» » » » » » Teoria finală

Teoria finală

Teoria finală

O teorie finală (TF) este un cadru teoretic unic, cuprinzător și coerent al fizicii care explică și corelează pe deplin toate aspectele fizice ale universului. Găsirea unei TF este una dintre problemele majore nesoluționate în fizică. În ultimele câteva secole s-au dezvoltat două cadre teoretice care, în ansamblu, seamănă cel mai mult cu TF. Aceste două teorii pe care se bazează ambele pe fizica modernă sunt relativitatea generală (RG) și teoria câmpului cuantic (TCC). RG este un cadru teoretic care se concentrează doar pe gravitație pentru înțelegerea universului la scale mari și mase mari: stele, galaxii, grupuri de galaxii etc. Pe de altă parte, TCC este un cadru teoretic care se concentrează doar pe trei forțe negravitaționale pentru înțelegerea universului în regiuni atât la scară redusă, cât și la cele mici scale: particule subatomice, atomi, molecule etc. TCC a implementat cu succes Modelul Standard și a unificat interacțiunile (așa-numita Teorie a Marii Unificări) între cele trei forțe negravitaționale: forța slabă, puternică și electromagnetică

În ani de cercetare, fizicienii au confirmat experimental cu o precizie extraordinară, practic, fiecare predicție făcută de aceste două teorii atunci în domeniile lor de aplicabilitate corespunzătoare. Conform concluziilor lor, oamenii de știință au aflat, de asemenea, că RG și TCC, așa cum sunt formulate în prezent, sunt reciproc incompatibile – nu pot avea ambele dreptate. Deoarece domeniile uzuale ale aplicabilității RG și TCC sunt atât de diferite, cele mai multe situații necesită folosirea doar a uneia din cele două teorii. După cum se dovedește, această incompatibilitate între RG și TCC este aparent doar o problemă în regiuni de dimensiuni extrem de mici și de masă ridicată, cum ar fi cele care există într-o gaură neagră sau în fazele de început ale universului (adică la momentul imediat după Big Bang). Pentru a rezolva acest conflict, trebuie descoperit un cadru teoretic care dezvăluie o realitate mai profundă, unificând gravitația cu celelalte trei interacțiuni, pentru a integra armonios domeniile RG și TCC într-un întreg fără întreruperi: o singură teorie care, în principiu, este capabilă să descrie toate fenomenele. În realizarea acestui scop, gravitația cuantică a devenit o zonă de cercetare activă.

În cele din urmă teoria corzilor a evoluat într-un candidat pentru teoria ultimă a universului, nu fără dezavantaje și controverse. Teoria corzilor afirmă că la începutul universului (până la 10-43 secunde după Big Bang), cele patru forțe fundamentale au fost odată o singură forță fundamentală. Conform teoriei corzilor, fiecare particulă din univers, la nivelul său cel mai mic (lungimea Planck), constă din diferite combinații de corzi vibratoare (sau fire) cu modele de vibrații preferate. Teoria corzilor mai susține că prin aceste modele specifice de oscilații ale corzilor, este creată o particulă de sarcină unică de masă și forță (adică electronul este un tip de coardă care vibrează într-o singură direcție, în timp ce cuarcul este un tip de coardă care vibrează într-un alt mod, și așa mai departe).

De la Grecia antică la Einstein

În Grecia antică, filosofii pre-socratici speculează că diversitatea aparentă a fenomenelor observate se datorează unui singur tip de interacțiune, și anume mișcările și coliziunile atomilor. Conceptul de „atom”, introdus de Democritus, a fost o încercare filosofică timpurie de a unifica toate fenomenele observate în natură.

Arhimede a fost probabil primul om de știință care a descris natura cu axiome (sau principii) și apoi a dedus noi rezultate din ele. A încercat astfel să descrie „totul” pornind de la câteva axiome. Orice „teorie finală” se așteaptă în mod similar să se bazeze pe axiome și să deducă toate fenomenele observabile din ele.

În urma atomismului lui Democrit, filosofia mecanică a secolului al XVII-lea a presupus că toate forțele ar putea fi în cele din urmă reduse la forțele de contact dintre atomi, apoi imaginate ca particule solide mici.

La sfârșitul secolului al XVII-lea, descrierea lui Isaac Newton a forței de gravitație pe distanțe lungi a implicat faptul că nu toate forțele din natură rezultă din lucrurile care vin în contact. Lucrarea lui Newton în Principiile matematice ale filozofiei naturale a abordat acest lucru într-un alt exemplu de unificare, în acest caz unificarea activității lui Galileo privind gravitația terestră, legile lui Kepler despre mișcarea planetară și fenomenul mareelor ​​prin explicarea acestor acțiuni evidente la distanță sub o singură lege: legea gravitației universale.

În 1814, pe baza acestor rezultate, Laplace a sugerat că un intelect suficient de puternic ar putea, dacă cunoștea poziția și viteza fiecărei particule la un moment dat, împreună cu legile naturii, să calculeze poziția oricărei particule în orice altă perioadă :

”Un intelect care, la un moment dat, dacă ar cunoaște toate forțele care determină natura în mișcare și toate pozițiile tuturor elementelor din care natura este compusă, dacă acest intelect ar fi suficient de vast pentru a analiza aceste date, ar cuprinde într-o singură formulă mișcările celor mai mari corpuri ale universului și cele ale celui mai mic atom; pentru un astfel de intelect nimic nu ar fi incert și viitorul, ca și trecutul, ar fi prezent înaintea ochilor săi.
Essai philosophique sur les probabilités, Introduction. 1814

Prin urmare, Laplace prevedea o combinație de gravitație și mecanică ca o teorie finală. Mecanica cuantică modernă implică faptul că incertitudinea este inevitabilă și, astfel, că viziunea lui Laplace trebuie modificată: o teorie finală trebuie să includă gravitația și mecanica cuantică.

În 1820, Hans Christian Ørsted a descoperit o legătură între electricitate și magnetism, declanșând decenii de lucru care au culminat în 1865, în teoria electromagnetismului lui James Clerk Maxwell. În secolele XIX și începutul secolului al XX-lea, a devenit evident că multe exemple comune de forțe – forțe de contact, elasticitate, vâscozitate, frecare și presiune – rezultă din interacțiunile electrice dintre cele mai mici particule ale materiei.

În experimentele sale din 1849-50, Michael Faraday a fost primul care a căutat unificarea gravitației cu electricitate și magnetismul. Cu toate acestea, el nu a găsit nicio legătură.

În 1900, David Hilbert a publicat o listă faimoasă de probleme matematice. În a șasea problemă a lui Hilbert, el a provocat cercetătorii să găsească o bază axiomatică pentru toată fizica. În această problemă, el a cerut astfel ceea ce astăzi ar fi numit o teorie finală.

La sfârșitul anilor 1920, noua mecanică cuantică a arătat că legăturile chimice dintre atomi erau exemple de forțe electrice (cuantice), care justificau faptul că Dirac se mândrea că „legile fizice de bază necesare pentru teoria matematică a unei mari părți a fizicii și a întregii chimie sunt astfel complet cunoscute „.

După 1915, când Albert Einstein a publicat teoria gravitației (relativitatea generală), căutarea unei teorii de câmp unificate care să combine gravitația cu electromagnetismul a început cu un interes reînnoit. Pe vremea lui Einstein, forțele puternice și cele slabe nu fuseseră încă descoperite, totuși, el a găsit existența potențială a altor două forțe distincte – gravitația și electromagnetismul – mult mai atrăgătoare. Aceasta a lansat călătoria sa de treizeci de ani în căutarea așa-numitei „teorii a câmpului unificat” în care spera că ar arăta că aceste două forțe sunt într-adevăr manifestări ale unui mare principiu fundamental. În ultimele decenii ale vieții sale, această căutare don quijotică l-a izolat pe Einstein de curentul principal din fizică. În mod evident, curentul principal a fost mult mai entuziasmat de noul cadru de mecanică cuantică. Einstein a scris unui prieten la începutul anilor ’40: „Am devenit un bătrân singuratic care este cunoscut mai ales pentru că nu poartă șosete și care este expus ca o curiozitate la ocazii speciale”. Actorii importanți au fost Gunnar Nordström, Hermann Weyl, Arthur Eddington, David Hilbert, Theodor Kaluza, Oskar Klein (vezi teoria lui Kaluza-Klein) și mai ales Albert Einstein și colaboratorii săi. Einstein a căutat intens, dar în cele din urmă nu a găsit, o teorie unificatoare. (Dar vedeți: ecuațiile Einstein-Maxwell-Dirac.) Mai mult de o jumătate de secol mai târziu visul lui Einstein de a descoperi o teorie unificată a devenit Sfântul Graal al fizicii moderne.

Secolul al XX-lea și interacțiunile nucleare

În secolul al XX-lea, căutarea unei teorii unificatoare a fost întreruptă de descoperirea forțelor și interacțiunilor nucleare puternice și slabe, care diferă atât de gravitate cât și de electromagnetism. Un obstacol mai mare a fost acceptarea faptului că într-o TF, mecanica cuantică trebuia să fie încorporată încă de la început, mai degrabă decât să apară ca o consecință a unei teorii unificate deterministe, așa cum sperase Einstein.

Gravitația și electromagnetismul puteau coexista mereu în mod pașnic ca intrări într-o listă a forțelor clasice, dar de mulți ani părea că gravitația nu putea fi nici măcar încorporată în cadrul cuantic, nici măcar unificată cu celelalte forțe fundamentale. Din acest motiv, lucrul la unificare, în mare parte a secolului al XX-lea, s-a axat pe înțelegerea celor trei forțe „cuantice”: electromagnetismul și forțele slabe și puternice. Primele două au fost combinate în 1967-68 de Sheldon Glashow, Steven Weinberg și Abdus Salam în forța „electroslabă” . Unificarea electroslabă este o simetrie ruptă: forțele electromagnetice și cele slabe apar distincte la energii joase, deoarece particulele care poartă forța slabă, bozonii W și Z, au mase nenominale de 80,4 GeV/c2 și 91,2 GeV/c2, în timp ce fotonul , care poartă forța electromagnetică, este fără masă. La energii mai mari Ws și Zs pot fi creați cu ușurință și natura unificată a forței devine evidentă.

În timp ce forțele puternice și electroslabe coexistă pașnic în modelul standard al fizicii particulelor, ele rămân distincte. Până în prezent, căutarea unei teorii finale este astfel nereușită în două privințe: nicio unificare a forțelor puternice și electroslabe – pe care Laplace le-ar fi numit „forțe de contact” – și nicio unificare a acestor forțe cu gravitația.

  1. […] O teorie finală (TF) este un cadru teoretic unic, cuprinzător și coerent al fizicii care explică și corelează pe deplin toate aspectele fizice ale universului. Găsirea unei TF este una dintre problemele majore nesoluționate în fizică. În ultimele câteva secole … Citeşte mai mult […]

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *