Et si... on résolvait des problèmes fondamentaux en physique. Tout attend une théorie dont rien ne peut sortir
Qu'est-ce qui nous donnera la réponse à des mystères tels que la matière noire et l'énergie noire, le mystère du début de l'Univers, la nature de la gravité, l'avantage de la matière sur l'antimatière, la direction du temps, l'unification de la gravité avec d'autres interactions physiques , la grande unification des forces de la nature en une seule base, jusqu'à la soi-disant théorie du tout ?
D'après Einstein et de nombreux autres physiciens modernes remarquables, le but de la physique est précisément de créer une théorie du tout (TV). Cependant, le concept d'une telle théorie n'est pas univoque. Connue sous le nom de théorie de tout, ToE est une théorie physique hypothétique qui décrit systématiquement tout phénomènes physiques et vous permet de prédire le résultat de toute expérience. De nos jours, cette expression est couramment utilisée pour décrire les théories qui tentent d'établir un lien avec théorie générale de la relativité. Jusqu'à présent, aucune de ces théories n'a reçu de confirmation expérimentale.
À l'heure actuelle, la théorie la plus avancée prétendant être TW est basée sur le principe holographique. Théorie M à 11 dimensions. Il n'a pas encore été développé et est considéré par beaucoup comme une direction de développement plutôt qu'une théorie réelle.
De nombreux scientifiques doutent que quelque chose comme une "théorie de tout" soit même possible, et dans le sens le plus élémentaire, basé sur la logique. Théorème de Kurt Gödel dit que tout système logique suffisamment complexe est soit incohérent en interne (on peut prouver une phrase et sa contradiction) soit incomplet (il y a des phrases trivialement vraies qui ne peuvent pas être prouvées). Stanley Jackie a fait remarquer en 1966 que TW doit être une théorie mathématique complexe et cohérente, elle sera donc inévitablement incomplète.
Il existe une manière spéciale, originale et émotionnelle de la théorie de tout. hypothèse holographique (1), transférant la tâche à un plan légèrement différent. La physique des trous noirs semble indiquer que notre univers n'est pas ce que nos sens nous disent. La réalité qui nous entoure peut être un hologramme, c'est-à-dire projection d'un plan à deux dimensions. Cela s'applique également au théorème de Gödel lui-même. Mais une telle théorie du tout résout-elle des problèmes, permet-elle d'affronter les défis de la civilisation ?
Décrivez l'univers. Mais qu'est-ce que l'univers ?
Nous avons actuellement deux théories globales qui expliquent presque tous les phénomènes physiques : La théorie de la gravité d'Einstein (relativité générale) i. Le premier explique bien le mouvement des macro-objets, des ballons de football aux galaxies. il connaît très bien les atomes et les particules subatomiques. Le problème est que ces deux théories décrivent notre monde de manière complètement différente. En mécanique quantique, les événements se déroulent sur un fond fixe. espace-temps – tandis que w est flexible. À quoi ressemblera la théorie quantique de l'espace-temps courbe ? Nous ne savons pas.
Les premières tentatives de création d'une théorie unifiée de tout sont apparues peu de temps après la publication théorie générale de la relativitéavant de comprendre les lois fondamentales qui régissent les forces nucléaires. Ces notions, connues sous le nom de Théorie de Kaluzi-Klein, a cherché à combiner la gravité avec l'électromagnétisme.
Pendant des décennies, la théorie des cordes, qui représente la matière comme étant composée de minuscules cordes vibrantes ou boucle énergétique, est considéré comme le meilleur pour créer théorie unifiée de la physique. Cependant, certains physiciens préfèrent kboucle haubanée gravitédans lequel l'espace lui-même est constitué de minuscules boucles. Cependant, ni la théorie des cordes ni la gravitation quantique à boucles n'ont été vérifiées expérimentalement.
Les grandes théories unifiées (GUT), combinant la chromodynamique quantique et la théorie des interactions électrofaibles, représentent les interactions fortes, faibles et électromagnétiques comme la manifestation d'une interaction unique. Cependant, aucune des grandes théories unifiées précédentes n'a reçu de confirmation expérimentale. Une caractéristique commune de la grande théorie unifiée est la prédiction de la désintégration du proton. Ce processus n'a pas encore été observé. Il s'ensuit que la durée de vie d'un proton doit être d'au moins 1032 ans.
Le modèle standard de 1968 a unifié les forces fortes, faibles et électromagnétiques sous un même parapluie. Toutes les particules et leurs interactions ont été prises en compte, et de nombreuses nouvelles prédictions ont été faites, y compris une grande prédiction d'unification. Aux hautes énergies, de l'ordre de 100 GeV (l'énergie nécessaire pour accélérer un seul électron à un potentiel de 100 milliards de volts), la symétrie unifiant les forces électromagnétiques et faibles sera restaurée.
L'existence de nouveaux a été prédite, et avec la découverte des bosons W et Z en 1983, ces prédictions ont été confirmées. Les quatre forces principales ont été réduites à trois. L'idée derrière l'unification est que les trois forces du modèle standard, et peut-être même l'énergie de gravité supérieure, sont combinées en une seule structure.
2. L'équation de Langrange décrivant le modèle standard, divisée en cinq composantes.
Certains ont suggéré qu'à des énergies encore plus élevées, peut-être autour de Échelle de Planck, la gravité se combinera également. C'est l'une des principales motivations de la théorie des cordes. Ce qui est très intéressant dans ces idées, c'est que si nous voulons l'unification, nous devons restaurer la symétrie aux énergies supérieures. Et s'ils sont actuellement cassés, cela conduit à quelque chose d'observable, de nouvelles particules et de nouvelles interactions.
Le lagrangien du modèle standard est la seule équation décrivant les particules i influence du modèle standard (2). Il se compose de cinq parties indépendantes : sur les gluons dans la zone 1 de l'équation, les bosons faibles dans la partie marquée par deux, marquée par trois, est une description mathématique de la façon dont la matière interagit avec la force faible et le champ de Higgs, les particules fantômes qui soustraient l'excès du champ de Higgs dans certaines parties du quatrième, et les esprits décrits sous cinq Fadeev-Popovqui affectent la redondance de l'interaction faible. Les masses des neutrinos ne sont pas prises en compte.
Bien que Modèle standard nous pouvons l'écrire comme une seule équation, ce n'est pas vraiment un tout homogène dans le sens où il existe de nombreuses expressions distinctes et indépendantes qui régissent les différentes composantes de l'univers. Des parties distinctes du modèle standard n'interagissent pas les unes avec les autres, car la charge de couleur n'affecte pas les interactions électromagnétiques et faibles, et des questions restent sans réponse pour lesquelles les interactions qui devraient se produire, par exemple, la violation de CP dans les interactions fortes, ne fonctionnent pas. prend place.
Lorsque les symétries sont restaurées (au sommet du potentiel), l'unification se produit. Cependant, la rupture de symétrie tout en bas est cohérente avec l'univers que nous avons aujourd'hui, avec de nouveaux types de particules massives. Alors, que devrait être cette théorie « hors de tout » ? Celui qui est, c'est-à-dire un vrai univers asymétrique, ou un et symétrique, mais finalement pas celui auquel nous avons affaire.
La beauté trompeuse des modèles "complets"
Lars English, dans The No Theory of Everything, soutient qu'il n'y a pas un seul ensemble de règles qui pourrait combiner la relativité générale avec la mécanique quantiquecar ce qui est vrai au niveau quantique ne l'est pas nécessairement au niveau de la gravité. Et plus le système est vaste et complexe, plus il diffère de ses éléments constitutifs. "Le point n'est pas que ces règles de gravité contredisent la mécanique quantique, mais qu'elles ne peuvent pas être dérivées de la physique quantique", écrit-il.
Toute science, intentionnellement ou non, est basée sur la prémisse de leur existence. lois physiques objectivesqui impliquent un ensemble mutuellement compatible de postulats physiques fondamentaux décrivant le comportement de l'univers physique et de tout ce qu'il contient. Bien sûr, une telle théorie n'implique pas une explication ou une description complète de tout ce qui existe, mais, très probablement, elle décrit de manière exhaustive tous les processus physiques vérifiables. Logiquement, l'un des avantages immédiats d'une telle compréhension de TW serait d'arrêter les expériences dans lesquelles la théorie prédit des résultats négatifs.
La plupart des physiciens devront arrêter de faire de la recherche et gagner leur vie en enseignant, et non en faisant de la recherche. Cependant, le public ne se soucie probablement pas de savoir si la force de gravité peut être expliquée en termes de courbure de l'espace-temps.
Bien sûr, il existe une autre possibilité - l'Univers ne s'unira tout simplement pas. Les symétries auxquelles nous sommes arrivés sont simplement nos propres inventions mathématiques et ne décrivent pas l'univers physique.
Dans un article très médiatisé pour Nautil.Us, Sabina Hossenfelder (3), scientifique à l'Institut d'études avancées de Francfort, a estimé que "toute l'idée d'une théorie de tout est basée sur une hypothèse non scientifique". « Ce n'est pas la meilleure stratégie pour développer des théories scientifiques. (…) Le recours à la beauté dans le développement de la théorie a historiquement mal fonctionné. Selon elle, il n'y a aucune raison pour que la nature soit décrite par une théorie du tout. Bien que nous ayons besoin d'une théorie quantique de la gravité pour éviter une incohérence logique dans les lois de la nature, les forces du modèle standard n'ont pas besoin d'être unifiées et n'ont pas besoin d'être unifiées avec la gravité. Ce serait bien, oui, mais c'est inutile. Le modèle standard fonctionne bien sans unification, souligne le chercheur. La nature ne se soucie clairement pas de ce que les physiciens pensent être de belles mathématiques, dit Mme Hossenfelder avec colère. En physique, les percées dans le développement théorique sont associées à la solution d'incohérences mathématiques, et non à de beaux modèles "finis".
Malgré ces sobres avertissements, de nouvelles propositions pour une théorie du tout sont constamment avancées, comme The Exceptionally Simple Theory of Everything de Garrett Lisi, publiée en 2007. Il a la particularité que le Prof. Hossenfelder est beau et peut être montré magnifiquement avec des visualisations attrayantes (4). Cette théorie, appelée E8, affirme que la clé pour comprendre l'univers est objet mathématique en forme de rosace symétrique.
Lisi a créé cette structure en traçant les particules élémentaires sur un graphique qui prend également en compte les interactions physiques connues. Le résultat est une structure mathématique complexe à huit dimensions de 248 points. Chacun de ces points représente des particules aux propriétés différentes. Il y a un groupe de particules dans le diagramme avec certaines propriétés qui sont "manquantes". Au moins certains de ces "manquants" ont théoriquement quelque chose à voir avec la gravité, comblant le fossé entre la mécanique quantique et la relativité générale.
4. Théorie de la visualisation E8
Les physiciens doivent donc travailler pour remplir la "prise Fox". S'il réussit, que se passera-t-il ? Beaucoup répondent sarcastiquement que rien de spécial. Juste une jolie photo serait terminée. Cette construction peut être précieuse en ce sens, car elle nous montre quelles seraient les conséquences réelles de l'achèvement d'une "théorie du tout". Peut-être insignifiant dans un sens pratique.
