Corto:
- perché la fisica moderna ha raggiunto un vicolo cieco.
- che Einstein e Hawking non ebbero il tempo di esplorare.
- come combinare la meccanica quantistica e la relatività generale.
Con l'aiuto di Internet, puoi imparare tutto: dalla progettazione di un motore a combustione interna alla velocità di espansione dell'Universo. Ma ci sono domande, le cui risposte non sono conosciute non solo da Google, ma anche dai più grandi scienziati del nostro tempo.
Se all'improvviso sei abbastanza fortunato da parlare con gli ultimi vincitori del Premio Nobel per la fisica, non chiedere loro di esopianeti e materia oscura, lo hanno già detto centinaia di volte.
È meglio chiedersi perché oggetti diversi nel nostro mondo obbediscono a leggi fisiche diverse. Ad esempio, perché pianeti, stelle e altri oggetti di grandi dimensioni interagiscono tra loro, seguendo determinate leggi, e le particelle al livello più piccolo, come gli atomi, obbediscono solo a se stesse.
Una domanda del genere sconcerterà il profano, e una persona istruita, rispondendo, dirà perché la scienza moderna è arrivata a un punto morto, qual è la differenza tra il modello standard della fisica e la teoria generale della relatività (di seguito - GR), e anche perché il significato dei bosoni di Higgs e della teoria delle stringhe è in realtà il caso è sopravvalutato.
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Nonostante queste spiegazioni, nessuno, compreso il risorto Albert Einstein, sarà in grado di spiegarti la diversa natura dei fenomeni fisici a livello micro e macro. Se tu stesso puoi risolvere questo problema - congratulazioni, sei il primo autore della teoria di tutto, il più grande cervello nella storia dell'umanità, il vincitore di tutti i possibili premi e il padre (o la madre) della nuova fisica.
Ma, prima di presentare al mondo una scoperta rivoluzionaria, è meglio capire cosa significa la teoria del tutto, a quali domande dovrebbe rispondere e chi si è avvicinato di più alla sua scoperta.
La teoria di tutto è una combinazione di due dei concetti più famosi della fisica moderna: la relatività generale di Albert Einstein e la meccanica quantistica. La prima teoria descrive tutto ciò che ci circonda sotto forma di spazio-tempo, così come l'interazione di tutti gli oggetti nell'Universo usando solo la gravità. La meccanica quantistica, a sua volta, descrive l'interazione delle particelle elementari utilizzando tre indicatori contemporaneamente: interazione elettromagnetica e nucleare forte / debole.
Quindi, parla della gravità e di oggetti di grandi dimensioni come pianeti e stelle, e la meccanica quantistica parla delle particelle elementari e delle loro interazioni elettromagnetiche e nucleari deboli / forti. Torneremo su questo un po 'più tardi.
L'erede di Newton
Per la prima volta, la relatività generale è stata espressa da Albert Einstein. A quel tempo, un giovane impiegato dell'Ufficio Brevetti Austriaco completò la teoria classica della gravitazione di Newton e descrisse tutte le incognite in essa contenute. In particolare, grazie a questa scoperta, le persone hanno appreso cos'è realmente la gravità e come determina l'interazione non solo tra la mela e la Terra, ma anche tra il Sole e tutti i pianeti del sistema solare.
Einstein ha suggerito che lo spazio e il tempo sono interconnessi e formano un unico continuum spazio-temporale - la base per l'emergere delle forze gravitazionali di tutti gli oggetti. A differenza della teoria di Newton, questo continuum (o spazio-tempo) è flessibile e può cambiare forma a seconda della massa degli oggetti e, di conseguenza, della loro energia.
Le congetture di Einstein sono state confermate nella pratica solo pochi anni fa, quando hanno notato come la luce - e, di conseguenza, lo spazio-tempo - si piega passando vicino a un oggetto massiccio - il Sole - a causa dell'influenza della gravità. Anche senza questa prova, la relatività generale è diventata a lungo la base della fisica moderna e finora nessuno è stato in grado di offrire una spiegazione più concreta della gravità dei corpi e dei campi nello spazio.
Nonostante ciò, lo spazio-tempo stesso è ancora poco compreso e gli scienziati non sanno come si forma e in cosa consista. Le risposte a queste domande stanno appena iniziando a essere cercate nella meccanica quantistica, una branca teorica della fisica che descrive la natura dei fenomeni fisici a livello di molecole, atomi, elettroni, fotoni e altre minuscole particelle.
Meccanica quantistica
Secondo la teoria di Einstein, assolutamente tutti gli oggetti nell'Universo dovrebbero soccombere alla gravità. Ma, contemporaneamente alla scoperta della relatività generale, altri scienziati hanno studiato il modo in cui gli oggetti interagiscono a livello subatomico.
Si è scoperto che la gravità su tale scala è completamente inutile. Invece, le interazioni elettromagnetiche e nucleari deboli / forti sono diventate determinanti. Con l'aiuto di queste forze, le particelle più piccole interagiscono tra loro: fotoni, gluoni e bosoni.
Ma gli scienziati ancora non sanno in base a quali principi interagiscono queste particelle, perché possono avere una densità di energia estremamente elevata e ancora non si prestano alla gravità. Quindi - fenomeni inspiegabili come il dualismo corpo-onda (manifestazione delle proprietà di un'onda da parte di una particella), così come l'effetto di un osservatore con il risultato nella forma di un gatto di Schrödinger vivo e morto.
Per questo motivo, due mondi della fisica si sono scontrati con le loro fronti: quello di Einstein, dove tutti gli oggetti hanno determinate proprietà, si prestano alla gravità, possono essere descritti e prevedibili, e quello quantistico, dove imperversa una vita completamente diversa e imprevedibile, in cui tutto cambia costantemente e livella il concetto di spazio. tempo come tale.
Cosa bisogna fare per unire questi due mondi? Abbiamo parlato della gravità nella relatività generale e dell'interazione elettromagnetica, nucleare forte / debole nel modello standard della fisica. Quindi, la gravità è quasi perfetta, ci permette di capire quasi tutto ciò che ci circonda, ma non tiene conto di quel comportamento molto inspiegabile delle particelle al livello più piccolo. L'interazione elettromagnetica e nucleare forte / debole è una parte alternativa della fisica che nasconde nuove scoperte e rappresenta un enorme serbatoio per la ricerca, ma non tiene conto delle leggi gravitazionali della relatività generale.
L'ultima fase della ricerca e della vita di Albert Einstein è stata la creazione della teoria della gravità quantistica, che avrebbe permesso di unire tutte le possibili interazioni degli oggetti a livello macro e micro, e spiegare anche perché si comportano in modo diverso. Einstein non fu mai in grado di trovare risposte a queste domande, e dopo di lui la possibile unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica cominciò a essere chiamata la teoria del tutto.
La teoria di tutto
Nella loro ricerca di una teoria del tutto, gli scienziati hanno studiato alcuni degli oggetti più insoliti dell'universo: i buchi neri. Sono così pesanti che si prestano alla gravità e così compressi che gli effetti quantistici possono teoricamente essere osservati quando si cade in un buco nero. Ma, sfortunatamente, finora, a parte la radiazione di Hawking, che è contraria alla meccanica quantistica, e una foto recente dell'orizzonte degli eventi, i buchi neri hanno aiutato poco alla scienza moderna. Anche se esistono, raggiungerli è un compito quasi impossibile per gli esseri umani.
Hanno iniziato a cercare una teoria di ogni cosa sulla Terra utilizzando vari esperimenti mentali e proprietà della meccanica quantistica e della relatività generale, che potrebbero potenzialmente completarsi a vicenda.
Oggi, forse la versione più popolare e più vicina alla verità della teoria del tutto è la teoria delle stringhe. Dice che qualsiasi particella è una stringa unidimensionale che vibra in una realtà a 11 dimensioni e, a seconda di queste vibrazioni, vengono determinate la sua massa e carica.
Tra le altre, la proprietà principale di una stringa è che può trasferire la gravità a livello quantistico. Se una tale teoria fosse confermata nella pratica, le stringhe potrebbero essere il primo passo verso l'unificazione della meccanica quantistica con la relatività generale. Ma, purtroppo, finora nessuno è stato in grado di dimostrarlo e dichiarare che le corde sono portatrici di gravità a livello subatomico. Proprio come il bosone di Higgs scoperto di recente non è diventato il gravitone desiderato.
Sì, ancora non sappiamo da dove provenga la massa di molte particelle elementari e in base a quale principio interagiscono tra loro, ma questo non impedisce ai fisici moderni di proporre sempre più nuove "teorie del tutto".
Recentemente, ad esempio, fisici provenienti da Cina, Germania e Canada hanno testato la teoria del darwinismo quantistico di Wojciech Zurek, che presumibilmente spiega come le particelle quantistiche lasciano le loro tracce nel macrocosmo a nostra disposizione. Ma anche nel caso di conferma del ritrovamento di particelle in due stati contemporaneamente, questa è solo una conferma dell'interazione della meccanica quantistica della relatività generale, e in nessun modo una spiegazione di ciò.
Un altro fisico teorico americano dell'Università del Maryland, Brian Swingle, si è impegnato a descrivere la natura dell'emergere dello spazio-tempo e ha deciso che l'entanglement quantistico potrebbe formare il continuum di Einstein. Swingle ha suggerito che la struttura quadridimensionale dello spaziotempo (lunghezza, larghezza, profondità e tempo) potrebbe essere codificata nella fisica quantistica tridimensionale (con le stesse dimensioni, solo senza tempo). Secondo il fisico, la gravità e la relatività generale dovrebbero essere spiegate attraverso le proprietà della meccanica quantistica, e non viceversa, il che ha reso questo esperimento piuttosto contraddittorio.
Esistono dozzine di teorie simili complesse e persino ben ragionate, ma nessuna di esse può ancora essere definita una teoria del tutto. Forse questo è un bene, dal momento che l'uomo ha cercato di capire come gli atomi e le stelle interagiscono solo nel secolo scorso e l'Universo esiste da quasi 14 miliardi di anni.
Il più famoso ricercatore moderno della teoria del tutto - Stephen Hawking - alla fine della sua vita giunse alla conclusione che era impossibile trovarlo. Ma questo non è diventato per lui una delusione, ma, come ha detto in seguito, al contrario, ha portato alla comprensione che una persona si svilupperà costantemente: "Ora sono contento che la nostra ricerca di comprensione non finirà mai e che sperimenteremo sempre nuove scoperte … Senza questo, saremmo rimasti fermi ".
