeno in znanstveniki ne vedo, kako je oblikovan in iz česa je sestavljen. Odgovore na ta vprašanja šele začenjamo iskati v kvantni mehaniki - teoretični veji fizike, ki opisuje naravo fizičnih pojavov na ravni molekul, atomov, elektronov, fotonov in drugih drobnih delcev.
Kvantna mehanika
Po Einsteinovi teoriji bi morali absolutno vsi predmeti v vesolju podlegati gravitaciji. Toda hkrati z odkritjem splošne relativnosti so drugi znanstveniki raziskali, kako predmeti medsebojno vplivajo na subatomski ravni.
Izkazalo se je, da je gravitacija v takem merilu popolnoma neuporabna. Namesto tega so postale odločilne elektromagnetne in šibke / močne jedrske interakcije. S pomočjo teh sil medsebojno delujejo najmanjši delci - fotoni, gluoni in bozoni.
Toda znanstveniki še vedno ne vedo, po katerih načelih ti delci medsebojno delujejo, saj imajo lahko izjemno visoko energijsko gostoto in se še vedno ne izpostavljajo gravitaciji. Od tod - takšni nerazložljivi pojavi, kot je dualizem valov-truplov (manifestacija lastnosti vala z delcem), pa tudi učinek opazovalca, ki ima za posledico obliko žive in mrtve Schrödingerjeve mačke.
Zaradi tega sta s čelima trčila dva sveta fizike - Einsteinova, kjer imajo vsi predmeti določene lastnosti, ki se nagibajo gravitaciji, je mogoče opisati in predvideti, in kvantna, kjer divja povsem drugačno, nepredvidljivo življenje, v katerem se vse nenehno spreminja in izravnava koncept prostora. čas kot tak.
Kaj je treba storiti za združitev teh dveh svetov? Govorili smo o gravitaciji v splošni relativnosti in o elektromagnetni, močni / šibki jedrski interakciji v Standardnem modelu fizike. Torej, gravitacija je skoraj popolna, omogoča nam razumeti skoraj vse, kar nas obdaja, vendar ne upošteva tiste zelo nerazložljivega vedenja delcev na najmanjši ravni. Elektromagnetna in močna / šibka jedrska interakcija je alternativni del fizike, ki skriva nova odkritja in predstavlja velik rezervoar za raziskovanje, vendar ne upošteva gravitacijskih zakonov splošne relativnosti.
Zadnja faza v raziskovanju in življenju Alberta Einsteina je bila ustvarjanje teorije kvantne gravitacije, ki bi omogočila združitev vseh možnih interakcij predmetov na makro in mikro nivoju ter tudi pojasnila, zakaj se obnašajo drugače. Einstein ni mogel najti odgovorov na ta vprašanja in po njem se je možno poenotenje splošne relativnosti in kvantne mehanike začelo imenovati teorija vsega.
Teorija vsega
V iskanju teorije o vsem so znanstveniki raziskali nekatere najbolj nenavadne predmete v vesolju - črne luknje. So tako težki, da se nagnejo gravitaciji, in tako stisnjeni, da lahko kvantne učinke teoretično opazimo pri padcu v črno luknjo. Toda na žalost so črne luknje moderni znanosti, razen Hawkingovega sevanja, ki je v nasprotju s kvantno mehaniko, in nedavne fotografije obzorja dogodkov malo pomagale sodobni znanosti. Tudi če obstajajo, je doseganje teh ljudi skoraj nemogoča naloga.
Začeli so iskati teorijo o vsem na Zemlji z uporabo različnih miselnih eksperimentov in lastnosti kvantne mehanike in splošne relativnosti, ki bi se lahko medsebojno dopolnjevala.
Danes je morda najbolj priljubljena in najbližja resnična različica teorije vsega teorija strun. Pravi, da je kateri koli delček enodimenzionalna vrvica, ki vibrira v 11-dimenzionalni resničnosti, in glede na te vibracije se določi njegova masa in naboj.
Med drugimi je glavna lastnost niza ta, da lahko gravitacijo prenese na kvantni ravni. Če bi takšno teorijo potrdili v praksi, bi lahko strune prvi korak k poenotenju kvantne mehanike s splošno relativnostjo. Toda na žalost tega doslej še nihče ni mogel dokazati in izjaviti, da so strune nosilke gravitacije na subatomski ravni. Tako kot nedavno odkrit Higgsov bozon ni postal želeni graviton.
Da, še vedno ne vemo, od kod prihaja masa mnogih elementarnih delcev in po kakšnem principu medsebojno delujejo, a to sodobnim fizikom ne preprečuje, da bi predlagali vedno več novih "teorij vsega".
Pred kratkim so na primer fiziki iz Kitajske, Nemčije in Kanade testirali teorijo kvantnega darvinizma Wojciech Zurek, ki naj bi pojasnila, kako kvantni delci puščajo svoje sledi v makrokozmosu, ki nam je na voljo. Toda tudi v primeru potrditve najdbe delcev v dveh stanjih hkrati je to le potrditev interakcije kvantne mehanike splošne relativnosti in nikakor ne razlage tega.
Drugi ameriški teoretični fizik z univerze v Marylandu, Brian Swingle, se je lotil opisovanja narave nastanka vesolja in časa in sklenil, da lahko kvantno zapletanje tvori Einsteinov kontinuum. Swingle je predlagal, da je štiridimenzionalno strukturo vesolja (dolžina, širina, globina in čas) mogoče kodirati v tridimenzionalno kvantno fiziko (z enakimi dimenzijami, le brez časa). Po mnenju fizika bi bilo treba gravitacijo in splošno relativnost razlagati skozi lastnosti kvantne mehanike in ne obratno, zaradi česar je bil ta poskus precej protisloven.
Obstaja na desetine podobnih zapletenih in celo dobro utemeljenih teorij, vendar nobene od njih še ni mogoče imenovati teorija vsega. Morda je to dobro, saj je človek poskušal razumeti, kako se atomi in zvezde medsebojno ukvarjajo šele prejšnje stoletje, vesolje pa obstaja že skoraj 14 milijard let.
Najbolj znan sodobni raziskovalec teorije vsega - Stephen Hawking - je ob koncu življenja prišel do zaključka, da ga ni mogoče najti. Vendar to zanj ni postalo razočaranje, ampak, kot je kasneje dejal, nasprotno, vodilo je do razumevanja, da se bo človek nenehno razvijal: "Zdaj sem vesel, da se naše iskanje razumevanja ne bo nikoli končalo in da bomo vedno doživeli nova odkritja. … Brez tega bi mi mirno stali."