Fizikteki bu altı sınır araştırmasından hangisi yeni fiziğin kapısını çalacak?
Geçtiğimiz yüzyılda, fizikçiler kademeli olarak standart kozmoloji modelini ve altı prensibe dayanan standart parçacık fiziği modelini geliştirdiler. Dünyanın nasıl çalıştığını başarılı bir şekilde anlatsalar da, acilen çözülmesi gereken altı büyük sorunla da karşı karşıyalar. Bu sorunlar birçok fizikçiyi rahatsız etti, ancak geri çekilmelerine neden olmadı, bunun yerine zorluklarla karşılaştılar ve en çekici altı çözümü önerdiler.
Bu altı seçeneği tek tek tartışmadan önce, önceki iki konunun içeriğini bir resimle gözden geçiriyoruz:
- plan 1 -
Değiştirilmiş yerçekimi teorisi
Yerçekimi hepimizin aşina olduğu bir kavramdır, sonuçta ayaklarımızı yere sağlam basar ve dünyanın atmosferini korur. Genel görelilik teorisi, bilinen en doğru yerçekimi teorisidir ve şimdiye kadar tüm testlere dayanmıştır. Zayıf yerçekimi alanı ve göreli olmayan hareket (yavaş hareket hızı) durumunda, genel görelilik Newton'un yerçekimi olarak yaklaşık olarak tahmin edilebilir.
"New Scientist Magazine" de Mark Anderson, "Neden yerçekiminin nasıl çalıştığını yeniden düşünmenin zamanı geldi" [1] başlıklı bir makale yazdı. (Resim kaynağı: Julien Pacaud)
Güneş sisteminin menzilinde ve kara deliklerin birleşmesiyle yayılan kütleçekim dalgalarında genel göreliliğin çok iyi bir performansa sahip olduğunu biliyoruz. Ancak kozmik ölçekte genel görelilik hala geçerli mi? Buna inanmayı seçersek, galaksilerin ve galaksi kümelerinin yüksek hızlı dönüşünü açıklamak için, yeni bir madde formu icat edilmelidir: karanlık madde. Benzer şekilde, evrenin hızlanan genişlemesini açıklamak için, başka bir gizemli karanlık güç enerjisi de önermeliyiz.
Ama gerçekten karanlık maddeye ve karanlık enerjiye ihtiyacımız var mı? Belki de hiç yoklar? Sadece yer çekiminin ne olduğunu yeniden düşünmemiz gerekiyor. Aslında, Einstein'ın genel görelilik teorisini yayınlamasından kısa bir süre sonra Eddington, Weyl, Cruza ve Klein başka alternatif teoriler aramaya başlamıştı. Alternatif genel görelilik kuramlarına topluca " Değiştirilmiş yerçekimi teorisi "(Değiştirilmiş Yerçekimi). Yaklaşık bir asırdır, fizikçiler birçok ilgili teori ortaya attılar. Aşağıdaki çizelge değiştirilmiş yerçekimi teorilerinin çoğunu listeliyor:
Yerçekimi teorisini gözden geçirmenin bazı yolları. Bu teorilere ilgi duyan okuyucular Timothy Clifton [2] tarafından yazılmış bir inceleme önermektedir. (Resim kaynağı: Tessa Baker)
Örneğin, 1981'de Moti Milgrom tarafından önerilen "değiştirilmiş Newton dinamikleri" (MOND) bir galaksinin dönüş eğrisini açıklayabilir. Bununla birlikte, şu anda hiçbir teori öne çıkamıyor, hepsi aşılması gereken bazı sorunlarla karşı karşıya.
Genişletilmiş okuma: "Yeni yerçekimi teorisi ilk testi geçti"
- Senaryo 2 -
Süpersimetri teorisi
Fizikçiler, doğada bozonları (fotonlar gibi) ve fermiyonları (elektronlar gibi) birbirine bağlayabilen bir simetri olduğuna inanırlar. Simetrik dönüşümde fermiyonlar bozonlara dönüşür ve bunun tersi de geçerlidir. Bu simetri adlandırılır Süper simetri .
Standart model parçacıklar solda ve süper simetrik parçacıklar sağdadır. (© DESY)
Süpersimetri teorisinde, bilinen tüm fermiyonların (kuarklar ve leptonlar gibi) bilinmeyen bir süper simetrik bozon ortağı (hiperkuarklar ve ultraleptonlar gibi) ve bilinen tüm bozonlar (örn. Hem fotonlar hem de gluonlar, fermiyonların bilinmeyen süper simetrik ortaklarına (fototrinler ve süpergluonlar gibi) sahiptir. Parçacıklar anında ikiye katlandı ve tabii ki eğlence ikiye katlandı.
Süpersimetri teorisi fizikçiler arasında popülerdir çünkü güzeldir ve altı problemden üçünü aynı anda çözebilir:
İnce ayar problemi: Higgs bozonunun kalitesinin neden bu kadar düşük olduğunu açıkladı;
Kuvvetin birleştirilmesi: Hesaplamalar gösteriyor ki enerji yükseldikçe elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet yüksek enerji altında birleşecek;
Karanlık madde: En hafif süper simetrik parçacık-nötrino, karanlık madde için doğal bir adaydır.
Parçacıklar ikiye katlandı ve eğlence ikiye katlandı. (Resim kaynağı: Sandbox Studio)
Bu büyük sorunları birçok insanı büyüleyen parçacık sayısını ikiye katlayarak çözebiliriz. Ancak sorun şu ki, süper simetrik parçacıklar varsa, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda tespit edilmiş olmaları gerekirdi. Ancak şimdiye kadar hiç şüpheli sinyal görmedik ve bu da birçok kişinin oyunu kaybetmesine neden oldu. Belki süpersimetrik parçacıkların düşündüğümüzden daha ağır olması ya da verileri daha dikkatli analiz etmemiz gerektiğidir, bilmiyoruz. Ancak giderek daha fazla insan tedirgin hissediyor, belki de istediğimiz yanıt süpersimetri değil.
Genişletilmiş okuma: "Süpersimetrinin Yükselişi ve Düşüşü", "Çift Sis: Sıfır Sonuçların Gölgesi Fiziği Kapsıyor"
-Seçenek 3-
Beşinci kuvvet
Keşfedilmemiş bir beşinci kuvvet olması mümkün mü? (Resim kaynağı: Gün)
Yerçekimi, elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet ... Bunlar şimdiye kadar bilinen dört temel kuvvet, ancak bu sayı çok rastgele görünüyor. Neden daha fazla temel olamaz? Beşinci kuvvet Zayıf ve uzun menzilli bir kuvvet olması muhtemeldir, biraz yerçekimine benzer, ancak onunla etkileşime girmesi muhtemeldir. Biraz yerçekimini ortadan kaldırabilir ve evrenin genişleme hızının neden hızlandığını (karanlık enerji) açıklayabilir. Belki de ek yerçekimi sağlamak ve karanlık madde sorununu açıklamak için yerçekimi eylemini üst üste getirebilir. Bu beşinci kuvvet, varlığını hissetmememiz için kendimizi gizlemekte çok iyi olmalı. Güneş sistemindeki yüksek yoğunluklu çevre korumasının etkilerini hissedemediğimiz bir görüş var, ancak bu sadece kozmik ölçekte (düşük yoğunluklu) ortamda önemli hale geliyor, bu yüzden bu fikri test etmemiz çok zor.
Berilyum-8'in bozulması, beşinci kuvvetin varlığının kanıtı olacak mı? (Resim kaynağı: Flip Tanedo)
Beşinci kuvvet, parçacık fiziğinin ince ayarını açıklamak için kuantum parçacıklarıyla birlikte önerildi, ancak bu ölçekte bu yeni temel kuvvetin var olduğuna dair neredeyse hiçbir kanıt yok. Ancak bilim adamları, geçen yıl yapılan deneylerde, beşinci kuvvetin varlığının kanıtı olarak kabul edilen berilyum-8 elementinin nadiren bozunmasını gözlemlediler ve bu sonuç daha da doğrulandığında yepyeni bir durum açılacak.
Genişletilmiş okuma: "Beşinci Temel Kuvvet: Gerçek mi Yoksa Kurgu mu?
-Seçenek 4-
Sicim teorisi
Einstein dahil birçok fizikçinin hayali, tüm doğa olaylarını tanımlayacak birleşik bir teori bulmaktır. Son birkaç on yılda böyle bir teori ortaya çıktı: Sicim teorisi . Özellikle daha sonra gelişti M teorisi . M-kuramında, madde artık Standart Modelde ele alınan nokta parçacıklardan oluşmaz, tek boyutlu titreşen dizelerden oluşur ve 11 boyutlu uzay-zamandır. Bu sicimlerin farklı titreşim modları, farklı temel parçacıkları temsil eder.
Calabi-Yau Chengtong uzayı, süper sicim teorisinin gerektirdiği ekstra boyuttur. (Resim kaynağı: Jeff Bryant)
M-teorisi ince ayar sorununu çözebilir ve şunları içerir: Süper simetri . Ekstra boyutu çok küçük kıvrılmış, bu yüzden onu tespit edemiyoruz. Pek çok insan M-teorisinin birleşmenin doğru yolu olduğuna inanıyor, ancak asıl sorunu test edilebilir herhangi bir tahmin yapmaması. Bu çok tartışmaya neden oldu ve birçok insan sicim teorisinin bilimsel bir teori olup olmadığını sorgulamaya başladı.
Döngü kuantum yerçekimi ve sicim teorisinin birleşimi pozitif bir çözüm müdür? (Resim kaynağı: Domenic Bahmann)
Aynı zamanda, döngü kuantum yerçekimi ve nedensel küme teorisi gibi sicim teorisinin rekabet teorileri sürekli olarak ortaya çıkmaktadır. Son zamanlarda, bazı fizikçiler sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekiminin kombinasyonunun daha derin gerçekliği anlamanın bir yolu olabileceğine inanıyorlar [3].
Genişletilmiş okuma: "On Soru, Sicim Teorisini Bilelim", "Evrende Kaç Boyut Var?" "," Birleşmeye Giden Yol, Zorluklar "
-Seçenek 5-
Çoklu evren
Evrenin böyle olmasının nedeni, başka birçok olası evren bulunmasıdır. (Resim kaynağı: Kamu malı)
Çoklu evren, bilim kurguda bir sahne gibi geliyor, ancak aslında çoklu evrenin varlığını öngören birçok teori var. Sicim teorisi Ona ihtiyacı olmak. Enflasyon teorisi bunu yapar. Kuantum mekaniğinin ölçüm problemini açıklarken, çoklu dünya yorumu sürekli olarak paralel evrenler yaratır. Ancak karşılaştığımız ilk zorluk, bu çoklu evrenlerin hepsinin farklı olabilmesidir, ancak giderek daha fazla insan son ikisinin aynı olabileceğini düşünmektedir [4]. İkincisi, onların varlığını kanıtlamak için ikna edici kanıtların nasıl bulunacağıdır.
Sonsuz enflasyon teorisinde enflasyon asla durmayacaktır. Şekildeki kırmızı X, evrenimiz gibi şişmenin durduğu alanı temsil eder. Yeşil, enflasyonun sürdüğü ve sonsuza kadar devam edecek olan alanı temsil eder. (Resim kaynağı: E.Siegel)
Çoklu evren hem bir lütuf hem de bir lanettir. Örneğin, sicim teorisi veya enflasyon tarafından tahmin edilen çoklu evren, ince ayar sorununu çözebilir: diğer evrenler tüm olası maddi yapılara sahiptir ve içinde bulunduğumuz evren, yaşamın ortaya çıkmasını ve gelişmesini sağlayan "doğru" formüllerden yalnızca biridir. Bununla birlikte, böylesi bir "antropik" ilke bizi en çekici soruyu sormaktan kurtarır: "Neden?" Tahmin edilebilirlik.
Uzun okuma: "Sayısız farklı evrende gerçekten sayısız siz var mı?"
-Seçenek 6-
Bilgi
Genel görelilik ve kuantum teorisini birleştirmeye çalışırken, genellikle genel göreliliğin revize edilmesi gerektiğini varsayarız. Sonuçta, bu klasik bir alan teorisidir ve kuantum teorisini hiç dikkate almaz. Bununla birlikte, kuantum teorisinin ölçüm problemleri gibi bazı yönleri net bir şekilde açıklanmadığı sürece, o zaman kuantum teorisinin yanlış olduğuna dair kesin bir olasılık vardır veya bu sadece daha derin bir teorinin bir yaklaşımıdır. Örneğin, dolaşık parçacıklar arasında neler oluyor? Dolaşıklık, birçok bulmacanın köküdür. Son araştırmalar, bunun zaman ve mekanla ilgili olabileceğini göstermiştir. Bu durumda dolaşma nedir? Belki de en iyi açıklama, belirli parçacıklar arasında paylaşılmasıdır. bilgi .
Belki de bilgi evrendeki en temel bilgidir.
Bu, en yeni fiziğin ortak bir temasını vurgulamaktadır: Uzay-zamanı anlamak ve daha birleşik bir resme götürmenin anahtarı, bilgiyi - madde ve enerjiyi değil - evrendeki en temel şeyler olarak ele almaktır [5]. Bilginin en temel olup olmadığını henüz bilmiyoruz, ancak nasıl çalıştığını anlamak için çok çalışmamız gerekiyor. Belki de evrene bu yeni bakış açısıyla bakmak bugün karşılaşılan tüm sorunları çözecektir.
Genişletilmiş okuma: "Bu yeni denklem genel görelilik ve kuantum mekaniğini birleştirebilir"
Yukarıdaki talimatlardan hangisinin nihai cevap olacağını veya bizi nihai cevaba yönlendireceğini bilmiyoruz. Ancak yakın gelecekte bizi yeni fiziğin kapısına getirecek bu araştırma yönlerini dört gözle bekliyoruz.
Genişletilmiş okuma: "Fiziğin Altı Temel İlkesi", "Bu altı problemle karşı karşıya kalan fizikçiler, uyumakta ve yemek yemekte güçlük çekiyorlar"
Tüm genişletilmiş okumalar WeChat genel "ilkelerinde" (ID: ilke1687) görüntülenebilir.
Referanslar:
[1] https://www.newscientist.com/article/mg23331170-200-rules-of-attraction-why-its-time-to-rethink-how-gravity-works/
[2] https://arxiv.org/abs/1106.2476
[3] https://www.newscientist.com/article/mg23331160-500-the-stringloop-theory-that-might-finally-untangle-the-universe/
[4]
[5]
