Kort:
- waarom de moderne natuurkunde op een dood spoor is beland.
- dat Einstein en Hawking geen tijd hadden om te verkennen.
- hoe kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie te combineren.
Met behulp van internet kun je alles leren - van het ontwerp van een interne verbrandingsmotor tot de snelheid van expansie van het universum. Maar er zijn vragen waarvan de antwoorden niet alleen bekend zijn bij Google, maar zelfs bij de grootste wetenschappers van onze tijd.
Als je opeens het geluk hebt om te praten met de nieuwste Nobelprijswinnaars in de natuurkunde, vraag ze dan niet naar exoplaneten en donkere materie, ze hebben dit al honderden keren gezegd.
Vraag beter waarom verschillende objecten in onze wereld verschillende natuurkundige wetten gehoorzamen. Bijvoorbeeld waarom planeten, sterren en andere grote objecten met elkaar in wisselwerking staan, volgens bepaalde wetten, en deeltjes op het kleinste niveau, zoals atomen, alleen zichzelf gehoorzamen.
Zo'n vraag zal de leek verbijsteren, en een geschoolde persoon zal, als hij erop antwoordt, vertellen waarom de moderne wetenschap tot stilstand is gekomen, wat het verschil is tussen het standaardmodel van de fysica en de algemene relativiteitstheorie (hierna - GR), en ook waarom de betekenis van Higgs-bosonen en snaartheorie eigenlijk is. de zaak wordt overschat.
Promotie video:
Ondanks deze verklaringen zal niemand, ook niet de herrezen Albert Einstein, in staat zijn om u de verschillende aard van fysische verschijnselen op micro- en macroniveau uit te leggen. Als u dit probleem zelf kunt oplossen - gefeliciteerd, u bent de eerste auteur van de theorie van alles, het grootste brein in de geschiedenis van de mensheid, de laureaat van alle mogelijke onderscheidingen en de vader (of moeder) van de nieuwe fysica.
Maar voordat we de wereld een revolutionaire ontdekking voorleggen, is het beter om te begrijpen wat de theorie van alles betekent, welke vragen het zou moeten beantwoorden en wie het dichtst bij de ontdekking kwam.
De theorie van alles is een combinatie van twee van de beroemdste concepten van de moderne natuurkunde: de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein en de kwantummechanica. De eerste theorie beschrijft alles wat ons omringt in de vorm van ruimte-tijd, evenals de interactie van alle objecten in het heelal met alleen zwaartekracht. De kwantummechanica beschrijft op zijn beurt de interactie van elementaire deeltjes met behulp van drie indicatoren tegelijk: elektromagnetische en sterke / zwakke nucleaire interactie.
Het heeft het dus over zwaartekracht en grote objecten zoals planeten en sterren, en de kwantummechanica heeft het over elementaire deeltjes en hun elektromagnetische en zwakke / sterke nucleaire interacties. We komen hier later op terug.
Newton's erfgenaam
Voor het eerst werd de algemene relativiteitstheorie geuit door Albert Einstein. In die tijd vulde een jonge medewerker van het Oostenrijkse octrooibureau de klassieke zwaartekrachttheorie van Newton aan en beschreef daarin alle onbekenden. Dankzij deze ontdekking leerden mensen in het bijzonder wat zwaartekracht werkelijk is en hoe het de interactie bepaalt, niet alleen tussen de appel en de aarde, maar ook tussen de zon en alle planeten in het zonnestelsel.
Einstein suggereerde dat ruimte en tijd met elkaar verbonden zijn en een enkel ruimte-tijd continuüm vormen - de basis voor het ontstaan van de zwaartekrachten van alle objecten. In tegenstelling tot de theorie van Newton is dit continuüm (of ruimte-tijd) flexibel en kan het van vorm veranderen afhankelijk van de massa van objecten en dienovereenkomstig hun energie.
De vermoedens van Einstein werden pas een paar jaar geleden in de praktijk bevestigd, toen ze merkten hoe licht - en dus ruimte-tijd - buigt en langs een enorm object - de zon - beweegt als gevolg van de invloed van de zwaartekracht. Zelfs zonder dit bewijs is de algemene relativiteitstheorie lange tijd de basis geworden voor de moderne fysica, en tot dusver heeft niemand een meer onderbouwde verklaring kunnen geven van de zwaartekracht van lichamen en velden in de ruimte.
Desondanks wordt de ruimte-tijd zelf nog steeds slecht begrepen en weten wetenschappers niet hoe het wordt gevormd en waaruit het bestaat. Antwoorden op deze vragen beginnen nu pas te worden gezocht in de kwantummechanica - een theoretische tak van de fysica die de aard van fysische verschijnselen beschrijft op het niveau van moleculen, atomen, elektronen, fotonen en andere kleine deeltjes.
Kwantummechanica
Volgens de theorie van Einstein zouden absoluut alle objecten in het heelal moeten bezwijken voor de zwaartekracht. Maar tegelijkertijd met de ontdekking van de algemene relativiteitstheorie, onderzochten andere wetenschappers hoe objecten op subatomair niveau met elkaar omgaan.
Het bleek dat zwaartekracht op zo'n schaal volkomen nutteloos is. In plaats daarvan werden elektromagnetische en zwakke / sterke nucleaire interacties bepalend. Met behulp van deze krachten werken de kleinste deeltjes met elkaar in wisselwerking: fotonen, gluonen en bosonen.
Maar wetenschappers weten nog steeds niet met welke principes deze deeltjes op elkaar inwerken, omdat ze een extreem hoge energiedichtheid kunnen hebben en zich nog steeds niet lenen voor zwaartekracht. Vandaar dergelijke onverklaarbare verschijnselen als het dualisme van golfdeeltjes (manifestaties van de eigenschappen van een golf door een deeltje), evenals het effect van een waarnemer met het resultaat in de vorm van een levende en dode Schrödinger's kat.
Hierdoor kwamen twee natuurkundige werelden met hun voorhoofd in botsing - die van Einstein, waar alle objecten bepaalde eigenschappen hebben, zich lenen voor zwaartekracht, kunnen worden beschreven en voorspelbaar, en kwantum, waar een totaal ander, onvoorspelbaar leven woedt, waarin alles constant verandert en het concept van ruimte nivelleert. tijd als zodanig.
Wat moet er gebeuren om deze twee werelden te verenigen? We hadden het over zwaartekracht in de algemene relativiteitstheorie en over de elektromagnetische, sterk / zwakke nucleaire interactie in het standaardmodel van de fysica. De zwaartekracht is dus bijna perfect, het stelt ons in staat om bijna alles om ons heen te begrijpen, maar houdt geen rekening met het zeer onverklaarbare gedrag van deeltjes op het kleinste niveau. Elektromagnetische en sterk / zwakke nucleaire interactie is een alternatief onderdeel van de fysica dat nieuwe ontdekkingen verbergt en een enorm reservoir voor onderzoek vertegenwoordigt, maar geen rekening houdt met de zwaartekrachtwetten van de algemene relativiteitstheorie.
De laatste fase in het onderzoek en het leven van Albert Einstein was de creatie van de theorie van kwantumzwaartekracht, die het mogelijk zou maken alle mogelijke interacties van objecten op macro- en microniveau te verenigen, en ook zou verklaren waarom ze zich anders gedragen. Einstein was nooit in staat om antwoorden op deze vragen te vinden, en na hem werd de mogelijke eenmaking van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica de theorie van alles genoemd.
De theorie van alles
In hun zoektocht naar een theorie van alles, hebben wetenschappers enkele van de meest ongewone objecten in het universum onderzocht: zwarte gaten. Ze zijn zo zwaar dat ze zich lenen voor de zwaartekracht en zo gecomprimeerd dat theoretisch kwantumeffecten kunnen worden waargenomen wanneer ze in een zwart gat vallen. Maar helaas hebben zwarte gaten tot dusverre, afgezien van de Hawking-straling, die in strijd is met de kwantummechanica, en een recente foto van de waarnemingshorizon, weinig bijgedragen aan de moderne wetenschap. Zelfs als ze bestaan, is het een bijna onmogelijke taak voor mensen om ze te bereiken.
Ze begonnen te zoeken naar een theorie van alles op aarde met behulp van verschillende gedachte-experimenten en eigenschappen van de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie, die elkaar mogelijk zouden kunnen aanvullen.
Tegenwoordig is de snaartheorie misschien wel de meest populaire en het dichtst bij de waarheidsversie van de theorie van alles. Het zegt dat elk deeltje een eendimensionale snaar is die vibreert in een 11-dimensionale werkelijkheid, en, afhankelijk van deze trillingen, worden de massa en lading bepaald.
De belangrijkste eigenschap van een snaar is onder andere dat deze de zwaartekracht op kwantumniveau kan overbrengen. Als een dergelijke theorie in de praktijk zou worden bevestigd, zouden snaren de eerste stap kunnen zijn op weg naar de eenmaking van de kwantummechanica met de algemene relativiteitstheorie. Maar helaas heeft tot dusverre niemand het kunnen bewijzen en verklaren dat de snaren de drager zijn van de zwaartekracht op subatomair niveau. Net zoals het recentelijk ontdekte Higgsdeeltje niet het gewenste graviton werd.
Ja, we weten nog steeds niet waar de massa van veel elementaire deeltjes vandaan komt en door welk principe ze met elkaar in wisselwerking staan, maar dit weerhoudt moderne natuurkundigen er niet van om steeds meer nieuwe 'theorieën van alles' voor te stellen.
Onlangs hebben bijvoorbeeld natuurkundigen uit China, Duitsland en Canada de theorie van het kwantumdarwinisme van Wojciech Zurek getest, die zogenaamd verklaart hoe kwantumdeeltjes hun sporen nalaten in de voor ons beschikbare macrokosmos. Maar zelfs in het geval van bevestiging van de vondst van deeltjes in twee toestanden tegelijkertijd, is dit slechts een bevestiging van de interactie van de kwantummechanica van de algemene relativiteitstheorie, en op geen enkele manier een verklaring hiervoor.
Een andere Amerikaanse theoretisch fysicus van de Universiteit van Maryland, Brian Swingle, nam op zich de aard van de oorsprong van ruimte-tijd te beschrijven en besloot dat kwantumverstrengeling het Einstein-continuüm zou kunnen vormen. Swingle suggereerde dat de vierdimensionale structuur van ruimtetijd (lengte, breedte, diepte en tijd) kan worden gecodeerd in driedimensionale kwantumfysica (met dezelfde afmetingen, alleen zonder tijd). Volgens de natuurkundige zouden zwaartekracht en de algemene relativiteitstheorie verklaard moeten worden door de eigenschappen van de kwantummechanica, en niet andersom, waardoor dit experiment nogal tegenstrijdig was.
Er zijn tientallen vergelijkbare complexe en zelfs goed beredeneerde theorieën, maar geen van hen kan nog een theorie van alles worden genoemd. Misschien is dit goed, aangezien de mens pas de laatste eeuw heeft geprobeerd te begrijpen hoe atomen en sterren op elkaar inwerken, en het heelal al bijna 14 miljard jaar bestaat.
De beroemdste moderne onderzoeker van de theorie van alles - Stephen Hawking - kwam aan het einde van zijn leven tot de conclusie dat het onmogelijk was om het te vinden. Maar dit werd geen teleurstelling voor hem, maar, zoals hij later zei, leidde integendeel tot het begrip dat iemand zich constant zal ontwikkelen: 'Nu ben ik blij dat onze zoektocht naar begrip nooit zal eindigen en dat we altijd nieuwe ontdekkingen zullen ervaren. … Zonder dit zouden we hebben stilgestaan."
