Теория всего

Теория всего ( англ. Theory of everything, TOE ) - Объединенная физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщенных теорий [1].

Впервые термин Объединенная те?рия п?ля был предложен Альбертом Эйнштейном, который пытался соединить общую теорию относительности и электромагнетизм в рамках одной теории. Со временем термин закрепился в популяризации квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе - теории всего.

На протяжении двадцатого века было предложено множество ?теорий всего", но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные трудности в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов. Основная проблема формулировка "теории всего" заключается в том, что квантовая механика и общая теория относительности, будучи общепринятыми, совершенно различно описывают области своего применения - микромир и макромир, соответственно, - поэтому их непосредственное сочетание в едином формализме приводит к проблеме перенормировки и отсутствия конечных результатов для величин, экспериментально проверяются.


1. Основные положения

Современная физика требует от "теории всего" объединение четырех фундаментальных взаимодействий :

Приведенная ниже диаграмма демонстрирует схему реально совершенных и гипотетических объединений.

Теория всего
Гравитация
Электроядерных взаимодействие
Сильное взаимодействие
SU (3)
Электрослабого взаимодействия
SU (2) x U (1)
Слабое взаимодействие
SU (2)
Электромагнитное взаимодействие
U (1)
Электричество
Магнетизм

2. Постановка задачи

Современная физика описывает взаимодействие между телами и частицами с помощью квантованных полей. Исходя из принципа частинкових-волнового дуализма взаимодействие может быть описана как обмен частицами, которые передают энергию и импульс от одного тела к другому.

На сегодня известны четыре вида взаимодействий:

  • Слабое взаимодействие, благодаря которой происходит радиоактивный β-распад ядер. Эти силы играют важную роль в реакциях ядерного синтеза, происходящие в недрах Солнца. Они также ответственны за взаимодействие нейтрино с веществом. Переносчиком слабых взаимодействий является W - и Z -бозоны.
  • Электромагнитное взаимодействие - силы действующие на электрически заряженные частицы. С проявлениями электромагнитных взаимодействий мы встречаемся в повседневной жизни на каждом шагу. Этот свет, радиоволны, свойства твердых тел и жидкостей, работа различных электрических и электронных устройств и многое другое. Переносчиком электромагнитных взаимодействий является фотон.
  • Гравитационное взаимодействие управляет движением Луны и искусственных спутников вокруг Земли и других планет вокруг Солнца, а также Солнца вокруг центра Галактики т.д.. Она является отвечает за знакомо каждому из нас земное притяжение. Хотя переносчик гравитационного взаимодействия еще не был обнаружен экспериментально, большинство физиков не сомневается в его существовании и называют эту частицу "Гравитон".

Две из перечисленных взаимодействий: слабые и электромагнитные уже объединены в рамках общей теории, и рассматривается современной наукой как проявления единой электрослабого взаимодействия.

Намерена построить объединенную теорию поля основывается на предположении, что все вышеперечисленные фундаментальные взаимодействия, а также все частицы, из которых состоит вещество - это просто разные проявления одного фундаментального поля.


3. Предыстория

Первые мысли о связи электрических, магнитных и световых явлений относятся М. Фарадея, нашли продолжение в трудах Д. К. Максвелла. Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц. Первым шагом на пути к этому стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1967 году Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдус Саламом. В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия, в рамках которой удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Звеном, которого не хватает, в "теории всего" остается построение теории квантовой гравитации на основе квантовой механики и общей теории относительности.

Первым большое внимание "теории всего" предоставил Альберт Эйнштейн. Он посвятил попыткам ее создания большую часть своей жизни. Эйнштейн считал, что достаточно объединить общую теорию относительности и электромагнетизм.

Сейчас единственным общепринятым кандидатом на "теорию всего" является теория струн в ее обобщенном формулировке, получившее название М-теория. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и один временной. Толчком к этому стала теория Калуцы - Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла. Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих многомерными пространствами. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятая ответ заключается в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому ее влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

В конце 1990-х стало ясно, что общей проблемой предлагаемых вариантов ?теории всего? является то, что они не строго определяют характеристики наблюдаемой Вселенной. Так, много теорий квантовой гравитации допускают существование вселенных с произвольным числом измерений или произвольным значением космологической постоянной. Некоторые физики придерживаются мнения, что на самом деле существует множество вселенных, но лишь небольшое их количество обитаемы, а значит, фундаментальные константы вселенной определяются антропного принципа. Макс Тегмарк довел этот принцип до логического завершения, постулировании, что "все математически непротиворечивые структуры существуют физически". Это означает, что достаточно сложные математические структуры могут содержать "структуру способную к самоосознания", которая субъективно воспринимать себя такой, что "живет в реальном мире".

В научном сообществе физиков продолжаются дебаты по поводу того, следует ли считать "теорию всего" фундаментальным законом Вселенной. Одна точка зрения, строго редукционистской, заключается в том, что "теория всего" - это фундаментальный закон Вселенной и все остальные теорий, описывающих Вселенную, являются ее последствиями или предельными случаями. Другая точка зрения опирается на законы, названные Нобелевским лауреатом по физике Стивеном Вайнбергом законами "свободного плавания", которые определяют поведение сложных систем. Критика последней точки зрения обращает внимание на то, что в такой формулировке ?теория всего? нарушает принцип бритвы Оккама.

Среди других факторов, уменьшающих объяснительно-передбачальну ценность "теории всего", - ее чувствительность к наличию у Вселенной граничных условий и существование математического хаоса среди ее решений, что делает ее прогнозы точными, но бесполезными.


См.. также

Примечания

  1. Так, прадед Йона Тихого, персонажа научно-фантастического цикла Станислава Лема, работал над "Общей теорией всего".


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.