Court:
- pourquoi la physique moderne est dans une impasse.
- qu'Einstein et Hawking n'ont pas eu le temps d'explorer.
- comment combiner mécanique quantique et relativité générale.
Avec l'aide d'Internet, vous pouvez tout apprendre - de la conception d'un moteur à combustion interne à la vitesse d'expansion de l'Univers. Mais il y a des questions dont les réponses ne sont pas seulement connues de Google, mais même des plus grands scientifiques de notre temps.
Si vous avez soudainement la chance de parler avec les derniers lauréats du prix Nobel de physique, ne leur posez pas de questions sur les exoplanètes et la matière noire, ils l'ont déjà dit des centaines de fois.
Mieux vaut se demander pourquoi différents objets de notre monde obéissent à différentes lois de la physique. Par exemple, pourquoi les planètes, les étoiles et d'autres grands objets interagissent les uns avec les autres, suivant certaines lois, et les particules au plus petit niveau, comme les atomes, n'obéissent qu'à elles-mêmes.
Une telle question déroutera le profane, et une personne instruite qui y répondra vous dira pourquoi la science moderne est au point mort, quelle est la différence entre le modèle standard de physique et la théorie générale de la relativité (ci-après - GR), et aussi pourquoi la signification des bosons de Higgs et de la théorie des cordes est en fait l'affaire est surfaite.
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Malgré ces explications, personne, y compris Albert Einstein ressuscité, ne pourra vous expliquer la nature différente des phénomènes physiques aux niveaux micro et macro. Si vous pouvez résoudre vous-même ce problème - félicitations, vous êtes le premier auteur de la théorie de tout, le plus grand cerveau de l'histoire de l'humanité, le lauréat de tous les prix possibles et le père (ou la mère) de la nouvelle physique.
Mais, avant de présenter au monde une découverte révolutionnaire, il vaut mieux comprendre ce que signifie la théorie de tout, à quelles questions elle doit répondre, et qui est le plus proche de sa découverte.
La théorie de tout est une combinaison de deux des concepts les plus célèbres de la physique moderne - la relativité générale d'Albert Einstein et la mécanique quantique. La première théorie décrit tout ce qui nous entoure sous forme d'espace-temps, ainsi que l'interaction de tous les objets de l'Univers en utilisant uniquement la gravité. La mécanique quantique, quant à elle, décrit l'interaction des particules élémentaires en utilisant trois indicateurs à la fois: électromagnétique et interaction nucléaire forte / faible.
Ainsi, il parle de gravité et de grands objets comme les planètes et les étoiles, et la mécanique quantique parle de particules élémentaires et de leurs interactions électromagnétiques et nucléaires faibles / fortes. Nous y reviendrons un peu plus tard.
L'héritier de Newton
Pour la première fois, la relativité générale a été exprimée par Albert Einstein. À cette époque, un jeune employé de l'Office autrichien des brevets a complété la théorie classique de la gravitation de Newton et en a décrit toutes les inconnues. En particulier, grâce à cette découverte, les gens ont appris ce qu'est vraiment la gravité et comment elle détermine l'interaction non seulement entre la pomme et la Terre, mais aussi entre le Soleil et toutes les planètes du système solaire.
Einstein a suggéré que l'espace et le temps sont interconnectés et forment un seul continuum espace-temps - la base de l'émergence des forces gravitationnelles de tous les objets. Contrairement à la théorie de Newton, ce continuum (ou espace-temps) est flexible et peut changer de forme en fonction de la masse des objets et, par conséquent, de leur énergie.
Les conjectures d'Einstein n'ont été confirmées en pratique qu'il y a quelques années seulement, lorsqu'ils ont remarqué comment la lumière - et, par conséquent, l'espace-temps - se courbait, passant près d'un objet massif - le Soleil - en raison de l'influence de la gravité. Même sans cette preuve, la relativité générale est depuis longtemps devenue la base de la physique moderne, et jusqu'à présent personne n'a été en mesure d'offrir une explication plus étayée de la gravité des corps et des champs dans l'espace.
Malgré cela, l'espace-temps lui-même est encore mal compris et les scientifiques ne savent pas comment il se forme et en quoi il consiste. Les réponses à ces questions commencent tout juste à être recherchées en mécanique quantique - une branche théorique de la physique qui décrit la nature des phénomènes physiques au niveau des molécules, des atomes, des électrons, des photons et d'autres particules minuscules.
Mécanique quantique
Selon la théorie d'Einstein, absolument tous les objets de l'Univers devraient succomber à la gravité. Mais, parallèlement à la découverte de la relativité générale, d'autres scientifiques ont étudié comment les objets interagissent au niveau subatomique.
Il s'est avéré que la gravité à une telle échelle est complètement inutile. Au lieu de cela, les interactions électromagnétiques et nucléaires faibles / fortes sont devenues déterminantes. Avec l'aide de ces forces, les plus petites particules interagissent les unes avec les autres - photons, gluons et bosons.
Mais les scientifiques ne savent toujours pas par quels principes ces particules interagissent, car elles peuvent avoir une densité d'énergie extrêmement élevée et ne se prêtent toujours pas à la gravité. D'où - des phénomènes inexplicables tels que le dualisme onde-corpuscule (manifestation des propriétés d'une onde par une particule), ainsi que l'effet d'un observateur avec le résultat sous la forme d'un chat de Schrodinger vivant et mort.
Pour cette raison, deux mondes de la physique sont entrés en collision avec leur front - celui d'Einstein, où tous les objets ont certaines propriétés, se prêtent à la gravité, peuvent être décrits et prévisibles, et quantique, où une vie complètement différente et imprévisible fait rage, dans laquelle tout change constamment et nivelle le concept d'espace. temps en tant que tel.
Que faut-il faire pour unir ces deux mondes? Nous avons parlé de la gravité en relativité générale et de l'interaction nucléaire électromagnétique forte / faible dans le modèle standard de la physique. Donc, la gravité est presque parfaite, elle nous permet de comprendre presque tout ce qui nous entoure, mais elle ne prend pas en compte ce comportement très inexplicable des particules au plus petit niveau. L'interaction électromagnétique et nucléaire forte / faible est une partie alternative de la physique qui cache de nouvelles découvertes et représente un énorme réservoir pour la recherche, mais ne prend pas en compte les lois gravitationnelles de la relativité générale.
La dernière étape de la recherche et de la vie d'Albert Einstein a été la création de la théorie de la gravitation quantique, qui permettrait d'unir toutes les interactions possibles des objets aux niveaux macro et micro, et aussi expliquer pourquoi ils se comportent différemment. Einstein n'a jamais été en mesure de trouver des réponses à ces questions, et après lui, l'unification possible de la relativité générale et de la mécanique quantique a commencé à être appelée la théorie de tout.
La théorie de tout
Dans leur quête d'une théorie de tout, les scientifiques ont étudié certains des objets les plus inhabituels de l'univers: les trous noirs. Ils sont si lourds qu'ils se prêtent à la gravité, et si comprimés que des effets quantiques peuvent théoriquement être observés en tombant dans un trou noir. Mais, malheureusement, jusqu'à présent, à part le rayonnement de Hawking, qui est contraire à la mécanique quantique, et une photo récente de l'horizon des événements, les trous noirs ont peu aidé la science moderne. Même s'ils existent, les atteindre est une tâche presque impossible pour les humains.
Ils ont commencé à rechercher une théorie de tout sur Terre en utilisant diverses expériences de pensée et propriétés de la mécanique quantique et de la relativité générale, qui pourraient potentiellement se compléter.
Aujourd'hui, la version la plus populaire et la plus proche de la vérité de la théorie de tout est peut-être la théorie des cordes. Il dit que toute particule est une corde unidimensionnelle qui vibre dans une réalité à 11 dimensions, et, en fonction de ces vibrations, sa masse et sa charge sont déterminées.
Entre autres, la propriété principale d'une chaîne est qu'elle peut transférer la gravité à un niveau quantique. Si une telle théorie était confirmée dans la pratique, les cordes pourraient être le premier pas vers l'unification de la mécanique quantique avec la relativité générale. Mais, malheureusement, jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de le prouver et de déclarer que les cordes sont porteuses de la gravité au niveau subatomique. Tout comme le boson de Higgs récemment découvert n'est pas devenu le graviton souhaité.
Oui, on ne sait toujours pas d'où vient la masse de nombreuses particules élémentaires et par quel principe elles interagissent entre elles, mais cela n'empêche pas les physiciens modernes de proposer de plus en plus de nouvelles «théories du tout».
Récemment, par exemple, des physiciens de Chine, d'Allemagne et du Canada ont testé la théorie du darwinisme quantique de Wojciech Zurek, qui explique soi-disant comment les particules quantiques laissent leurs traces dans le macrocosme dont nous disposons. Mais même dans le cas de la confirmation de la découverte de particules dans deux états à la fois, ce n'est qu'une confirmation de l'interaction de la mécanique quantique de la relativité générale, et en aucun cas une explication de cela.
Un autre physicien théoricien américain de l'Université du Maryland, Brian Swingle, entreprit de décrire la nature de l'émergence de l'espace-temps et décida que l'intrication quantique pouvait former le continuum d'Einstein. Swingle a suggéré que la structure à quatre dimensions de l'espace-temps (longueur, largeur, profondeur et temps) pourrait être codée en physique quantique tridimensionnelle (avec les mêmes dimensions, mais sans temps). Selon le physicien, la gravité et la relativité générale devraient être expliquées à travers les propriétés de la mécanique quantique, et non l'inverse, ce qui rendait cette expérience assez contradictoire.
Il existe des dizaines de théories similaires complexes et même bien raisonnées, mais aucune d'elles ne peut encore être qualifiée de théorie de tout. C'est peut-être une bonne chose, puisque l'homme essaie de comprendre comment les atomes et les étoiles interagissent depuis le siècle dernier seulement, et que l'Univers existe depuis près de 14 milliards d'années.
Le chercheur moderne le plus célèbre de la théorie de tout - Stephen Hawking - à la fin de sa vie est venu à la conclusion qu'il était impossible de le trouver. Mais, cela n'a pas été une déception pour lui, mais, comme il l'a dit plus tard, au contraire, a conduit à la compréhension qu'une personne se développera constamment: «Maintenant, je suis heureux que notre recherche de compréhension ne s'arrête jamais et que nous ferons toujours l'expérience de nouvelles découvertes. … Sans cela, nous serions restés immobiles."
