Kratak:
- zašto je suvremena fizika dosegla ćorsokak.
- da Einstein i Hawking nisu imali vremena za istraživanje.
- kako kombinirati kvantnu mehaniku i opću relativnost.
Pomoću Interneta možete naučiti sve - od dizajna motora s unutarnjim sagorijevanjem do brzine širenja svemira. Ali postoje pitanja, odgovore na koja ne znaju ne samo Google, već ni najveći znanstvenici našeg vremena.
Ako ste iznenada imali sreće razgovarati s najnovijim dobitnicima Nobelove nagrade za fiziku, ne pitajte ih o egzoplanetima i tamnoj materiji, to su već rekli stotinama puta.
Bolje pitajte zašto se različiti predmeti u našem svijetu pokore različitim zakonima fizike. Na primjer, zašto planete, zvijezde i drugi veliki objekti međusobno djeluju, slijedeći određene zakone, a čestice se na najmanjoj razini, poput atoma, pokoravaju samo sebi.
Takvo će pitanje zbuniti laika, a odgojena osoba, odgovarajući na njega, reći će vam zašto je moderna znanost dostigla ćorsokak, u čemu je razlika između Standardnog modela fizike i opće relativnosti (u daljnjem tekstu - GR), kao i zašto je zapravo značenje Higgsovih bozona i teorije struna slučaj je precijenjen.
Promotivni video:
Unatoč tim objašnjenjima, nitko, uključujući i uskrslog Alberta Einsteina, neće vam moći objasniti različitu prirodu fizičkih pojava na mikro i makrorazini. Ako i sami možete riješiti taj problem - čestitke, prvi ste autor teorije svega, najveći mozak u povijesti čovječanstva, laureat svih mogućih nagrada i otac (ili majka) nove fizike.
No, prije nego što svijetu predstavimo revolucionarno otkriće, bolje je razumjeti što znači teorija svega, na koja pitanja treba odgovoriti i tko je najbliže njegovom otkriću.
Teorija svega je kombinacija dvaju najpoznatijih koncepata moderne fizike - opće relativnosti Alberta Einsteina i kvantne mehanike. Prva teorija opisuje sve što nas okružuje u obliku prostora-vremena, kao i interakciju svih objekata u Svemiru koristeći samo gravitaciju. Kvantna mehanika zauzvrat opisuje interakciju elementarnih čestica koristeći tri pokazatelja odjednom - elektromagnetsku i jaku / slabu interakciju nuklearnog jezgra.
Dakle, ona govori o gravitaciji i velikim objektima poput planeta i zvijezda, a kvantna mehanika govori o elementarnim česticama i njihovim elektromagnetskim i slabim / jakim nuklearnim interakcijama. Na ovo ćemo se vratiti malo kasnije.
Newtonov nasljednik
Prvi put je opću relativnost izrazio Albert Einstein. U to je vrijeme mladi zaposlenik austrijskog patentnog ureda dopunio Newtonovu klasičnu teoriju gravitacije i opisao sve nepoznanice u njoj. Zahvaljujući ovom otkriću, ljudi su naučili što je zapravo gravitacija i kako ona određuje interakciju ne samo između jabuke i Zemlje, već i između Sunca i svih planeta u Sunčevom sustavu.
Einstein je sugerirao da su prostor i vrijeme međusobno povezani i tvore jedinstveni prostorno-vremenski kontinuum - osnovu za nastanak gravitacijskih sila svih objekata. Za razliku od Newtonove teorije, ovaj kontinuum (ili prostor-vrijeme) je fleksibilan i može mijenjati svoj oblik ovisno o masi predmeta i, prema tome, njihovoj energiji.
Einsteinove pretpostavke potvrđene su u praksi tek prije nekoliko godina, kada su primijetili kako se svjetlost - i, prema tome, prostor-vrijeme - savija, prolazeći pored masivnog predmeta - Sunca - zbog utjecaja gravitacije. Čak i bez ovih dokaza, opća relativnost odavno je postala osnova moderne fizike, a dosad nitko nije uspio ponuditi utemeljenije objašnjenje gravitacije tijela i polja u svemiru.
Unatoč tome, sam prostor-vrijeme još uvijek se slabo razumije i znanstvenici ne znaju kako se formira i od čega se sastoji. Odgovori na ova pitanja tek počinju tražiti u kvantnoj mehanici - teorijskoj grani fizike koja opisuje prirodu fizičkih pojava na nivou molekula, atoma, elektrona, fotona i drugih sitnih čestica.
Kvantna mehanika
Prema Einsteinovoj teoriji, apsolutno bi svi predmeti u Svemiru trebali podleći gravitaciji. No, istodobno s otkrićem opće relativnosti, drugi su znanstvenici istraživali kako objekti djeluju na subatomskoj razini.
Pokazalo se da je gravitacija u takvoj mjeri potpuno beskorisna. Umjesto toga, elektromagnetske i slabe / jake nuklearne interakcije postale su definirajuće. Uz pomoć tih sila i najmanje čestice međusobno djeluju - fotoni, gluoni i bozoni.
No, znanstvenici još uvijek ne znaju po kojim principima te čestice djeluju, jer mogu imati izuzetno visoku gustoću energije, a još uvijek ne daju gravitaciju. Otuda - takvi neobjašnjivi fenomeni kao dualizam vala i trupa (očitovanje svojstava vala pomoću čestice), kao i učinak promatrača koji rezultira u obliku žive i mrtve Schrödingerove mačke.
Zbog toga su se dva svijeta fizike sudarila s čelom - Einsteinova, gdje svi predmeti imaju određena svojstva, podvrgavaju se gravitaciji, može se opisati i predvidjeti, i kvantna, gdje budi potpuno različit, nepredvidiv život, u kojem se sve stalno mijenja i izravnava koncept prostora - vrijeme kao takvo.
Što treba učiniti da se ta dva svijeta ujedine? Razgovarali smo o gravitaciji u općoj relativnosti i o elektromagnetskoj, jakoj / slabojnoj nuklearnoj interakciji u Standardnom modelu fizike. Dakle, gravitacija je gotovo savršena, omogućava nam razumijevanje gotovo svega što nas okružuje, ali ne uzima u obzir to vrlo neobjašnjivo ponašanje čestica na najmanjoj razini. Elektromagnetska i jaka / slaba nuklearna interakcija alternativni su dio fizike koji skriva nova otkrića i predstavlja ogroman rezervoar za istraživanje, ali ne uzima u obzir gravitacijske zakone opće relativnosti.
Posljednja faza u istraživanju i životu Alberta Einsteina bila je stvaranje teorije kvantne gravitacije koja bi objedinila sve moguće interakcije objekata na makro i mikro razini, a objasnila i zašto se ponašaju drugačije. Einstein nikada nije mogao pronaći odgovore na ta pitanja, a nakon njega moguće unificiranje opće relativnosti i kvantne mehanike počelo se nazivati teorijom svega.
Teorija svega
U svojoj potrazi za teorijom svega, znanstvenici su istražili neke od najneobičnijih objekata u svemiru - crne rupe. Toliko su teški da se daju gravitaciji i toliko komprimirani da se kvantni učinci teoretski mogu primijetiti kada padnu u crnu rupu. No, nažalost, do sada su, osim Hawkingove zračenja, koja je u suprotnosti s kvantnom mehanikom, i nedavne fotografije horizonta događaja, moderne znanosti malo pomogle. Čak i ako postoje, dostizanje njih je gotovo nemoguć zadatak za ljude.
Počeli su tražiti teoriju svega na Zemlji koristeći različite misaone eksperimente i svojstva kvantne mehanike i opće relativnosti, koja bi se mogla međusobno nadopunjavati.
Danas je možda najpopularnija i najbliža istinitoj verziji teorije svega teorija struna. Kaže da je svaka čestica jednodimenzionalni niz koji vibrira u 11-dimenzionalnoj stvarnosti, a ovisno o tim vibracijama određuje se njena masa i naboj.
Glavna osobina niza između ostalog je ta što može prenositi gravitaciju na kvantnoj razini. Ako bi se takva teorija potvrdila u praksi, žice bi mogle biti prvi korak ka objedinjavanju kvantne mehanike s općom relativnošću. Ali, nažalost, do sada to nitko nije uspio dokazati i izjaviti da su žice nositelj gravitacije na subatomskoj razini. Baš kao što nedavno otkriveni Higgsov bozon nije postao željeni graviton.
Da, još uvijek ne znamo odakle dolazi masa mnogih elementarnih čestica i po kojem principu međusobno djeluju, ali to ne sprečava moderne fizičare da predlažu sve više i više novih "teorija svega".
Nedavno su, primjerice, fizičari iz Kine, Njemačke i Kanade testirali teoriju kvantnog darvinizma Wojciech Zurek koja navodno objašnjava kako kvantne čestice ostavljaju svoje tragove u makrokozmosu koji nam je dostupan. Ali čak i u slučaju potvrde nalaza čestica u dva stanja istovremeno, to je samo potvrda interakcije kvantne mehanike opće relativnosti, a nikako objašnjenje toga.
Drugi američki teorijski fizičar sa Sveučilišta u Marylandu, Brian Swingle, obvezao se opisati prirodu nastanka svemira i vremena te je odlučio da kvantno zapletenost može tvoriti Einsteinov kontinuum. Swingle je sugerirao da se četverodimenzionalna struktura prostornog vremena (duljina, širina, dubina i vrijeme) može kodirati u trodimenzionalnu kvantnu fiziku (s istim dimenzijama, samo bez vremena). Prema fizičaru, gravitaciju i opću relativnost treba objasniti svojstvima kvantne mehanike, a ne obrnuto, što je ovaj eksperiment učinilo prilično kontradiktornim.
Postoje deseci sličnih složenih i čak dobro utemeljenih teorija, ali nijednu od njih još nije moguće nazvati teorijom svega. Možda je to dobro, jer čovjek pokušava razumjeti kako atomi i zvijezde međusobno djeluju tek posljednjeg stoljeća, a Svemir postoji gotovo 14 milijardi godina.
Najpoznatiji moderni istraživač teorije svega - Stephen Hawking - krajem svog života došao je do zaključka da ga je nemoguće pronaći. Ali to za njega nije postalo razočaranje, već, kako je kasnije rekao, naprotiv, dovelo je do razumijevanja da će se osoba stalno razvijati: „Sada mi je drago što se naša potraga za razumijevanjem nikada neće završiti i da ćemo uvijek doživljavati nova otkrića … Bez ovoga, mi bismo mirno stajali."