Formula mondială

O formulă mondială sau o teorie a totul ( teoria engleză a totul , ToE sau TOE ) este o teorie ipotetică , formată din fizică teoretică și matematică , care se presupune că descrie și leagă cu precizie toate fenomenele fizice din universul cunoscut . De-a lungul timpului, termenul a curs în popularizarea fizicii elementare a particulelor . În acest domeniu de cercetare, o formulă mondială, adică un model unic, care să cuprindă toate, ar explica și reune teoriile tuturor interacțiunilor fundamentale din natură.

așteptări

O teorie a totul ar trebui, printre altele , să descrie cu exactitate toate cele patru forțe de bază - gravitația , electromagnetismul și forțele nucleare slabe și puternice. Se vorbește și despre o unificare a forțelor sau interacțiunilor.

Posibila unificare a celor trei forțe de bază, adică H. electromagneticul, slabul (unificat în teoria ecartamentului slab ) și interacțiunea puternică ( cromodinamica cuantică ) fără gravitație, este denumită teoria mare unificată ( Marea Teorie Unificată , GUT ). Posibilitatea acestei unificări parțiale a celor trei interacțiuni gauge este asumată datorită similarității în structura matematică a celor trei teorii.

Pentru teoria tuturor, includerea gravitației este deosebit de necesară. Este de așteptat ca acest lucru să aibă loc la o energie de aproximativ 10 19 GeV ( energia Planck ), deoarece o extrapolare a puterii interacțiunii forțelor individuale de bază cu această energie indică faptul că toate acestea sunt atunci comparabile și deoarece Planck energia utilizează gravitația și teoria câmpului cuantic trebuie aplicată simultan în fiecare caz.

De exemplu, o teorie a totul ar trebui:

Caracteristici presupuse:

  • Structură de bază supersimetrică , uniformă, care depășește diviziunea tradițională în grade bosonice și fermionice de libertate;
  • Gradele fizice de libertate care depășesc spațiul-timp cu patru dimensiuni.

Nu este clar dacă o teorie a totul prezice noi particule sau chiar forțe noi. Astfel de particule noi ar putea fi detectabile cu observații cosmologice. S-au așteptat progrese către o formulă mondială din experimentele de la Large Hadron Collider , care au început la CERN în 2010 . Cu toate acestea, această așteptare nu a fost confirmată până acum (începutul anului 2021): nu s-au găsit semne ale unei standardizări deosebite a celor trei interacțiuni ecartament, nu au fost găsite efecte ale supersimetriei și nu s-au găsit dimensiuni suplimentare sau grade de libertate.

Mulți fizicieni sunt convinși că toate procesele fizice pot fi trasate înapoi la un principiu de bază ( reducționism ) sau cel puțin pot fi descrise cu câțiva termeni de bază consistenți.

Formule mondiale în istorie

Încercările de a urmări realitatea fizică înapoi la un singur principiu se întorc la antichitate. În Grecia antică, filozofii pre-socratici speculau că aparenta varietate de fenomene observate se datora unui singur tip de interacțiune, și anume mișcările și coliziunile atomilor . Termenul „atom” introdus de Democrit a fost o încercare filosofică timpurie de unificare a tuturor fenomenelor observate în natură. Arhimede a fost probabil primul om de știință care a descris natura cu axiome (sau principii) și a obținut noi rezultate din acestea. Așa că a încercat să descrie „totul” pe baza a câteva axiome. Se așteaptă ca fiecare teorie a tuturor să se bazeze pe axiome și să obțină din ele toate fenomenele observabile.

Bazat pe atomismul lui Democrit , filozofia mecanică a secolului al XVII-lea presupunea că toate forțele puteau fi în cele din urmă reduse la forțe de contact între atomi, care erau imaginate ca mici particule solide. La sfârșitul secolului al XVII-lea, descrierea lui Isaac Newton a acțiunii gravitației la distanță a sugerat că nu toate forțele din natură rezultă din contactul mecanic cu materia. În Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , Newton a unificat lucrarea lui Galileo asupra gravitației, legile Kepler ale mișcării planetare și fenomenul mareelor, explicând aceste fenomene aparent diferite într-o singură lege: legea gravitației Newton .

Pe baza acestor rezultate, Laplace a sugerat în 1814 că un intelect suficient de puternic ar fi capabil să calculeze și să determine fiecare trecut și fiecare stare viitoare cu cunoașterea tuturor legilor naturale și a tuturor condițiilor inițiale, cum ar fi poziția, poziția și viteza tuturor particule din cosmos. Acest concept este numit și demonul Laplace . Așa că Laplace a văzut o teorie a totul într-o combinație de gravitație și mecanică . Cu toate acestea, mecanica cuantică modernă implică faptul că stările particulelor nu sunt determinate, ci sunt supuse probabilităților, motiv pentru care viziunea lui Laplace trebuie schimbată: o teorie a totul trebuie să includă gravitația și mecanica cuantică.

În 1820, Hans Christian Ørsted a descoperit o legătură între electricitate și magnetism, declanșând decenii de muncă care au culminat cu teoria electromagnetismului a lui James Clerk Maxwell în 1865 . În secolele XIX și începutul secolului XX a devenit treptat clar că multe exemple comune de forțe - forțe de contact, elasticitate, vâscozitate, frecare și presiune - rezultă din interacțiunile electrice dintre cele mai mici particule de materie. În experimentele sale din 1849–50, Michael Faraday a fost primul care a căutat o uniune a gravitației cu electricitatea și magnetismul. Cu toate acestea, el nu a găsit nicio legătură.

Emil du Bois-Reymond a inventat termenul german „Weltformel” încă din 1872 în discursul său „Despre limitele cunoașterii naturii” în sensul unei descrieri matematice complete a lumii care, în opinia sa, nu putea fi realizată. Această denumire este considerabil mai veche decât echivalentul englez „teoria tuturor”.

În 1900, David Hilbert a publicat o faimoasă listă de probleme de matematică . În a șasea problemă a lui Hilbert, el a cerut o bază axiomatică pentru ca toată fizica să fie găsită. Deci, în această problemă, el a întrebat ce s-ar numi astăzi o teorie a totul.

La sfârșitul anilor 1920, noua mecanică cuantică a arătat că legăturile chimice dintre atomi sunt exemple de forțe electrice (cuantice), determinându-l pe Paul Dirac să spună că „legile fizice subiacente care guvernează teoria matematică a unei mari părți a fizicii și a întregului de chimie sunt necesare, astfel sunt complet cunoscute "(în original:" legile fizice subiacente necesare pentru teoria matematică a unei mari părți a fizicii și a întregii chimii sunt astfel complet cunoscute. ").

După ce Albert Einstein și-a publicat teoria generală a relativității în 1915 , a început căutarea unei teorii unificate de câmp care să combine gravitația și electromagnetismul. În acel moment, interacțiunile puternice și slabe nu fuseseră încă descoperite. Cu aceasta a început căutarea sa de peste treizeci de ani pentru așa-numita Teorie a Câmpului Unificat , care trebuia să arate că gravitația și electromagnetismul sunt manifestări ale unui singur principiu de bază. O teorie timpurie care unifica interacțiunea electromagnetică și gravitația a fost teoria Kaluza-Klein . Cu toate acestea, a apărut înainte ca interacțiunile slabe și puternice să fie cunoscute și, prin urmare, a fost incompletă. Albert Einstein a încercat până la sfârșitul vieții sale să găsească o teorie unificatoare, dar în cele din urmă nu a reușit.

În 1958, Werner Heisenberg a prezentat o formulă pe care a numit-o ecuația materiei și al cărei element principal era o particulă originală fără masă Psi (,), din care vor fi compuse ulterior toate particulele observabile. Presa a salutat rapid această ecuație drept formula universală , dar în scurt timp au apărut critici, iar colegii au descoperit discrepanțe în ecuație. De la aceste încercări, uneori prematur și exagerat aclamate în presă, termenul de formulă universală a fost, de asemenea, utilizat în sens disprețuitor, derizoriu, pentru proiecte similare. În teoria sa cuantică a alternativelor originale, studentul lui Heisenberg, Carl Friedrich von Weizsäcker, a căutat o descriere uniformă a naturii bazată exclusiv pe teoria cuantică, pe care a înțeles-o în acest context ca o teorie a informației în timp.

În secolul al XX-lea, căutarea unei teorii unificatoare a fost complicată de descoperirea forțelor nucleare puternice și slabe (sau a interacțiunilor) care diferă atât de gravitație, cât și de electromagnetism. Un alt obstacol a fost presupunerea că mecanica cuantică trebuia să fie inclusă într-o astfel de teorie de la început, în loc să apară ca rezultat al unei formule mondiale deterministe, așa cum spera Einstein.

Gravitația și electromagnetismul ar putea coexista întotdeauna ca forțe clasice, dar mulți ani s-a părut că gravitația nu poate fi integrată nici măcar în cadrul cuantic, darămite să fie unită cu celelalte forțe fundamentale. Din această cauză, pentru o mare parte a secolului al XX-lea, activitatea Asociației s-a concentrat pe înțelegerea celor trei „forțe cuantice”: electromagnetismul și interacțiunea slabă și puternică. Primele două au fost rezumate în 1967-68 de Sheldon Glashow , Steven Weinberg și Abdus Salam pentru interacțiunea electro - slabă . Uniunea electrovară este o simetrie ruptă: forțele electromagnetice și cele slabe apar diferite la energiile mici deoarece particulele care transportă forța slabă, bosonii W și Z, au o masă de 80,4 GeV / c² și 91,2 GeV / c², în timp ce fotonul care poartă forța electromagnetică este lipsită de masă. La energii superioare, bosonii W și Z pot fi generați cu ușurință și uniformitatea forței devine clară.

Deși forțele puternice și electro- slabe coexistă pașnic în modelul standard al fizicii particulelor , ele rămân diferite. Căutarea unei teorii a totul a rămas fără succes în două privințe: Nici forțele puternice și cele slabe electrice nu au fost combinate într-o mare teorie unificată și nici aceste forțe nu au fost combinate cu gravitația.

Două dintre cele mai populare teorii în prezent pentru o descriere uniformă a celor patru forțe de bază și pentru o descriere teoretică cuantică a gravitației sunt teoria șirurilor și gravitația cuantică în buclă , prin care reprezentanții ambelor teorii subliniază că teoriile existente sunt incomplete și că problemele esențiale au încă a fost rezolvată pentru a formula o teorie finală Nevoia de a deveni. În timp ce teoria șirurilor descrie elementele fundamentale care alcătuiesc lumea ca obiecte vibrante unidimensionale sau cu dimensiuni superioare, gravitația cuantică în buclă încearcă să cuantifice spațiul-timp în sine .

Pași de unificare

Teoriile care au fost văzute anterior separat au fost sau sunt în prezent fuzionate, după cum arată tabelul următor:

Interacțiuni fundamentale și descrierile acestora
(teoriile aflate într-un stadiu incipient al dezvoltării sunt umbrite în gri).
Interacțiune puternică Interacțiunea electromagnetică Interacțiune slabă Gravitatie
clasic Electrostatice și magnetostatice ,
electrodinamice 		Legea gravitației lui Newton ,
relativitatea generală

teoria cuantică 		Cromodinamică cuantică
( model standard ) 		Electrodinamica cuantică Teoria Fermi Gravitația cuantică  ?
Interacțiune electro-slabă
( model standard )
Marea Teorie Unificată  ?
Formula mondială („teoria tuturor”)?

termen

Termenul de formulă universală conține o descriere și predicție consecventă sau fără echivoc a fenomenelor observabile în natură în cadrul unui set simplu de formule matematice . Formula mondială este înțeleasă în consecință ca un contrast cu starea actuală a fizicii, în care se ajunge la predicții cu teorii diferite în diferite domenii, care în practică nu se contrazic reciproc, dar evident nu pot fi unificate. În prezent, acest lucru este rezolvat în așa fel încât, în funcție de context, teoria utilizată este aceea pe care experiența a arătat-o oferă cel mai mare acord cu experimentul respectiv . În zonele de frontieră dintre teoriile existente sau zonele lor de valabilitate , acest lucru are ca rezultat inevitabil conflicte de decizie și abateri mai mult sau mai puțin mari de la experimente. Un exemplu al modului în care astfel de conflicte pot fi rezolvate pentru cazuri individuale specifice este radiația Hawking și efectul Unruh aferent .

Practic, conceptul de formulă mondială se referă doar la (în principiu) cantități măsurabile în fizică. În plus, chiar și cele mai bune teorii actuale se confruntă cu limite practice de predictibilitate cu o complexitate crescândă a sistemului luat în considerare . Cu toate acestea, aceasta nu este o restricție a afirmației explicative cuprinzătoare a acestor teorii în domeniile lor de valabilitate respective.

Deci este z. De exemplu, chiar și astăzi nu este chiar posibil pentru a descrie un organism uman folosind electrodinamicii cuantice (QED), deoarece numărul de particule de materie care le conține , de departe , depășește capacitatea de stocare de curent de calculatoare . Cu toate acestea, fizica are un grad foarte ridicat de încredere în validitatea electrodinamicii cuantice în acest domeniu problematic, deoarece aplicarea sa la toate problemele practic rezolvabile cercetate până acum a arătat un acord extrem de bun cu experimentele. Astfel, se presupune, de asemenea, că sistemele compozite, dar care nu mai sunt practic rezolvabile ale QED, vor arăta acest grad de acord. Exact în același sens, un viitor TOE va revendica, prin urmare, explicația tuturor fenomenelor naturale măsurabile.

Termenul de formulă universală nu trebuie înțeles doar în sens figurat. O teorie fizică a totul nu va fi probabil redusă la o singură formulă matematică , ci mai degrabă se va baza pe un sistem de ecuații diferențiale superordonate cuplate. În loc de o formulă mondială, este necesar un sistem matematic de ecuații mondiale, care conține fizica ca soluție specială.

Fiecare teorie fizică a unui anumit aspect al lumii conține, pe lângă ecuațiile care o susțin, multe alte elemente explicative, fără de care nu poate fi aplicată. Acestea includ, mai presus de toate, reglementările privind modul în care trebuie măsurate cantitățile care apar în ecuații. Un sistem de ecuații mondiale trebuie să fie independent de reglementări.

De asemenea, se așteaptă ca formula mondială să descrie începutul universului nostru ( teoria big bang-ului ) și, astfel, crearea spațiului, timpului, masei și energiei.

critică

Conceptul unei teorii a totul se află în centrul unei dezbateri științifice interne despre reducționism . Unii oameni de știință, inclusiv Robert B. Laughlin și Philip Warren Anderson , neagă posibilitatea fundamentală de a explica fapte complexe cu o astfel de teorie, critică ceea ce consideră a fi fondurile disproporționate de cercetare care sunt strânse pentru căutarea formulei mondiale și prezintă concepte de apariție și auto-organizare opuse.

Prelucrarea culturală

În numeroase romane, filme și piese de teatru, o formulă mondială care a fost găsită, dar care nu a fost încă publică, joacă un rol. Un exemplu binecunoscut este comedia Die Physiker de Friedrich Dürrenmatt .

Vezi si

literatură

Link-uri web

Dovezi individuale

  1. ↑ Cunoștințe SWR2 (Aula 6 iulie 2008): Inside the World (rtf; 38 kB) .
  2. ↑ Chris Impey: Cum a început: Ghidul universului pentru călătorii în timp . WW Norton, New York și Londra 2012, ISBN 978-0-393-08002-5 . P. 340
  3. ↑ Michael Faraday : Cercetări experimentale în electricitate. Serie Douăzeci și Patra. Despre relația posibilă a gravitației cu electricitatea . Abstracts of the Papers Communicated to the Royal Society of London, London 1850, doi : 10.1098 / rspl.1843.0267 . P. 994 f.
  4. ↑ Emil du Bois-Reymond : Despre limitele cunoașterii naturii. O prelegere la a doua sesiune publică a celei de-a 45-a Adunări a naturistilor și medicilor germani . von Veit & Co., Leipzig 1872. p. 4 și urm.
  5. ^ Paul Dirac : Mecanica cuantică a sistemelor cu mai mulți electroni . Proceedings of the Royal Society of London A, London 1929, doi : 10.1098 / rspa.1929.0094 . P. 714
  6. ↑ Christopher Schrader: Heisenbergs Weltformel Spektrum.de (2018).
  7. ↑ Alexander Blum: Heisenberg și căutarea unei teorii definitive Institutul Max Planck pentru Istoria Științei (2018)
  8. ↑ Excepția de Peter Woit este bine cunoscut , care vrea să clasifice teoria corzilor ca „nu verificabile“ , cu formularea nu chiar greșit .
  9. ^ Robert B. Laughlin , David Pines : Theory of Everything. În: Proceedings of the National Academy of Sciences. ( PNAS ) Volumul 97, pp. 28-31. online@pnas.org Adus pe 28 mai 2011.
  10. ↑ Robert B. Laughlin : Adio la formula universală: reinventarea fizicii . Ediția a IV-a. Piper, München 2007, ISBN 978-3-492-04718-0 .