Fiziğin uzun zamandır sevilen arzusu nedir?
Lee Smalling "The Confusion of Physics" kitabında şöyle yazdı: "Fiziğin uzun süredir sevilen arzusu kötü bir aşk hikayesininkiyle aynıdır. Bu birlik içindir. Mümkün olduğunda, geçmişte farklı kabul edilen iki şeyi bir Bir varlığın farklı yönleri - bu, bilimin en büyük sürprizi ve sevincidir. "
1862'de, Maxwell Bize güzel bir birlik göster. Yazdığı birkaç basit denklemde doğadaki en şaşırtıcı şeyler var: elektrik ile manyetik kuvvet , Aslında bir güçtür Elektromanyetik güç İki taraf. Daha da şaşırtıcı olan, Maxwell denkleminin yalnızca birliği sağlamakla kalmayıp aynı zamanda şunu da keşfetmesidir: Elektromanyetik dalga Sadece Işık !
Maxwell denklemi.
20. yüzyılın başlarında, fizik üzerindeki iki kara bulut nihayet iki büyük fizik devrimini tetikledi. İlk devrim geldi Einstein . Einstein, 1905'te özel görelilik teorisini önerdi ve belki de tarihin en çok bilinen denklemini yazdı: E = mc² . On yıl sonra, özel görelilik teorisine dayanan yepyeni bir teori önerdi. yerçekimsel teori-- Genel görelilik , Subverted Newton'un teorisi. İkinci devrim daha derin olabilir. Kuantum mekaniği . Bu iki teori, modern fiziğin iki temel taşıdır. İlki, yerçekimi ile eğimli uzay-zamanı birbirine bağlar ve tüm evreni tanımlar; ikincisi, atom altı parçacıkları ve bunların etkileşimlerini yönetir. Ancak bu iki teori nasıl bir araya getirilir, sözde Kuantum yerçekimi teorisi Bu, fizik camiasının en büyük amacıdır.
Yerçekimi ve elektromanyetik kuvvet birçok insana aşinadır, ancak doğada bilinen iki temel kuvvet vardır - Güçlü nükleer güç (Protonun içindeki kuarkları birbirine bağlar) ve Zayıf nükleer güç (Parçacığın bozulmasına hükmeder). Düşünmeden edemeyiz, çünkü elektrik ve manyetizma elektromanyetik kuvvette birleştirilebildiğinden, doğadaki dört temel kuvvetin aslında bir kuvvetin sadece dört tarafı olma ihtimali var mı? Bu aynı zamanda kuantum yerçekimi teorisinin cevaplamak istediği sorudur.
1919 gibi erken bir tarihte, Alman matematikçiler Caruzza Genel göreliliği incelerken şaşırtıcı bir matematiksel gerçek keşfettim. Genel görelilik, dört boyutlu uzay-zamana (üç boyutlu uzay + tek boyutlu zaman) dayalı olarak tanımlanır, ancak Kaluza, uzay-zamanın beş boyutlu (dört boyutlu uzay + tek boyutlu zaman) olması durumunda, Yerçekimi ve elektromanyetik kuvveti birleştirin . Einstein, Kaluza'nın fikirlerinden de etkilendi. Kaluza'nın girişimi başarısızlıkla sonuçlansa da, ek boyutlar fikri o zamandan beri kabul edildi.
Beş boyutlu yerçekimi = dört boyutlu (yerçekimi + elektromanyetik kuvvet).
1960'larda elektromanyetik kuvvetin tanımı Kuantum elektrodinamiği ( QED Bu teoride, elektromanyetik kuvvet fotonlar tarafından iletilir) iyi kurulmuştur, ancak güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri açıklayan olgun bir teori yoktur. O zaman, fizikçiler laboratuvarda zayıf nükleer kuvvetin QED ile aynı özelliklerden bazılarını sergilediğini, özellikle fotonlara benzer bir bozon tarafından iletilebileceğini keşfettiler (kuvveti ileten parçacıklara gauge Bose adı verilir. çocuk). Teoride, fizikçiler ayrıca QED'in temelini U (1) grubu Daha büyük hale getirilebilir SU (2) grubu (Zayıf nükleer güce karşılık gelir).
Weinberg'in tezi "Lepton Modeli", 20. yüzyılın ikinci yarısında yüksek enerjili parçacık fiziğinin gelişim yönüne işaret etti. Weinberg, iki buçuk sayfalık bir makalede (referanslar ve teşekkürlerle birlikte), evrendeki en derin sırları zarif ve kısaca yazdı. Bugün, bu makale haftada en az üç kez alıntılanıyor. İçeriği, parçacık fiziğinin Standart Modelinin özüdür.
1970'lerde, protonlar ve nötronlar içindeki kuarklar ve gluonlar arasındaki karmaşık etkileşimleri tanımlayan bir teori yavaş yavaş kuruldu. Kuantum kromodinamiği ( QCD Norm grubu SU (3)). QCD'nin arkasındaki matematik o kadar karmaşık ve zordur ki, ilgili problemler milenyumun yedi ana matematik probleminden biri olarak listelenmiştir.
Bugün elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet ve bilinen tüm temel parçacıkların tanımlarının dahil edildiğini biliyoruz. Parçacık Fiziğinin Standart Modeli içinde. Son birkaç on yılda, Standart Model son derece başarılı oldu, ancak mükemmel değil çünkü karanlık madde ve seviye problemleri gibi tüm problemleri çözmüyor.
Standart modelin Lagrange miktarı. Bu denklem, Standart Modeldeki tüm temel parçacıkları ve bunlar arasındaki etkileşimi açıklar. | Resim kaynağı:
Gerçekte, fizikçiler elektrozayıf kuvvet ile güçlü nükleer kuvveti birleştirmeyi başaramadılar, ancak bazı ilgili bazı " Büyük birleşik teori ( BAĞIRSAK ) , Ancak deneysel olarak doğrulanmadı. 1974'te Glasow ve Georgi matematiksel simetri gruplarının SU (3), SU (2) ve U (1) 'un tek bir daha büyük simetriye dahil edilebileceğini keşfetti. SU (5) .SU (5) grubu protonların bozunacağını tahmin ediyor, ancak tek sorun deneyin herhangi bir proton bozunması belirtisi gözlemlememiş olmasıdır.
1970'lerin sonlarında, Süpersimetri teorisi Görünüşü, kuantum kütleçekiminin son teorisinin yönünü gösterebilir. Süpersimetri fikri çok basittir, yani Standart Modeldeki her temel parçacığın ona uyması için süper simetrik eş adı verilen bir parçacık vardır. Süpersimetri doğruysa, elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet eninde sonunda büyük birleşik teorinin gerektirdiği enerji ölçeği altında birleşecektir (bunların eşleşme sabitleri yüksek enerjide birbirine yaklaşır).
Süper simetriyi düşündüğümüzde, elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet aynı anda bir noktada birleşir (sağ taraf). | Resim kaynağı: CERN
Ve yerçekimi teorisinde süpersimetriyi hesaba kattığımızda, sonuç açıktır, yani Süper yerçekimi teorisi . Parçacık fizikçileri, yerçekimini ileten parçacığın 2 spinli kütlesiz bir parçacık, yani bir graviton (hala deneylerle tespit edilen varsayımsal bir parçacık) olduğuna inanırlar. Elektromanyetik kuvvet ve yerçekimini birleştirmek için, yukarıda bahsedilen Kaluza, ekstra bir boyuta ihtiyaç duyma fikrini öne sürerken, süper yerçekimi yedi ekstra boyut gerektirir.
Tüm kuantum yerçekimi teorilerinde, Sicim Teorisi Genellikle en umut verici aday teori olarak kabul edilir. Sicim teorisi, tüm parçacıkların (elektronlar, fotonlar vb.) Nokta parçacıklar olmadıklarını, ancak titreşen dizelerden oluştuğunu varsayar. Farklı titreşim durumları farklı parçacıklar oluşturacaktır. 1980'lerin ortalarında, fizikçiler kuantum yerçekiminin matematiksel olarak tutarlı bir tanımını verdiğini keşfettiklerinde, sicim teorisine olan ilgi daha önce hiç olmadığı kadar arttı. Ancak sicim teorisinin bilinen beş versiyonunun hepsi "tedirgin", yani belirli koşullar altında başarısız oldukları anlamına geliyor.
1995 yılı Witten Tüm sicim teorilerinin aynı köke sahip olduğunu buldum. Pertürbatif sicim teorisinin tutarlı bir pertürbatif olmayan teoriye sentezlenebileceğine dair her türlü işareti buldu. M teorisi . M-teorisi, farklı fiziksel koşullar altında farklı sicim teorileri gibi görünür, ancak geçerlilik kapsamı üzerinde herhangi bir sınırlaması yoktur.Bu, kuantum yerçekimi teorisi için önemli bir önkoşuldur. M-teorisi, sicim teorisi ve süper yerçekiminin beş versiyonunu tek bir matematiksel yapıda birleştirir. 1997 yılına kadar Maldacena Bulundu AdS / CFT ikiliği , Sicim teorisini, fizikçilerin oldukça derinlemesine inceledikleri kuantum alan teorisiyle ilişkilendirmek, tüm sicim teorisi araştırmacılarını heyecanlandırıyor.
Büyük birleşme, süpersimetri ve M teorisi sadece çok güzel fikirler değil, aynı zamanda standart modelle çözülemeyen birçok sorunu çözerek birçok teorik fizikçinin takipçilerini cezbetmektedir. Ancak, ne kadar harika olurlarsa olsunlar, deneysel doğrulamaya ihtiyaçları vardır. İyi bir bilimsel teorinin aşağıdaki üç koşulu karşılaması gerektiğini hatırlamalıyız:
1. Mevcut bilimsel teorilerin tüm başarılı tahminlerini kopyalayabilmelidir.
2. En son deneysel ve gözlemsel verileri, yani mevcut bilimsel teorilerle açıklanamayan verileri açıklayabilmelidir.
3. En önemlisi, test edilebilir tahminlerde de bulunmalıdır .
Maxwell denklemleri, genel görelilik ve standart modelin tümü bu üç noktaya uyar.
21. yüzyılda Higgs bozonu (2012) ve yerçekimi dalgalarını (2015) keşfetmemize rağmen, temel fizikte pratik bir ilerleme olmadı. Fizikçi yanlış yöne mi gidiyor? Yoksa sadece yeterince sabra mı ihtiyacımız var? Bilmiyoruz ama hepimiz fizikte bir sonraki devrimi dört gözle bekliyoruz.
Kaynak: İlke
