اسأل إيثان: ما مدى قربنا من نظرية كل شيء؟

إن فكرة أن جميع التفاعلات والجسيمات التي تتم ملاحظتها اليوم هي مظاهر لنظرية واحدة شاملة جذابة ، ولكنها تتطلب قياسات إضافية ومجموعة من الأنواع الجديدة من الجسيمات والتفاعلات

قبل وقت طويل من آينشتاين ، كان لدى الأشخاص الذين درسوا الكون حلمًا في إيجاد معادلة واحدة ، تغطي أكبر عدد ممكن من الظواهر. بدلاً من وجود قانون خاص بها لكل خاصية مادية للكون ، سيكون من الممكن دمجها في منصة واحدة شاملة. تم دمج جميع قوانين الشحنات الكهربائية والمغناطيسية والتيارات الكهربائية والتحريض وأشياء أخرى في منصة واحدة بواسطة جيمس كلارك ماكسويل في منتصف القرن التاسع عشر. منذ ذلك الحين ، حلم الفيزيائيون بنظرية كل شيء : معادلة واحدة تحكم جميع قوانين الكون. ما التقدم الذي حققناه؟ هذا سؤال القارئ الذي يريد أن يعرف:

هل حقق العلم تقدمًا فيما يتعلق بنظرية التوحيد العظيم ونظرية كل شيء؟ هل يمكنك أن تشرح لنا ماذا يعني ذلك إذا وجدنا معادلة موحدة؟

نعم ، تم إحراز تقدم ، لكننا لم نصل بعد إلى الهدف. بالإضافة إلى ذلك ، لا يوجد حتى ثقة بأن نظرية كل شيء موجودة على الإطلاق.


التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية والجاذبية هي التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة للكون.

يمكن تقسيم قوانين الطبيعة ، بقدر ما اكتشفناها ، إلى أربعة تفاعلات أساسية: قوة الجاذبية ، التي تسيطر عليها النظرية النسبية العامة ، وقوى الكم الثلاثة التي تتحكم في الجسيمات وتفاعلها - التفاعل النووي القوي ، التفاعل النووي الضعيف والتفاعل الكهرومغناطيسي. بدأت المحاولات الأولى لإنشاء نظرية موحدة لكل شيء بعد وقت قصير من نشر النسبية العامة ، حتى قبل أن نعرف القوانين الأساسية التي تحكم التفاعلات النووية. حاولت هذه الأفكار ، المعروفة باسم نظريات كالوزا كلاين ، الجمع بين الجاذبية والكهرومغناطيسية.


تعود فكرة الجمع بين الجاذبية والكهرومغناطيسية إلى أوائل عشرينيات القرن العشرين وأعمال ثيودور كالوزا وأوسكار كلاين.

أدت إضافة بُعد مكاني إضافي إلى النسبية العامة لأينشتاين ، الخامس على التوالي (باستثناء المستوى المكاني القياسي الثلاثة وواحد مؤقت) ، إلى ظهور جاذبية أينشتاين ، الكهرومغناطيسية ماكسويل وحقل عددي جديد. يجب أن يكون البعد الإضافي صغيرًا بما يكفي لعدم التدخل في قوانين الجاذبية ، ويجب ألا يكون للحقل العددي الإضافي تأثير مميز على الكون. نظرًا لأنه كان من المستحيل صياغة نظرية الكم للجاذبية بمثل هذا النهج ، فإن اكتشاف فيزياء الكم والقوى النووية - التي كانت هذه المحاولة لتوحيدها غير قادرة على أخذها في الاعتبار - حرم نهج الشعبية.


الكواركات والقطع الأثرية والغلاونات في النموذج القياسي لها شحنة ألوان ، بالإضافة إلى جميع الخصائص الأخرى ، مثل الكتلة والشحنة الكهربائية. يمكن كتابة النموذج القياسي في شكل معادلة واحدة ، ولكن لن يتم دمج التفاعلات داخله.

ومع ذلك ، أدت التفاعلات النووية القوية والضعيفة إلى صياغة النموذج القياسي في عام 1968 ، والذي جمع بين التفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية تحت مظلة واحدة شاملة. تم أخذ جميع الجسيمات وتفاعلاتها في الاعتبار ، وتم عمل العديد من التنبؤات الجديدة ، بما في ذلك تنبؤ كبير حول الارتباط. عند الطاقات العالية من 100 GeV (الطاقة المطلوبة لتسريع إلكترون واحد إلى جهد 100 مليار فولت) ، يجب استعادة التماثل الذي يجمع بين التفاعل الكهرومغناطيسي وضعف. تم توقع وجود بوزونات ضخمة جديدة ، ومع اكتشاف بوزونات W و Z في عام 1983 ، تم تأكيد هذا التنبؤ. تم تخفيض أربعة تفاعلات أساسية إلى ثلاثة.


تقترح فكرة التوحيد أن جميع التفاعلات الثلاثة للنموذج القياسي ، وربما الجاذبية ، عند الطاقات العالية يتم دمجها في منصة واحدة

كان الاتحاد بالفعل فكرة مثيرة للاهتمام ، لكن النماذج بدأت في تطويره. وقد اقترح الناس أنه في الطاقات الأعلى ، سوف يتحد التفاعل القوي مع الضعف الكهربائي ؛ من هنا جاءت فكرة نظريات التوحيد الكبرى. اقترح البعض أنه في طاقات أعلى ، ربما في منطقة مقياس بلانك ، ستنضم الجاذبية أيضًا إلى بقية ؛ كان هذا أحد الدوافع الرئيسية لنظرية الأوتار. ميزة مثيرة للاهتمام لهذه الأفكار هي أنه إذا كنت بحاجة إلى التوحيد ، فأنت بحاجة إلى استعادة التماثلات في طاقات عالية. وإذا كان للكون في الطاقات العالية تماثلات مكسورة حاليًا ، فيمكن ترجمة ذلك إلى شيء يمكن ملاحظته: جسيمات جديدة وتفاعلات جديدة.


جزيئات النموذج القياسي وتوائمهم المتناظرة. هذا الطيف الجسيم هو نتيجة حتمية لاتحاد أربعة تفاعلات أساسية في سياق نظرية الأوتار

إذن ما هي الجسيمات والتفاعلات الجديدة المتوقعة؟ يعتمد ذلك على إصدار نظريات التوحيد للاختيار. وتشمل هذه:

• جزيئات ثقيلة ومحايدة ، تشبه المادة المظلمة.
• شركاء الجسيمات فوق التناظر.
• أحادي القطب المغناطيسي.
• البوزونات العددية الثقيلة المشحونة [بدون دوران / تقريبًا. ترجم.].
• العديد من الجسيمات تشبه جسيمات هيجز.
• الجزيئات الوسيطة في اضمحلال البروتون.

على الرغم من الملاحظات غير المباشرة يمكننا التأكد بثقة من وجود المادة المظلمة ، لم يلاحظ في التجارب أي من هذه الجسيمات أو الانحلال المتوقع.


في عام 1982 ، في تجربة بقيادة Blas Cabrera ، مع ثماني حلقات من الأسلاك ، تم تسجيل تغيير في ثمانية مغناطيسات: علامة على احتكار مغناطيسي. لسوء الحظ ، خلال الاكتشاف ، لم يكن هناك أحد في المختبر ، ولم يتمكن أي شخص منذ ذلك الحين من إعادة إنتاج هذه التجربة أو العثور على الاحتكار الثاني.

لكن من المؤسف - لأسباب عديدة ، لأننا كنا نبحث بنشاط عن كل هذا. في عام 1982 ، سجلت إحدى التجارب التي تبحث عن احتكار مغناطيسي النتيجة الإيجابية الوحيدة ، لذلك كان لديه الكثير من المتابعين الذين يحاولون العثور على monopoles. لسوء الحظ ، كانت هذه النتيجة الإيجابية شاذة ، ولم يعيدها أحد على الإطلاق. أيضًا في الثمانينيات ، بدأ الناس في بناء خزانات عملاقة بالماء والأنوية الذرية الأخرى بحثًا عن دليل على انحلال البروتون. ونتيجة لذلك ، تم تحويل هذه الخزانات إلى أجهزة استشعار النيوترينو ، ولم يتم تسجيل أي انحلال واحد للبروتون. يتجاوز عمر البروتون الآن 10 ³⁵ سنة - حوالي 25 مرة من حيث الحجم أكثر من عمر الكون.


صهريج مملوء بالماء من تجربة Super Kamiokande ، والذي وضع أكثر القيود صرامة على عمر البروتون. في وقت لاحق ، أصبحت هذه الكاشفات مراصد نيوترينو ممتازة ، لكنها لم تسجل تسوس بروتون واحد.

هذا أيضًا سيئ ، لأن التوحيد العظيم يوفر طريقة أنيقة وأنيقة لخلق عدم تناسق بين المادة والمادة المضادة في الكون. في الأيام الأولى ، كان الكون ساخنًا بما يكفي لإنتاج أزواج المادة / المادة المضادة وجميع الجسيمات التي يمكن أن تكون. في معظم TBOs ، يوجد جزيئين حاليين هما البوزونات فائقة الثقل X و Y ، والتي لها شحنات وتحتوي على أزواج من الكواركات واللبتونات. من المتوقع أن يتجلى عدم التماثل في الطريقة التي تتفكك بها نسخها للمادة والمادة المضادة ، مما قد يؤدي إلى هيمنة بقايا المادة على المادة المضادة ، حتى لو لم يكن هناك هيمنة في البداية. لسوء الحظ ، مرة أخرى ، لم نجد بعد أدلة على وجود هذه الجسيمات وتفاعلاتها.


يمكن لمجموعة متماثلة من بوزونات المادة والمادة المضادة (X ، Y ، مضاد X ، مضاد Y) ، في وجود الخصائص الضرورية لـ TBO ، أن تولد عدم تناسق المادة / المادة المضادة التي لوحظت في الكون اليوم

يعتقد بعض الفيزيائيين أن مثل هذه التماثلات يجب أن تكون موجودة في الكون ، وأن أدلةهم تتجاوز ببساطة الطاقات المتاحة على المصادم LHC. يأتي البعض الآخر إلى فرصة أقل ملاءمة: ربما لا تسعى الطبيعة إلى الاتحاد. ربما لا يوجد TVO يصف واقعنا المادي. ربما لا يتم الجمع بين نظرية الجاذبية الكمومية والتفاعلات الأخرى ؛ ربما مشاكل التكون الباري والمادة المظلمة لها حلول أخرى لا تتبع من هذه الأفكار. بعد كل شيء ، فإن الحكم النهائي لما يبدو الكون لن يكون أفكارنا حول هذا ، ولكن نتائج التجارب والملاحظات. لا يسعنا إلا أن نسأل الكون ما هو ؛ والأمر متروك لنا للاستماع للإجابة والتصرف على أساسها.


Lagrangian للنموذج القياسي هو معادلة واحدة تتضمن جزيئات وتفاعلات النموذج القياسي. يحتوي على خمسة أجزاء مستقلة: gluons (1) ، البوزونات الضعيفة (2) ، تفاعل المادة مع التفاعل الضعيف وحقل Higgs (3) ، الجسيمات - المشروبات الروحية التي تقضي على تكرار مجال Higgs (4) وأرواح Faddeev-Popov التي تؤثر على التكرار تفاعل ضعيف (5). لا يتم تضمين كتل النيوترينوات.

على الرغم من أنه يمكننا كتابة النموذج القياسي كمعادلة واحدة ، إلا أنها ليست نظرية توحيد بمعنى أن الأعضاء المستقلين والمنفصلين والمستقلين يحكمون المكونات المختلفة للكون. لا تتفاعل أجزاء مختلفة من النموذج القياسي مع بعضها البعض - لا تؤثر شحنة اللون على التفاعلات الكهرومغناطيسية أو الضعيفة. لا توجد أيضًا إجابة على الأسئلة حول سبب عدم وجود تفاعلات مثل انتهاك الثبات CP في التفاعل القوي الذي يجب أن يحدث.


عندما يتم استعادة التناظر (عند أعلى قيمة محتملة) ، يحدث اتحاد. ومع ذلك ، فإن انتهاك التماثلات ، في قاعدة التل ، يتوافق مع الكون الموجود لدينا اليوم ، حيث توجد أنواع جديدة من الجسيمات الضخمة

يأمل الكثير في أن تحتوي الجمعية على إجابة على هذه الأسئلة ، وأن تحل العديد من المشاكل والألغاز المفتوحة في الفيزياء الحديثة. ومع ذلك ، فإن أي أنواع من التماثلات الإضافية - التماثلات التي يتم استعادتها عند طاقات عالية ، ويتم كسرها اليوم - تؤدي إلى ظهور جسيمات جديدة وتفاعلات جديدة وقواعد فيزيائية جديدة يجب أن يلعب الكون من خلالها. حاولنا إجراء هندسة عكسية لبعض التنبؤات باستخدام القواعد اللازمة لعمل كل شيء - ومع ذلك ، لم تظهر الجسيمات والارتباطات التي كنا نأمل في رؤيتها. لن يساعدك التوحيد في استخلاص خصائص واضحة مثل الكيمياء والبيولوجيا والجيولوجيا والوعي - ولكنه سيساعدنا على فهم أفضل من أين وكيف جاء كل شيء.


يُظهر التاريخ الكوني للكون المعروف بأكمله أننا مدينون بأصل كل المادة وكل الضوء فيها حتى نهاية التضخم وبداية الانفجار العظيم الساخن.

بالطبع ، هناك احتمال آخر: ألا يتحد الكون. حقيقة وجود العديد من القوانين والقواعد المختلفة لسبب ما: التماثلات التي اخترعناها هي مجرد ميزات رياضية ، وليست أوصاف للكون المادي. لكل نظرية فيزيائية أنيقة ، جميلة ، مقنعة ، هناك نظرية فيزيائية أخرى ، أنيقة بنفس القدر ، جميلة ، ومقنعة - لكنها خاطئة. في هذه ، كما في جميع الأسئلة العلمية ، مهمة البشرية هي طرح الأسئلة الصحيحة. حسنًا ، مهمة الكون هي تزويدنا بالإجابات. مهما كانت ، لدينا مثل هذا الكون كما هو. ويجب أن نفهم ما تعنيه هذه الإجابات.

إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].

الأسئلة الشائعة: إذا كان الكون يتوسع ، فلماذا لا نتوسع ؟ لماذا لا يتزامن عمر الكون مع نصف قطر الجزء الملاحظ .