Fizicienii vor să găsească o singură teorie care să descrie întregul univers, dar pentru aceasta vor trebui să rezolve cele mai dificile probleme ale științei. Teoria despre totul a lansat recent povestea lui Stephen Hawking, care a devenit un fizician faimos în ciuda faptului că a fost legat de un scaun cu rotile din tinerețe. Filmul se referă, în cea mai mare parte, la viața lui Hawking și la relația sa cu soția, dar încă nu prea are timp să explice ce a făcut cariera lui Hawking.
Ambiția, desigur, avea multe. Hawking în rândul multor fizicieni încearcă să vină cu o "teorie a tuturor", o singură teorie care va explica totul în universul nostru, va reuni toate teoriile și procesele, va uni ceea ce nu a fost încă atins. Urmează pe urmele lui Albert Einstein, care, de asemenea, a încercat, dar nu a putut dezvolta o astfel de teorie.
A găsi teoria despre totul ar fi o realizare uimitoare, o înțelegere a tuturor lucrurilor ciudate și uimitoare din univers. Timp de decenii, fizicienii au vorbit și continuă să spună că teoria este chiar la colț. Deci, suntem pe punctul de a înțelege totul?
La prima vedere, teoria totului pare a fi o sarcină dificilă. Trebuie să explice totul de la faptele lui Shakespeare la creierul uman, tot ce există pe Pământ și în afara ei, spune John Barrow de la Universitatea Cambridge din Regatul Unit. "Aceasta este întrebarea universului."
Cu toate acestea, Barrow crede că pentru a găsi teoria despre tot "este foarte posibil". Deoarece "legile naturii sunt puține, simple, simetrice și există doar patru forțe fundamentale". Într-un sens, trebuie să lăsăm deoparte complexitatea lumii în care trăim. "Rezultatele legilor - ceea ce vedem în jurul nostru - sunt infinit mai complexe", spune Barrow. Dar regulile din spatele lor pot fi simple.
În 1687 mulți oameni de știință au crezut că teoria despre tot a fost descoperită.
Potrivit lui John Konduitta, asistentul lui Newton la vederea unui măr care se încadrează la pământ, Newton a avut ideea că forța gravitațională „nu a fost limitată la o anumită distanță de la sol, și se extinde mult mai departe decât era de obicei.“ Potrivit lui Conduit, Newton se întreba: de ce nu deja până la Lună?
Inspirat de convingerile sale, Newton a dezvoltat legea gravitației universale, care a funcționat la fel de bine cu merele de pe Pământ și cu planetele care se învârt în jurul Soarelui. Toate aceste obiecte, în ciuda diferențelor, sunt supuse acelorași legi.
"Oamenii au crezut că a explicat tot ce avea nevoie de explicații", spune Barrow. "Realizarea lui a fost minunată."
Problema este că Newton știa că au existat lacune în munca lui.
De exemplu, gravitatea nu explică modul în care obiectele mici sunt ținute împreună, deoarece această forță nu este atât de mare. În plus, deși Newton putea să explice ce se întâmpla, nu putea explica cum funcționează. Teoria era incompletă.
A fost o problemă mai mare. Deși legile lui Newton au explicat cele mai frecvente fenomene din univers, în unele cazuri obiectele i-au încălcat legile. Aceste situații erau rare și de obicei erau incluse viteze mari sau greutate crescută, dar ele erau.
Una dintre aceste situații era orbita lui Mercur, planeta cea mai apropiată de Soare. Ca orice altă planetă, Mercur se învârte în jurul Soarelui. Legile lui Newton ar putea fi aplicate pentru a calcula mișcările planetelor, dar Mercury nu a vrut să se joace după reguli. Destul de ciudat, orbita nu avea un centru. A devenit clar că legea universală a gravitației universale nu a fost atât de universală, și nu de lege deloc.
Ideea cheie este că spațiul și timpul, care par a fi lucruri diferite, sunt de fapt interconectate. Spațiul are trei dimensiuni: lungimea, lățimea și înălțimea. Timpul este a patra dimensiune. Toate cele patru sunt conectate sub forma unei celule cosmice uriașe. Dacă ați auzit vreodată expresia "continuum spațiu-timp", exact despre ce vorbește el.
Ideea mare a lui Einstein a fost că obiectele grele, cum ar fi planetele sau cele care se mișcă rapid, pot denatura spațiul și timpul. Un pic ca o trambulină bine întinsă: dacă puneți ceva greu pe țesătură, se formează un defect. Orice alte obiecte se vor deplasa pe panta spre obiectul din cavitate. Pentru că, potrivit lui Einstein, gravitatea atrage obiecte.
Ideea este ciudată în esența ei. Dar fizicienii sunt convinși că este. De asemenea, ea explică orbita ciudată a lui Mercur. Conform teoriei generale a relativității, masa gigantică a Soarelui curbează spațiul și timpul înconjurător. Fiind cea mai apropiată planetă de Soare, Mercur are o curbură mult mai mare decât alte planete. Ecuațiile teoriei generale a relativității descriu modul în care acest spațiu-timp curbat afectează orbita lui Mercur și permite predicția poziției planetei.
Cu toate acestea, în ciuda succesului său, teoria relativității nu este o teorie a tuturor, precum și teoria lui Newton. Cum teoria lui Newton nu funcționează pentru obiecte cu adevărat masive, teoria lui Einstein nu funcționează la scară mică. De îndată ce începeți să vă uitați la atomi și tot ce este mai puțin, materia începe să se comporte foarte ciudat.
Dar asta nu e tot. De atunci, oamenii de știință au găsit modalități de a diviza materia în părți mai mici și mai mici, continuând să ne perfecționăm înțelegerea particulelor fundamentale. Până în anii 1960, oamenii de știință au găsit zeci de particule elementare, formând o lungă listă a așa-numitei grădini zoologice a particulelor.
Din câte știm, din cele trei componente ale atomului, electronul a rămas singura particulă fundamentală. Neutronii și protonii sunt împărțiți în mici quark-uri. Aceste particule elementare sunt supuse unui set complet diferit de legi diferite de cele la care sunt supuși copacii sau planetele. Și aceste noi legi - care erau mult mai puțin previzibile - l-au stricat pe fizicieni toată starea de spirit.
În fizica cuantică, particulele nu au un loc specific: locația lor este puțin cam neclară. Ca și când fiecare particulă are o anumită probabilitate de a fi într-un anumit loc. Aceasta înseamnă că lumea este în mod inerent fundamental vagă. Mecanica cuantică este greu de înțeles chiar. După cum a spus Richard Feynman, expert în mecanica cuantică, "cred că pot spune cu încredere că nimeni nu înțelege mecanica cuantică".
Einstein era, de asemenea, îngrijorat de neclaritatea mecanicii cuantice. În ciuda faptului că el, de fapt, a inventat-o parțial, Einstein însuși nu a crezut niciodată în teoria cuantică. Dar în sălile lor - mari și mici - atât teoria generală a relativității, cât și mecanica cuantică au dovedit dreptul la putere nedivizată, fiind extrem de exacte.
Mecanica cuantică a explicat structura și comportamentul atomilor, inclusiv de ce unele dintre ele sunt radioactive. De asemenea, formează baza electronicii moderne. Nu ai putut citi acest articol fără ea.
Teoria generală a relativității a prezis existența găurilor negre. Aceste stele masive, care s-au prăbușit în ele însele. Atracția lor gravitațională este atât de puternică încât nici lumina nu o poate lăsa.
Problema este că aceste două teorii sunt incompatibile, deci nu pot fi adevărate în același timp. Teoria generală a relativității spune că comportamentul obiectelor poate fi prezis cu exactitate, în timp ce mecanica cuantică spune că nu știi decât probabilitatea ca obiectele să facă. Din aceasta rezultă că rămân unele lucruri pe care fizicienii nu le-au descris încă. Găurile negre, de exemplu. Ele sunt destul de masive încât teoria relativității este aplicabilă pentru ele, dar sunt și ele destul de mici încât mecanica cuantică poate fi aplicată. Dacă nu vă aflați aproape de o gaură neagră, această incompatibilitate nu vă va afecta viața de zi cu zi. Dar fizicienii sunt confuzi în cea mai mare parte a secolului trecut. Această incompatibilitate ne face să căutăm teoria tuturor.
Einstein a petrecut cea mai mare parte a vieții sale încercând să găsească o astfel de teorie. Fără a fi un fan al alegerii mecanicii cuantice, voia să creeze o teorie care să unească gravitatea și restul fizicii, astfel încât ciudățenii cuantice să rămână consecințe secundare.
Sarcina sa principală era de a face munca gravitațională cu electromagnetism. În anii 1800, fizicienii au descoperit că particulele încărcate electric ar putea fi atrase sau respinse. Deoarece unele metale sunt atrase de un magnet. Evident, dacă două tipuri de forțe pe care obiectele le pot exercita unul pe altul, ele pot fi atrase de gravitate și atrase sau respinse de electromagnetism.
Einstein a vrut să combine aceste două forțe într-o "teorie unificată a câmpului". Pentru a face acest lucru, el a întins spațiul-timp în cinci dimensiuni. Împreună cu trei dimensiuni spațiale și de o dată, el a adăugat o a cincea dimensiune, care ar trebui să fie atât de mică și pliată încât nu am putut să o vedem.
Nu a funcționat și Einstein a petrecut 30 de ani într-o călătorie goală. El a murit în 1955, iar teoria sa unificată de câmp nu a fost dezvăluită. Dar în următorul deceniu a apărut un concurent serios pentru această teorie: teoria corzilor.
String Theory Teoria corzilor
Ideea din spatele teoriei corzilor este destul de simplă. Componentele de bază ale lumii noastre, cum ar fi electronii, nu sunt particule. Acestea sunt bucle mici sau "corzi". Doar pentru că șirurile sunt foarte mici, ele par a fi puncte.
Ca niște corzi pe chitară, aceste bucle sunt tensionate. Prin urmare, acestea vibrează la frecvențe diferite, în funcție de dimensiune. Aceste oscilații determină ce fel de "particulă" va reprezenta fiecare șir. Vibrația unui șir într-un fel vă va da un electron. În alta - altceva. Toate particulele descoperite în secolul al XX-lea sunt un fel de șir care vibrează pur și simplu în moduri diferite.
Este greu să înțelegi imediat ce este o idee bună. Dar este potrivit pentru toate forțele care acționează în natură: gravitatea și electromagnetismul, plus două, descoperite în secolul XX. Forțele nucleare puternice și slabe funcționează numai în interiorul nucleelor atomice minuscule, astfel încât nu au putut fi detectate de mult timp. O forță puternică ține nucleul împreună. O forță slabă nu face de obicei nimic, dar dacă câștigă suficientă forță, ea sparge nucleul în părți: prin urmare, unii atomi sunt radioactivi.
Orice teorie trebuie să explice toate cele patru. Din fericire, două forțe nucleare și electromagnetism sunt descrise complet prin mecanica cuantică. Fiecare forță este purtată de o particulă specializată. Dar nu există o singură particulă care să suporte gravitația.
Unii fizicieni cred că este. Și ei o numesc "graviton". Gravitonii nu au masa, nici o rotire specială și se mișcă la viteza luminii. Din păcate, acestea nu au fost încă găsite. Și aici, pe scenă, vine teoria strungurilor. Acesta descrie un șir care arată exact ca un graviton: are o rotire corectă, nu are masa și se mișcă la viteza luminii. Pentru prima dată în istorie, teoria relativității și a mecanicii cuantice a găsit un punct comun.
La mijlocul anilor 1980 fizicienii au fost încântați de teoria corzilor. "În 1985, am realizat că teoria corzilor rezolvă o mulțime de probleme care au afectat oamenii în ultimii 50 de ani", spune Barrow. Dar avea și ea probleme.
În primul rând, "nu înțelegem ce este teoria corzilor, în părțile potrivite", spune Philip Candelas de la Universitatea Oxford. "Nu avem o modalitate bună de ao descrie".
În plus, unele previziuni arată ciudat. În timp ce teoria unificată a câmpului Einstein se bazează pe o dimensiune suplimentară ascunsă, cele mai simple forme de teoria corzilor necesită 26 de dimensiuni. Ele sunt necesare pentru a reconcilia teoria matematică cu ceea ce știm deja despre univers.
Versiunile mai avansate, cunoscute sub numele de "teorii superstring", costă zece dimensiuni. Dar chiar și acest lucru nu se potrivește cu cele trei dimensiuni pe care le observăm pe Pământ.
"Se poate face față acestei situații dacă presupunem că numai trei dimensiuni s-au extins în lumea noastră și au devenit mari", spune Barrow. "Alții sunt prezenți, dar rămân fantasmatic mici".
Din cauza acestor și a altor probleme, mulți fizicieni nu le place teoria șirului. Și sugerează o altă teorie: gravitatea cuantică a buclă.
Loop gravitației cuantice
Această teorie nu își propune sarcina de a combina și de a încorpora tot ce este în fizica particulelor. În schimb, gravitatea cuantică a buclei încearcă pur și simplu să obțină o teorie cuantică a gravitației. Este mai limitat decât teoria corzilor, dar nu atât de greoaie. Loop gravitația cuantică presupune că spațiul-timp este împărțit în bucăți mici. De la o distanță se pare că aceasta este o foaie netedă, dar la o inspecție mai atentă puteți vedea o grămadă de puncte conectate prin linii sau bucle. Aceste fibre mici, care sunt intercalate, oferă o explicație a gravitației. Această idee este la fel de incomprehensibilă ca teoria corzilor și are probleme similare: nu există confirmare experimentală.
De ce se discută aceste teorii? Poate că nu știm suficient. Dacă există fenomene mari pe care nu le-am văzut niciodată, putem încerca să înțelegem imaginea de ansamblu, iar piesele care lipsesc din puzzle vor fi luate mai târziu.
Există o altă problemă. Aceste teorii sunt greu de verificat, în mare măsură pentru că au matematică extrem de crudă. Candelas încearcă să găsească o cale de a testa teoria corzilor de ani de zile, dar nu putea.
"Principalul obstacol în calea progresului teoriei corzilor este dezvoltarea inadecvată a matematicii care ar trebui să însoțească cercetarea fizică", spune Barrow. "Este într-un stadiu incipient și trebuie investigat mult mai mult".
Cu toate acestea, teoria corzilor rămâne promițătoare. "De-a lungul anilor, oamenii au încercat să combine gravitatea cu restul fizicii", spune Candelas. - Am avut teorii care au explicat bine electromagnetismul și alte forțe, dar nu gravitatea. Încercăm să le unim cu teoria corzilor. "
Problema reală este că teoria tuturor nu poate fi identificată.
Articole similare
-
Big teoria bang 8 spoilere din noul sezon - blog pe site-ul de 2x2
-
10 sovietici, cum să se comporte într-un microbuz în Omsk pentru a face pe toți furioși
Trimiteți-le prietenilor: