stringtranslate.com

Теория всего

Теория всего ( TOE ), окончательная теория , окончательная теория , единая теория поля или главная теория — это гипотетическая, единая, всеобъемлющая, последовательная теоретическая структура физики, которая полностью объясняет и связывает воедино все аспекты вселенной . [ 1] : 6  Поиск теории всего — одна из главных нерешенных проблем в физике . [2] [3]

За последние несколько столетий были разработаны две теоретические основы, которые вместе наиболее близко напоминают теорию всего. Эти две теории, на которых покоится 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: планеты , звезды , галактики , скопления галактик и т. д. С другой стороны, квантовая механика — это теоретическая основа, которая фокусируется в первую очередь на трех негравитационных силах для понимания Вселенной в областях как очень малого масштаба, так и малой массы: субатомные частицы , атомы и молекулы . Квантовая механика успешно реализовала Стандартную модель , которая описывает три негравитационные силы: сильную ядерную , слабую ядерную и электромагнитную силу, а также все наблюдаемые элементарные частицы. [4] : 122 

Общая теория относительности и квантовая механика неоднократно подтверждались в своих отдельных областях релевантности. Поскольку обычные области применимости общей теории относительности и квантовой механики настолько различны, в большинстве ситуаций требуется использовать только одну из двух теорий. [5] [6] [7] : 842–844  Две теории считаются несовместимыми в областях чрезвычайно малых масштабов — масштабах Планка — таких, которые существуют внутри черной дыры или на начальных стадиях Вселенной (т. е. в момент сразу после Большого взрыва ). Чтобы разрешить несовместимость, необходимо открыть теоретическую структуру, раскрывающую более глубокую базовую реальность, объединяющую гравитацию с тремя другими взаимодействиями, чтобы гармонично интегрировать сферы общей теории относительности и квантовой механики в единое целое: теория всего может быть определена как всеобъемлющая теория, которая, в принципе, была бы способна описать все физические явления во Вселенной.

В погоне за этой целью квантовая гравитация стала одной из областей активных исследований. [8] [9] Одним из примеров является теория струн , которая превратилась в кандидата на теорию всего, но не без недостатков (в частности, очевидного отсутствия в настоящее время проверяемых предсказаний ) и противоречий. Теория струн утверждает, что в начале вселенной (до 10−43 секунд после Большого взрыва) четыре фундаментальные силы когда-то были единой фундаментальной силой. Согласно теории струн, каждая частица во вселенной на самом ультрамикроскопическом уровне ( планковская длина ) состоит из различных комбинаций вибрирующих струн (или нитей) с предпочтительными моделями вибрации. Теория струн далее утверждает, что именно посредством этих определенных колебательных моделей струн создается частица уникальной массы и заряда силы (то есть электрон — это тип струны, которая вибрирует в одном направлении, в то время как верхний кварк — это тип струны, вибрирующей в другом направлении, и так далее). Теория струн/ М-теория предполагает шесть или семь измерений пространства -времени в дополнение к четырем обычным измерениям для десяти- или одиннадцатимерного пространства-времени.

Имя

Первоначально термин «теория всего» использовался с иронической ссылкой на различные сверхобобщенные теории. Например, дедушка Ийона Тихого — персонажа цикла научно-фантастических рассказов Станислава Лема 1960 -х годов — был известен тем, что работал над « Общей теорией всего ». Физик Харальд Фрицш использовал этот термин в своих лекциях 1977 года в Варенне . [10] Физик Джон Эллис утверждает [11], что ввел аббревиатуру «TOE» в техническую литературу в статье в журнале Nature в 1986 году. [12] Со временем этот термин закрепился в популяризации исследований теоретической физики .

Исторические предпосылки

От античности до 19 века

Многие древние культуры, такие как вавилонские астрономы и индийская астрономия, изучали схему Семи Священных Светильников / Классических Планет на фоне звезд , с их интересом к связи небесного движения с человеческими событиями ( астрология ), и целью было предсказывать события, записывая события против меры времени, а затем искать повторяющиеся закономерности. Спор между вселенной, имеющей либо начало , либо вечные циклы, можно проследить до древней Вавилонии . [13] Индуистская космология утверждает, что время бесконечно с циклической вселенной , где текущей вселенной предшествовало и будет следовать бесконечное количество вселенных. [14] [15] Временные шкалы, упомянутые в индуистской космологии, соответствуют шкалам современной научной космологии. Ее циклы длятся от наших обычных дня и ночи до дня и ночи Брахмы, продолжительностью 8,64 миллиарда лет. [16]

Естественная философия атомизма появилась в нескольких древних традициях. В древнегреческой философии досократовские философы предполагали, что видимое разнообразие наблюдаемых явлений обусловлено одним типом взаимодействия, а именно движениями и столкновениями атомов. Концепция «атома», предложенная Демокритом , была ранней философской попыткой объединить явления, наблюдаемые в природе. Концепция «атома» также появилась в школе ньяя - вайшешика древнеиндийской философии .

Архимед, возможно, был первым философом, который описал природу с помощью аксиом (или принципов), а затем вывел из них новые результаты. Любая «теория всего» также должна основываться на аксиомах и выводить из них все наблюдаемые явления. [17] : 340 

Следуя более ранней атомистической мысли, механистическая философия 17-го века постулировала, что все силы в конечном итоге можно свести к силам контакта между атомами, которые затем представлялись как крошечные твердые частицы. [18] : 184  [19]

В конце 17 века описание Исааком Ньютоном силы тяготения на большом расстоянии подразумевало, что не все силы в природе возникают в результате соприкосновения вещей. Работа Ньютона в его «Математических началах натуральной философии» рассматривала это в качестве еще одного примера объединения , в данном случае объединяя работу Галилея о земном тяготении, законы Кеплера о движении планет и явление приливов, объясняя эти кажущиеся действия на расстоянии одним единственным законом: законом всемирного тяготения . [20]

В 1814 году, основываясь на этих результатах, Лаплас высказал знаменитую мысль, что достаточно мощный интеллект мог бы, зная положение и скорость каждой частицы в данный момент времени, а также законы природы, вычислить положение любой частицы в любой другой момент времени: [21] : гл. 7 

Интеллект, который в определенный момент знал бы все силы, приводящие природу в движение, и все положения всех предметов, из которых она состоит, если бы этот интеллект был еще и достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, он бы охватил в одной формуле движения величайших тел вселенной и движения мельчайшего атома; для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, стояло бы перед его глазами.

-  Философское эссе по вероятностям , Введение. 1814 г.

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

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед открыл связь между электричеством и магнетизмом, что положило начало десятилетиям работы, которая достигла кульминации в 1865 году в теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла . В течение 19-го и начала 20-го веков постепенно стало очевидно, что многие общие примеры сил — контактные силы, упругость , вязкость , трение и давление — являются результатом электрических взаимодействий между мельчайшими частицами материи.

В своих экспериментах 1849–1850 годов Майкл Фарадей был первым, кто искал объединение гравитации с электричеством и магнетизмом. [22] Однако он не нашел никакой связи.

В 1900 году Дэвид Гильберт опубликовал знаменитый список математических проблем. В шестой проблеме Гильберта он бросил вызов исследователям, чтобы найти аксиоматическую основу для всей физики. В этой проблеме он, таким образом, просил о том, что сегодня назвали бы теорией всего. [23]

Начало 20 века

В конце 1920-х годов новая квантовая механика показала, что химические связи между атомами являются примерами (квантовых) электрических сил, оправдывая хвастовство Дирака о том, что «основные физические законы, необходимые для математической теории большой части физики и всей химии, таким образом полностью известны» [24] .

После 1915 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации ( общую теорию относительности ), поиск единой теории поля, объединяющей гравитацию с электромагнетизмом, начался с возобновленным интересом. Во времена Эйнштейна сильные и слабые взаимодействия еще не были открыты, однако он нашел потенциальное существование двух других отдельных сил, гравитации и электромагнетизма, гораздо более заманчивым. Это положило начало его 40-летнему путешествию в поисках так называемой «единой теории поля», которая, как он надеялся, покажет, что эти две силы на самом деле являются проявлениями одного великого, основополагающего принципа. В течение последних нескольких десятилетий его жизни эта амбиция отдалила Эйнштейна от остальной части основного течения физики, поскольку основное течение вместо этого было гораздо больше взволновано зарождающейся структурой квантовой механики. Эйнштейн писал другу в начале 1940-х годов: «Я стал одиноким старичком, который в основном известен тем, что не носит носков, и которого выставляют как диковинку по особым случаям». Выдающимися авторами были Гуннар Нордстрём , Герман Вейль , Артур Эддингтон , Дэвид Гильберт , [25] Теодор Калуца , Оскар Клейн (см. Теория Калуцы–Клейна ), и, в первую очередь, Альберт Эйнштейн и его коллеги. Эйнштейн всерьез искал, но в конечном итоге не смог найти, объединяющую теорию [26] : гл. 17  (см. Уравнения Эйнштейна–Максвелла–Дирака).

Конец 20 века и ядерные взаимодействия

В 20 веке поиск объединяющей теории был прерван открытием сильных и слабых ядерных сил, которые отличаются как от гравитации, так и от электромагнетизма. Еще одним препятствием было признание того, что в теории всего квантовая механика должна быть включена с самого начала, а не возникать как следствие детерминированной объединенной 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 в течение большей части 20-го века была сосредоточена на понимании трех сил, описываемых квантовой механикой: электромагнетизма и слабых и сильных взаимодействий. Первые два были объединены в 1967–1968 годах Шелдоном Глэшоу , Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в электрослабое взаимодействие. [27] Электрослабое объединение представляет собой нарушенную симметрию : электромагнитные и слабые взаимодействия кажутся различными при низких энергиях, поскольку частицы, несущие слабое взаимодействие, W- и Z-бозоны , имеют ненулевые массы (80,4 ГэВ / c2 и91,2 ГэВ/ c 2 , соответственно), тогда как фотон , который переносит электромагнитную силу, не имеет массы. При более высоких энергиях W-бозоны и Z-бозоны могут быть легко созданы , и единая природа силы становится очевидной.

Хотя сильные и электрослабые силы сосуществуют в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, они остаются различными. Таким образом, стремление к теории всего осталось безуспешным: ни объединение сильных и электрослабых сил — которые Лаплас назвал бы «контактными силами» — ни объединение этих сил с гравитацией не были достигнуты.

Современная физика

Обычная последовательность теорий

Теория всего объединила бы все фундаментальные взаимодействия природы: гравитацию , сильное взаимодействие , слабое взаимодействие и электромагнетизм . Поскольку слабое взаимодействие может преобразовывать элементарные частицы из одного вида в другой, теория всего также должна предсказывать все возможные виды частиц. Обычный предполагаемый путь теорий представлен на следующем графике, где каждый шаг объединения ведет на один уровень вверх по графику.

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

Было предложено несколько Великих объединенных теорий (GUT) для объединения электромагнетизма, слабых и сильных взаимодействий. Великое объединение подразумевает существование электроядерной силы; ожидается, что она начнет действовать при энергиях порядка 10 16 ГэВ, что намного больше, чем может быть достигнуто любым ныне возможным ускорителем частиц . Хотя простейшие великие объединенные теории были экспериментально исключены, идея великой объединенной теории, особенно в сочетании с суперсимметрией , остается любимым кандидатом в сообществе теоретической физики. Суперсимметричные великие объединенные теории 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 великой объединенной теории (хотя она, по-видимому, не является неизбежной частью теории). Тем не менее, великие объединенные теории явно не являются окончательным ответом; как текущая стандартная модель, так и все предлагаемые GUT являются квантовыми теориями поля , которые требуют проблематичного метода перенормировки для получения разумных ответов. Обычно это рассматривается как признак того, что это всего лишь эффективные теории поля , опускающие важные явления, имеющие значение только при очень высоких энергиях. [6]

Последний шаг в графике требует разрешения разделения между квантовой механикой и гравитацией, часто приравниваемой к общей теории относительности. Многочисленные исследователи концентрируют свои усилия на этом конкретном шаге; тем не менее, ни одна принятая теория квантовой гравитации , а следовательно, и ни одна принятая теория всего, не появилась с наблюдательными доказательствами. Обычно предполагается, что теория всего также решит оставшиеся проблемы теорий великого объединения.

В дополнение к объяснению сил, перечисленных в графике, теория всего может также объяснить статус по крайней мере двух кандидатов сил, предложенных современной космологией : инфляционной силы и темной энергии . Кроме того, космологические эксперименты также предполагают существование темной материи , предположительно состоящей из фундаментальных частиц вне схемы стандартной модели. Однако существование этих сил и частиц не было доказано.

Теория струн и М-теория

Нерешенная задача по физике :
Является ли теория струн , теория суперструн , или М-теория , или какой-либо другой вариант на эту тему шагом на пути к «теории всего» или просто тупиком?
(еще нерешенные проблемы 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 других — максимально- суперсимметричной одиннадцатимерной супергравитацией , является теорией всего. По этому вопросу нет широкого консенсуса.

Одно замечательное свойство теории струн / М-теории заключается в том, что для согласованности теории требуется семь дополнительных измерений, помимо четырех измерений в нашей Вселенной. В этом отношении теорию струн можно рассматривать как построенную на идеях теории Калуцы-Клейна , в которой было осознано, что применение общей теории относительности к 5-мерной Вселенной с одним малым и свернутым пространственным измерением выглядит с 4-мерной точки зрения как обычная общая теория относительности вместе с электродинамикой Максвелла . Это придало достоверность идее объединения калибровочных и гравитационных взаимодействий и дополнительных измерений, но не удовлетворило детальным экспериментальным требованиям. Другим важным свойством теории струн является ее суперсимметрия , которая вместе с дополнительными измерениями является двумя основными предложениями для решения проблемы иерархии стандартной модели , которая (приблизительно) является вопросом о том, почему гравитация настолько слабее любой другой силы. Решение для дополнительных измерений предполагает распространение гравитации в другие измерения, при этом другие силы остаются ограниченными четырехмерным пространством-временем. Эта идея была реализована с помощью явных струнных механизмов. [28]

Исследования в области теории струн были поддержаны различными теоретическими и экспериментальными факторами. С экспериментальной стороны, содержание частиц стандартной модели, дополненное массами нейтрино, вписывается в спинорное представление SO(10) , подгруппы E8 , которая регулярно возникает в теории струн, например, в гетеротической теории струн [29] или (иногда эквивалентно) в F-теории . [30] [31] Теория струн имеет механизмы, которые могут объяснить, почему фермионы бывают трех иерархических поколений, и объяснить скорости смешивания между поколениями кварков. [32] С теоретической стороны, она начала решать некоторые из ключевых вопросов квантовой гравитации , такие как разрешение парадокса информации о черных дырах , подсчет правильной энтропии черных дыр [33] [34] и учет процессов изменения топологии . [35] [36] [37] Это также привело ко многим открытиям в чистой математике и в обычной, сильно связанной калибровочной теории благодаря дуальности Калибровка/Струна .

В конце 1990-х годов было отмечено, что одним из главных препятствий в этом начинании является то, что число возможных 4-мерных вселенных невероятно велико. Маленькие, «свернутые» дополнительные измерения могут быть компактифицированы огромным количеством различных способов (одна оценка составляет 10 500  ), каждый из которых приводит к различным свойствам для частиц и сил с низкой энергией. Этот массив моделей известен как ландшафт теории струн . [17] : 347 

Одно из предлагаемых решений заключается в том, что многие или все эти возможности реализуются в той или иной из огромного числа вселенных, но только небольшое число из них обитаемо. Следовательно, то, что мы обычно воспринимаем как фундаментальные константы вселенной, в конечном счете является результатом антропного принципа, а не продиктовано теорией. Это привело к критике теории струн, [38] утверждающей, что она не может делать полезные (т. е. оригинальные, фальсифицируемые и проверяемые) предсказания и рассматривающей ее как псевдонауку / философию . Другие не согласны, [39] и теория струн остается активной темой исследования в теоретической физике . [40]

Петлевая квантовая гравитация

Текущие исследования петлевой квантовой гравитации могут в конечном итоге сыграть фундаментальную роль в теории всего, но это не является их главной целью. [41] Петлевая квантовая гравитация также 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 ( лептоны и кварки ) с правильными свойствами четности было смоделировано Сандэнсом Билсоном-Томпсоном с использованием преонов, состоящих из кос пространства-времени в качестве строительных блоков. [42] Однако нет 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 концепций квантовых вычислений позволило продемонстрировать, что частицы способны выживать при квантовых флуктуациях . [43]

Эта модель приводит к интерпретации электрического и цветового заряда как топологических величин (электрический заряд как число и хиральность скручиваний, переносимых на отдельные ленты, а цвет как варианты такого скручивания для фиксированного электрического заряда).

В оригинальной статье Билсона-Томпсона предполагалось, что фермионы более высокого поколения могут быть представлены более сложными переплетениями, хотя явные конструкции этих структур не были даны. Электрический заряд, цвет и свойства четности таких фермионов возникали бы так же, как и для первого поколения. Модель была явно обобщена для бесконечного числа поколений и для бозонов слабого взаимодействия (но не для фотонов или глюонов) в статье 2008 года Билсона-Томпсона, Хакетта, Кауфмана и Смолина. [44]

Другие попытки

Среди других попыток разработать теорию всего — теория причинных фермионных систем , [45] рассматривающая две современные физические теории ( общую теорию относительности и квантовую теорию поля ) как предельные случаи.

Другая теория называется Causal Sets . Как и некоторые из подходов, упомянутых выше, ее прямая цель не обязательно заключается в достижении теории всего, а в первую очередь в рабочей теории квантовой гравитации, которая в конечном итоге может включать стандартную модель и стать кандидатом на теорию всего. Ее основополагающий принцип заключается в том, что пространство-время принципиально дискретно и что события пространства-времени связаны частичным порядком . Этот частичный порядок имеет физический смысл причинно -следственных связей между относительным прошлым и будущим, различая события пространства-времени.

Причинно-следственная динамическая триангуляция не предполагает наличия какой-либо заранее существующей арены (пространства измерений), а скорее пытается показать, как развивается сама ткань пространства-времени.

Другая попытка может быть связана с ER=EPR , гипотезой в физике, утверждающей, что запутанные частицы связаны червоточиной ( или мостом Эйнштейна-Розена). [46]

Текущий статус

В настоящее время не существует ни одной теории всего, которая включала бы стандартную модель физики элементарных частиц и общую теорию относительности и которая в то же время была бы способна рассчитать постоянную тонкой структуры или массу электрона . [2] Большинство физиков, изучающих элементарные частицы, ожидают, что результаты текущих экспериментов — поиск новых частиц на больших ускорителях частиц и темной материи — понадобятся для того, чтобы внести дальнейший вклад в теорию всего.

Аргументы против

Параллельно с интенсивным поиском теории всего различные ученые обсуждали возможность ее открытия.

Теорема Гёделя о неполноте

Ряд ученых утверждают, что теорема Гёделя о неполноте предполагает, что попытки построить теорию всего обречены на провал. Теорема Гёделя, сформулированная неформально, утверждает, что любая формальная теория, достаточная для выражения элементарных арифметических фактов и достаточно сильная для их доказательства, либо непоследовательна (и утверждение, и его отрицание могут быть выведены из ее аксиом), либо неполна, в том смысле, что существует истинное утверждение, которое не может быть выведено в формальной теории.

Стэнли Яки в своей книге 1966 года «Значимость физики » указал, что, поскольку «теория всего» обязательно будет последовательной нетривиальной математической теорией, она должна быть неполной. Он утверждает, что это обрекает на провал поиски детерминированной теории всего. [47]

Фримен Дайсон заявил, что «теорема Гёделя подразумевает, что чистая математика неисчерпаема. Независимо от того, сколько проблем мы решим, всегда найдутся другие проблемы, которые не могут быть решены в рамках существующих правил. […] Благодаря теореме Гёделя физика также неисчерпаема. Законы физики представляют собой конечный набор правил и включают правила выполнения математических задач, так что теорема Гёделя применима к ним». [48]

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. Я раньше принадлежал к этому лагерю, но теперь я изменил свое мнение». [49]

Юрген Шмидхубер (1997) выступил против этой точки зрения; он утверждает, что теоремы Гёделя не имеют отношения к вычислимой физике. [50] В 2000 году Шмидхубер явно сконструировал предельно вычислимые, детерминированные вселенные, псевдослучайность которых, основанная на неразрешимых , гёделеподобных проблемах остановки , чрезвычайно трудно обнаружить, но это не мешает формальным теориям всего, описываемого очень немногими битами информации. [51]

Схожая критика была предложена Соломоном Феферманом [52] и другими. Дуглас С. Робертсон приводит игру Конвея «Жизнь» в качестве примера: [53] Базовые правила просты и полны, но есть формально неразрешимые вопросы о поведении игры. Аналогично, может (или не может) быть возможным полностью сформулировать базовые правила физики с конечным числом четко определенных законов, но нет никаких сомнений в том, что есть вопросы о поведении физических систем, которые формально неразрешимы на основе этих базовых законов.

Поскольку большинство физиков посчитали бы, что формулировка основных правил достаточна для определения «теории всего», большинство физиков утверждают, что теорема Гёделя не означает , что теория всего не может существовать. [ требуется ссылка ] С другой стороны, ученые, ссылающиеся на теорему Гёделя, по-видимому, по крайней мере в некоторых случаях, имеют в виду не основные правила, а понятность поведения всех физических систем, как, например, когда Хокинг упоминает о размещении блоков в прямоугольники, превращая вычисление простых чисел в физический вопрос. [54] Это расхождение в определениях может объяснить некоторые разногласия среди исследователей.

Фундаментальные ограничения точности

Ни одна физическая теория на сегодняшний день не считается абсолютно точной. Вместо этого физика двигалась путем серии «последовательных приближений», позволяющих делать все более точные предсказания для все более широкого диапазона явлений. Некоторые физики считают, что поэтому ошибочно путать теоретические модели с истинной природой реальности, и считают, что серия приближений никогда не закончится «истиной». [55] Сам Эйнштейн иногда выражал эту точку зрения. [56]

Определение основных законов

В физическом сообществе ведутся философские дебаты о том, заслуживает ли теория всего называться фундаментальным законом вселенной. [57] Одна точка зрения — это жесткая редукционистская позиция, согласно которой теория всего является фундаментальным законом, а все другие теории, применяемые во вселенной, являются следствием теории всего. Другая точка зрения заключается в том, что эмерджентные законы, которые управляют поведением сложных систем , следует рассматривать как столь же фундаментальные. Примерами эмерджентных законов являются второй закон термодинамики и теория естественного отбора . Сторонники эмерджентности утверждают, что эмерджентные законы, особенно те, которые описывают сложные или живые системы, независимы от низкоуровневых, микроскопических законов. С этой точки зрения эмерджентные законы столь же фундаментальны, как и теория всего.

Дебаты не проясняют суть вопроса. Возможно, единственный вопрос, который стоит на кону, — это право применять высокостатусный термин «фундаментальный» к соответствующим предметам исследования. Известный спор по этому поводу состоялся между Стивеном Вайнбергом и Филиппом Андерсоном . [58]

Невозможность расчета

Вайнберг [59] указывает, что вычислить точное движение реального снаряда в атмосфере Земли невозможно. Так как же мы можем знать, что у нас есть адекватная теория для описания движения снарядов? Вайнберг предполагает, что мы знаем принципы (законы движения и тяготения Ньютона), которые работают «достаточно хорошо» для простых примеров, таких как движение планет в пустом пространстве. Эти принципы работали так хорошо на простых примерах, что мы можем быть достаточно уверены, что они будут работать и для более сложных примеров. Например, хотя общая теория относительности включает уравнения, которые не имеют точных решений, она широко принята как действительная теория, потому что все ее уравнения с точными решениями были экспериментально проверены. Аналогично, теория всего должна работать для широкого круга простых примеров таким образом, чтобы мы могли быть достаточно уверены, что она будет работать для любой ситуации в физике. Трудности в создании теории всего часто начинают появляться при объединении квантовой механики с общей теорией относительности , поскольку уравнения квантовой механики начинают давать сбои, когда к ним применяется сила тяжести.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Вайнберг, Стивен (2011-04-20). Мечты об окончательной теории: поиск учеными окончательных законов природы . Издательская группа Knopf Doubleday. ISBN 978-0-307-78786-6.
  2. ^ ab Overbye, Dennis (23 ноября 2020 г.). «Может ли компьютер разработать теорию всего? — Физики говорят, что это возможно, но не в ближайшее время. И нет никакой гарантии, что мы, люди, поймем результат». The New York Times . Архивировано из оригинала 23 ноября 2020 г. . Получено 23 ноября 2020 г. .
  3. ↑ До свидания, Деннис (11 сентября 2023 г.). «Не ждите, что «Теория всего» объяснит все — даже самая передовая физика не может раскрыть все, что мы хотим знать об истории и будущем космоса или о нас самих». The New York Times . Архивировано из оригинала 11 сентября 2023 г. . Получено 11 сентября 2023 г.
  4. ^ Хокинг, Стивен У. (28 февраля 2006 г.). Теория всего: происхождение и судьба Вселенной . Phoenix Books; Специальный юбилей. ISBN 978-1-59777-508-3.
  5. ^ СМОЛИН, Л. (2004). «Приглашение к петлевой квантовой гравитации». Квантовая теория и симметрии . [] : 655–682. arXiv : hep-th/0408048 . Bibcode :2004qts..conf..655S. doi :10.1142/9789812702340_0078. ISBN 978-981-256-068-1. S2CID  16195175.
  6. ^ ab Carlip, Steven (2001). «Квантовая гравитация: отчет о ходе работы». Reports on Progress in Physics . 64 (8): 885–942. arXiv : gr-qc/0108040 . Bibcode :2001RPPh...64..885C. doi :10.1088/0034-4885/64/8/301. S2CID  118923209.
  7. ↑ Прист, Сусанна Хорниг (14 июля 2010 г.). Энциклопедия науки и технологий . SAGE Publications. ISBN 978-1-4522-6578-0.
  8. ^ До свидания, Деннис (10 октября 2022 г.). «Черные дыры могут скрывать умопомрачительную тайну о нашей Вселенной — возьмите гравитацию, добавьте квантовую механику, перемешайте. Что вы получите? Может быть, голографический космос». The New York Times . Архивировано из оригинала 16 ноября 2022 г. . Получено 22 октября 2022 г.
  9. ^ Старр, Мишель (16 ноября 2022 г.). «Ученые создали черную дыру в лаборатории, а затем она начала светиться». ScienceAlert . Архивировано из оригинала 15 ноября 2022 г. . Получено 16 ноября 2022 г. .
  10. ^ Фрицш, Харальд (1977). «МИР ВКУСА И ЦВЕТА». Отчет ЦЕРН . Ref.TH.2359-CERN.(скачать по ссылке https://cds.cern.ch/record/875256/files/CM-P00061728.pdf Архивировано 12.02.2020 на Wayback Machine )
  11. ^ Эллис, Джон (2002). «Физика становится физической (переписка)». Nature . 415 (6875): 957. Bibcode :2002Natur.415..957E. doi : 10.1038/415957b . PMID  11875539.
  12. ^ Эллис, Джон (1986). «Суперструна: теория всего или ничего?». Nature . 323 (6089): 595–598. Bibcode : 1986Natur.323..595E. doi : 10.1038/323595a0. S2CID  4344940.
  13. ^ Ходж, Джон К. (2012). Теория всего: скалярная потенциальная модель большого и малого . CreateSpace Independent Publishing Platform. стр. 1–13, 99. ISBN 978-1-4699-8736-1.
  14. ^ Сушил Миттал; Джин Терсби (2012). Hindu World . Routledge. стр. 284. ISBN 978-1-134-60875-1.
  15. ^ Джонс, Эндрю Циммерман (2009). Теория струн для чайников . John Wiley & Sons. стр. 262. ISBN 978-0-470-59584-8.
  16. ^ Саган, Карл (2006). Космос .
  17. ^ ab Impey, Chris (26 марта 2012 г.). How It Began: A Time-Traveler's Guide to the Universe . WW Norton. ISBN 978-0-393-08002-5.
  18. ^ Бернс, Уильям Э. (1 января 2001 г.). Научная революция: энциклопедия . ABC-CLIO. ISBN 978-0-87436-875-8.
  19. ^ Шапин, Стивен (1996). Научная революция . Издательство Чикагского университета . ISBN 978-0-226-75021-7.
  20. ↑ Ньютон, сэр Исаак (1729). Математические начала натуральной философии. Т. II. С. 255.
  21. ^ Кэрролл, Шон (2010). От вечности к настоящему: поиск окончательной теории времени . Penguin Group US. ISBN 978-1-101-15215-7.
  22. ^ Фарадей, М. (1850). «Экспериментальные исследования по электричеству. Двадцать четвертая серия. О возможной связи гравитации с электричеством». Рефераты докладов, переданных в Лондонское королевское общество . 5 : 994–995. doi : 10.1098/rspl.1843.0267 .
  23. ^ Горбань, Александр Н.; Карлин, Илья (2013). «6-я 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. S2CID  7228220.
  24. ^ Дирак, П. А. М. (1929). «Квантовая механика многоэлектронных систем». Труды Лондонского королевского общества A. 123 ( 792): 714–733. Bibcode : 1929RSPSA.123..714D. doi : 10.1098/rspa.1929.0094 .
  25. ^ Майер, У.; Зауэр, Т. (2005). «Уравнения мира» Гильберта и его видение единой науки . Исследования Эйнштейна. Том 11. С. 259–276. arXiv : physics/0405110 . Bibcode :2005ugr..book..259M. doi :10.1007/0-8176-4454-7_14. ISBN 978-0-8176-4454-3. S2CID  985751.
  26. ↑ Авраам Паис (23 сентября 1982 г.). Тонкий Господь: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-152402-8.
  27. ^ Вайнберг (1993), Гл. 5
  28. ^ Холлоуэй, М (2005). "Красота бран" (PDF) . Scientific American . 293 (4): 38–40. Bibcode :2005SciAm.293d..38H. doi :10.1038/scientificamerican1005-38. PMID  16196251. Архивировано из оригинала (PDF) 22 ноября 2014 г. . Получено 13 августа 2012 г. .
  29. ^ Ниллес, Ганс Петер; Рамос-Санчес, Сауль; Ратц, Майкл; Водреванг, Патрик КС (2009). «От струн к МССМ». Европейский физический журнал C . 59 (2): 249–267. arXiv : 0806.3905 . Бибкод : 2009EPJC...59..249N. doi : 10.1140/epjc/s10052-008-0740-1. S2CID  17452924.
  30. ^ Бисли, Крис; Хекман, Джонатан Дж; Вафа, Камран (2009). «GUTs 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. S2CID  119309173.
  31. ^ Донаги, Рон; Вейнхольт, Мартейн (2008). «Построение модели с помощью F-теории». arXiv : 0802.2969v3 [hep-th].
  32. ^ Хекман, Джонатан Дж.; Вафа, Кумрун (2010). «Иерархия ароматов из F-теории». Nuclear Physics B . 837 (1): 137–151. arXiv : 0811.2417 . Bibcode :2010NuPhB.837..137H. doi :10.1016/j.nuclphysb.2010.05.009. S2CID  119244083.
  33. ^ Стромингер, Эндрю; Вафа, Камрун (1996). «Микроскопическое происхождение энтропии Бекенштейна-Хокинга». Physics Letters B. 379 ( 1–4): 99–104. arXiv : hep-th/9601029 . Bibcode : 1996PhLB..379...99S. doi : 10.1016/0370-2693(96)00345-0. S2CID  1041890.
  34. ^ Горовиц, Гэри. «Происхождение энтропии черной дыры в теории струн». arXiv : gr-qc/9604051 .
  35. ^ Грин, Брайан Р.; Моррисон, Дэвид Р.; Стромингер, Эндрю (1995). «Конденсация черных дыр и объединение струнных вакуумов». Nuclear Physics B. 451 ( 1–2): 109–120. arXiv : hep-th/9504145 . Bibcode : 1995NuPhB.451..109G. doi : 10.1016/0550-3213(95)00371-X. S2CID  11145691.
  36. ^ Аспинуолл, Пол С.; Грин, Брайан Р.; Моррисон, Дэвид Р. (1994). «Пространство модулей Калаби-Яу, зеркальные многообразия и изменение топологии пространства-времени в теории струн». Nuclear Physics B . 416 (2): 414. arXiv : hep-th/9309097 . Bibcode :1994NuPhB.416..414A. doi :10.1016/0550-3213(94)90321-2. S2CID  10927539.
  37. ^ Адамс, Аллан ; Лю, Сяо; Макгриви, Джон; Солтман, Алекс; Сильверштейн, Ева (2005). «Вещи распадаются: изменение топологии из-за намотки тахионов». Журнал физики высоких энергий . 2005 (10): 033. arXiv : hep-th/0502021 . Bibcode : 2005JHEP...10..033A. doi : 10.1088/1126-6708/2005/10/033. S2CID  14320855.
  38. ^ Смолин, Ли (2006). Проблемы с физикой: взлет теории струн, падение науки и что будет дальше . Houghton Mifflin. ISBN 978-0-618-55105-7.
  39. ^ Дафф, М. Дж. (2011). «Струны и М-теория: отвечая критикам». Основы физики . 43 (1): 182–200. arXiv : 1112.0788 . Bibcode :2013FoPh...43..182D. doi :10.1007/s10701-011-9618-4. S2CID  55066230.
  40. ^ Чуй, Гленнда (1 мая 2007 г.). «Великий спор о струнах». Symmetry Magazine . Архивировано из оригинала 2018-10-17 . Получено 2018-10-17 .
  41. ^ Поттер, Франклин (15 февраля 2005 г.). «Лептоны и кварки в дискретном пространстве-времени» (PDF) . Научные жемчужины Фрэнка Поттера . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-03-09 . Получено 2009-12-01 .
  42. ^ Билсон-Томпсон, Сандэнс О.; Маркопулу, Фотини; Смолин, Ли (2007). «Квантовая гравитация и стандартная модель». Classical and Quantum Gravity . 24 (16): 3975–3994. arXiv : hep-th/0603022 . Bibcode : 2007CQGra..24.3975B. doi : 10.1088/0264-9381/24/16/002. S2CID  37406474.
  43. ^ Кастельвекки, Давиде; Валери Джеймисон (12 августа 2006 г.). «Вы сделаны из пространства-времени». New Scientist (2564). Архивировано из оригинала 9 февраля 2008 г. Получено 16 сентября 2017 г.
  44. ^ Билсон-Томпсон, Сандэнс; Хакетт, Джонатан; Кауфман, Лу; Смолин, Ли (2008). «Идентификация частиц с помощью симметрий инвариантов плетеных ленточных сетей». arXiv : 0804.0037 [hep-th].
  45. ^ Финстер, Ф.; Кляйнер, Дж. (2015). «Причинные фермионные системы как кандидат на единую физическую теорию». Journal of Physics: Conference Series . 626 (2015): 012020. arXiv : 1502.03587 . Bibcode : 2015JPhCS.626a2020F. doi : 10.1088/1742-6596/626/1/012020. S2CID  33471826.
  46. ^ Коуэн, Рон (16 ноября 2015 г.). «Квантовый источник пространства-времени». Nature . 527 (7578): 290–293. Bibcode :2015Natur.527..290C. doi :10.1038/527290a. PMID  26581274. S2CID  4447880.
  47. ^ Jaki, SL (1966). Актуальность физики . Chicago Press. С. 127–130.
  48. ↑ Фримен Дайсон, NYRB, 13 мая 2004 г.
  49. ↑ Стивен Хокинг, Гёдель и конец физики Архивировано 29.05.2020 на Wayback Machine , 20 июля 2002 г.
  50. ^ Шмидхубер, Юрген (1997). Взгляд специалиста по информатике на жизнь, вселенную и все остальное. Конспект лекций по информатике. Том 1337. Springer . С. 201–208. CiteSeerX 10.1.1.580.1970 . doi :10.1007/BFb0052071. ISBN  978-3-540-63746-2. S2CID  21317070. Архивировано из оригинала 2014-02-27 . Получено 2008-03-26 .
  51. ^ Шмидхубер, Юрген (2002). «Иерархии обобщенных колмогоровских сложностей и неперечислимые универсальные меры, вычислимые в пределе». Международный журнал оснований компьютерной науки . 13 (4): 587–612. arXiv : quant-ph/0011122 . Bibcode :2000quant.ph.11122S. doi :10.1142/s0129054102001291.
  52. ^ Феферман, Соломон (17 ноября 2006 г.). "Природа и значение теорем Гёделя о неполноте" (PDF) . Институт перспективных исследований . Архивировано (PDF) из оригинала 2008-12-17 . Получено 2009-01-12 .
  53. ^ Робертсон, Дуглас С. (2007). «Теорема Гёделя, теория всего и будущее науки и математики». Complexity . 5 (5): 22–27. Bibcode : 2000Cmplx...5e..22R. doi : 10.1002/1099-0526(200005/06)5:5<22::AID-CPLX4>3.0.CO;2-0.
  54. ↑ Хокинг, Стивен (20 июля 2002 г.). «Гёдель и конец физики». Архивировано из оригинала 2011-05-21 . Получено 2009-12-01 .
  55. ^ результаты, поиск (17 декабря 2006 г.). Новый космический лук: кварки и природа Вселенной . CRC Press. ISBN 978-1-58488-798-0.
  56. ↑ Эйнштейн, письмо Феликсу Клейну, 1917. (О детерминизме и приближениях.) Цитируется в Pais (1982), гл. 17.
  57. ↑ Вайнберг (1993), Гл. 2.
  58. ^ Суперструны, P-браны и М-теория . стр. 7.
  59. ^ Вайнберг (1993) стр. 5

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Теория всего .
В Викицитатнике есть цитаты, связанные с Теорией всего .