Világképlet

A világképlet vagy mindennek elmélete ( angol elmélet mindenről , ToE vagy TOE ) egy elméleti fizikából és matematikából képzett hipotetikus elmélet , amely állítólag pontosan ismerteti és összekapcsolja az ismert univerzum összes fizikai jelenségét . Az idő múlásával ez a kifejezés az elemi részecskefizika népszerűsítésébe áramlott. Ezen a kutatási területen egy világképlet, vagyis egyetlen, mindent átfogó modell magyarázná és hozná össze a természetben tapasztalható alapvető kölcsönhatások elméleteit .

elvárások

Mindennek egy elméletének többek között pontosan le kell írnia mind a négy alaperőt - a gravitációt , az elektromágnesességet, valamint a gyenge és erős atomerőket . Beszélhetünk az erők egyesítéséről vagy kölcsönhatásairól is.

A három alaperő lehetséges egyesülése, azaz. H. az elektromágneses, a gyenge (az elektromos gyengeségmérő elméletében egységes ) és az erős , gravitáció nélküli kölcsönhatás ( kvantum-kromodinamika ) a nagy egységes elmélet ( Grand Unified Theory , GUT ). A három nyomtávú kölcsönhatás részleges egyesülésének lehetőségét a három elmélet matematikai szerkezetének hasonlósága miatt feltételezzük.

Minden elméletéhez a gravitáció beépítése különösen szükséges. Várható, hogy ez körülbelül 10 19 GeV (a Planck- energia ) energián megy végbe , mert az egyes alapvető erők kölcsönhatásának erősségének erre az energiára történő extrapolációja azt jelzi, hogy ezek akkor mind összehasonlíthatók, és mivel a Planck az energia gravitációt használ, és a kvantumtér elméletet egyszerre kell alkalmazni.

Például minden elméletének:

  • tartalmazzák az általános relativitáselméletet és a kvantumtér elméletet,
  • magyarázza a megfigyelt erők és részecskék standard modellje az elemi részecskék ,
  • magyarázza a tömegek, csatolási állandók és keverési szögek a standard modell a elemi részecskék ,
  • Írja le a kozmológia standard modelljét , valamint tisztázza és jósolja meg a korai vagy késői világegyetem folyamatait - különösen az aszimptotikus viselkedést nagyon kicsi vagy nagyon nagy tér- és időskálán,
  • tisztázza a sötét anyag és a sötét energia természetét ,
  • tartalmazzák a gravitáció következetes, renormálható kvantumelméletét, a szingularitások leírásával vagy elkerülésével együtt.

Feltételezett jellemzők:

  • Szuperszimmetrikus , egységes alapszerkezet, amely meghaladja a bozonikus és fermionos szabadságfokokra vonatkozó hagyományos felosztást ;
  • A szabadság fizikai fokozatai, amelyek meghaladják a négydimenziós téridőt.

Nem világos, hogy minden elmélete új részecskéket vagy akár új erőket jósol-e. Az ilyen új részecskék kozmológiai megfigyelésekkel kimutathatók. A világképlet felé történő előrelépést a CERN- ben 2010-ben megkezdett Large Hadron Collider kísérleteitől várták. Ezt a várakozást azonban mindeddig (2021 eleje) nem erősítették meg: a három nyomtávú interakció nagy szabványosodásának jeleit, a szuperszimmetria hatásait, a dimenziókat vagy a szabadság fokát nem találták.

Sok fizikus meg van győződve arról, hogy minden fizikai folyamat visszavezethető egy alapelvre ( redukcionizmus ), vagy legalább néhány következetes alapfogalommal leírható.

Világképletek a történelemben

A fizikai valóság egyetlen elvre való visszavezetésének kísérletei az ókorig nyúlnak vissza. Az ókori Görögországban a szociálist megelőző filozófusok azt feltételezték, hogy a megfigyelt jelenségek látszólagos változatossága egyetlen típusú kölcsönhatásnak, nevezetesen az atomok mozgásának és ütközésének köszönhető . A Democritus által bevezetett "atom" kifejezés korai filozófiai kísérlet volt a természetben megfigyelt összes jelenség egyesítésére. Archimédész valószínűleg az első tudós volt, aki axiómákkal (vagy elvekkel) írta le a természetet, és új eredményeket nyert ezekből. Tehát néhány axióma alapján megpróbált leírni „mindent”. Minden elmélet várhatóan axiómákra támaszkodik, és minden megfigyelhető jelenséget levezet ezekből.

A demokraták atomizmusa alapján a 17. század mechanikai filozófiája azt feltételezte, hogy minden erő végső soron az atomok közötti érintkezési erőkké redukálódhat, amelyeket apró szilárd részecskékként képzelnek el. A 17. század végén Isaac Newton leírása a gravitáció távolsági hatásáról azt sugallta, hogy a természetben nem minden erő fakad az anyaggal való mechanikus érintkezésből. Az ő Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , Newton egységes Galilei munkáját gravitáció, Kepler törvényei a bolygók mozgása és a jelenség a árapály elmagyarázza ezeket a látszólag különböző jelenségeket egyetlen törvény: Newton gravitációs .

Ezen eredmények alapján Laplace 1814-ben azt javasolta, hogy egy kellően erőteljes értelem képes legyen kiszámítani és meghatározni minden múltat ​​és minden jövőbeni állapotot, ismerve minden természeti törvényt és minden kezdeti feltételt, például minden fizikai helyzetét, helyzetét és sebességét. részecskék a kozmoszban. Ezt a koncepciót Laplace démonnak is nevezik . Tehát Laplace mindennek elméletét a gravitáció és a mechanika kombinációjában látta . A modern kvantummechanika azonban azt jelenti, hogy a részecskék állapota nincs meghatározva, hanem valószínűségnek van kitéve, ezért meg kell változtatni Laplace látásmódját: mindennek egy elméletének tartalmaznia kell a gravitációt és a kvantummechanikát.

1820-ban Hans Christian Ørsted összefüggést fedezett fel az elektromosság és a mágnesesség között, és évtizedes munkát indított el, amely James Clerk Maxwell 1865-ben megfogalmazott elektromágneses elméletéhez vezetett . A 19. században és a 20. század elején fokozatosan nyilvánvalóvá vált, hogy az erő legkisebb részecskéi közötti elektromos kölcsönhatások eredményeként számos közös erő példája - érintkezési erők, rugalmasság, viszkozitás, súrlódás és nyomás. 1849–50 közötti kísérleteiben Michael Faraday volt az első, aki a gravitáció egyesülését kereste az elektromossággal és a mágnességgel. Nem talált kapcsolatot.

Emil du Bois-Reymond már 1872- ben alkotta meg a német „Weltformel” kifejezést „A természettudomány határain” című beszédében a világ teljes matematikai leírása értelmében, amely véleménye szerint nem valósítható meg. Ez a megnevezés jóval régebbi, mint az angol megfelelő "elmélete mindennek".

1900-ban David Hilbert közzétette a matematikai feladatok híres listáját . Hilbert hatodik problémájában axiomatikus alapot kért minden fizika megtalálására. Tehát ebben a problémában azt kérdezte, mit neveznénk ma minden elméletének.

Az 1920-as évek végén az új kvantummechanika kimutatta, hogy az atomok közötti kémiai kötések a (kvantum) elektromos erők példái, ami arra késztette Paul Diracet , hogy „az alapul szolgáló fizikai törvények, amelyek a fizika nagy részének és az egésznek a matematikai elméletét irányítják. szükségesek, tehát teljesen ismertek "(az eredetiben:" a fizika nagy részének és a kémia egészének matematikai elméletéhez szükséges alapvető fizikai törvények tehát teljesen ismertek. ")

Miután Albert Einstein 1915-ben publikálta általános relativitáselméletét , megkezdődött az egységes mezőelmélet keresése, amely egyesítené a gravitációt és az elektromágnesességet. Akkor még nem fedezték fel az erős és gyenge kölcsönhatásokat. Ezzel megkezdődött az úgynevezett Egységes Területelmélet több mint harminc éves keresése , amelynek azt kellett volna megmutatnia, hogy a gravitáció és az elektromágnesesség egyetlen alapelv megnyilvánulása. Egy korai elmélet, amely egységes elektromágneses interakciót és gravitációt tartalmaz, a Kaluza-Klein elmélet volt . Azonban még a gyenge és erős kölcsönhatások ismerete előtt felmerült, ezért hiányos volt. Albert Einstein élete végéig megpróbálta megtalálni az egységes elméletet, de végül nem járt sikerrel.

1958-ban Werner Heisenberg bemutatott egy képletet, amelyet az anyag egyenletének nevezett, és amelynek fő eleme egy tömeg nélküli eredeti Psi (,) részecske volt, amelyből később az összes megfigyelhető részecske összeáll. A sajtó ezt az egyenletet gyorsan univerzális képletként értékelte, de hamarosan kritika támadt, és kollégái eltéréseket fedeztek fel az egyenletben. Mivel ezek a próbálkozások, amelyeket a sajtóban néha idő előtt és túlzóan elismertek, az univerzális képlet kifejezést hasonló projekteknél lekicsinylő, gúnyos értelemben is használják. Az eredeti alternatívák kvantumelméletében Heisenberg tanítványa, Carl Friedrich von Weizsäcker a természet egységes, kizárólag kvantumelméleten alapuló leírását kereste , amelyet ebben az összefüggésben az idő információelméleteként értett meg.

A 20. század folyamán az egyesítő elmélet keresését bonyolította az erős és gyenge nukleáris erők (vagy kölcsönhatások) felfedezése, amelyek különböznek mind a gravitációtól, mind az elektromágnesességtől. Egy másik akadály az a feltételezés volt, hogy a kvantummechanikát kezdettől fogva be kell vonni egy ilyen elméletbe, ahelyett, hogy egy determinisztikus világképlet eredményeként jelenne meg, ahogyan Einstein remélte.

A gravitáció és az elektromágnesesség mindig együtt létezhet a klasszikus erőkkel, de sok éven át úgy tűnt, hogy a gravitáció még a kvantumkeretbe sem integrálható, nem beszélve arról, hogy egyesüljön a többi alapvető erővel. Emiatt a huszadik század nagy részében az Egyesület munkája a három "kvantumerő" megértésére összpontosult: az elektromágnesességre, valamint a gyenge és erős kölcsönhatásra. Az első kettőt 1967-68-ban foglalta össze Sheldon Glashow , Steven Weinberg és Abdus Salam az elektromos gyenge kölcsönhatás szempontjából . Az elektromágneses unió törött szimmetria: az elektromágneses és a gyenge erők alacsony energiáknál eltérőnek tűnnek, mivel a gyenge erőt hordozó részecskék, a W és Z bozonok tömege 80,4 GeV / c² és 91,2 GeV / c², míg a foton amely hordozza az elektromágneses erőt, tömegtelen. Nagyobb energiák esetén a W és Z bozonok könnyen előállíthatók, és az erő egyenletessége világossá válik.

Noha az erős és az elektromos gyenge erők békésen léteznek egymás mellett a részecskefizika standard modelljében , ezek továbbra is eltérőek. A mindennek elméletének keresése két szempontból is sikertelen maradt: Az erős és az elektromos gyenge erőket sem egyesítették egy nagy, egységes elméletben, sem ezeket az erőket a gravitációval.

A négy alaperő egységes leírása és a gravitáció kvantumelméleti leírása szempontjából jelenleg a legnépszerűbb elméletek közül kettő a húrelmélet és a hurokkvantum gravitáció , ahol mindkét elmélet képviselői hangsúlyozzák, hogy a meglévő elméletek hiányosak és az alapvető problémák még mindig fennállnak. megoldódott egy végleges elmélet megfogalmazása érdekében. Míg a húrelmélet a világot alkotó alapvető építőelemeket egydimenziós vagy magasabb dimenziós tárgyak rezgéseként írja le, a hurokkvantum gravitáció megpróbálja kvantálni magát a téridőt .

Egyesítés lépései

A korábban külön látott elméleteket egyesítették vagy jelenleg egyesítik, amint azt az alábbi táblázat mutatja:

Alapvető kölcsönhatások és azok leírása
(a fejlődés korai szakaszában lévő elméletek szürke árnyalatúak.)
Erős interakció Elektromágneses kölcsönhatás Gyenge interakció Gravitáció
klasszikus Elektrosztatika és magnetosztatika ,
elektrodinamika 		Newton gravitációs törvénye ,
általános relativitáselmélet
kvantum
-elmélet 		Kvantum-kromodinamika
( standard modell ) 		Kvantum elektrodinamika Fermi-elmélet Kvantum gravitáció  ?
Electroweak kölcsönhatás
( standard modell )
Nagy egységes elmélet  ?
Világképlet ("minden elmélete")?

kifejezés

A kifejezés univerzális képletet tartalmaz egy konzisztens vagy egyértelmű leírását és előrejelzése a jelenségek megfigyelhető a természetben keretén belül egy egyszerű, matematikai képletek . A világképletet ennek megfelelően a fizika jelenlegi állapotának ellentéteként értjük, amelyben a különböző területeken különböző elméletekkel rendelkező jóslatokhoz jutunk , amelyek a gyakorlatban nem ellentmondanak egymásnak, de nyilvánvalóan nem egyesíthetők. Ezt jelenleg úgy oldják meg, hogy a kontextustól függően az alkalmazott elmélet az, amelyet a tapasztalatok mutatnak, és amely a legnagyobb egyetértést nyújtja az adott kísérlettel . A meglévő elméletek vagy érvényességi területeik közötti határterületeken ez óhatatlanul döntési konfliktusokat és többé-kevésbé nagy eltéréseket eredményez a kísérletektől. Az egyik példa arra, hogy az ilyen konfliktusok miként oldhatók meg egyedi esetekben, a Hawking-sugárzás és az ehhez kapcsolódó Unruh-effektus .

Alapvetően a világképlet fogalma csak ( fizikailag ) mérhető mennyiségekre utal a fizikában. Ezenkívül a legjobb jelenlegi elméletek is a kiszámíthatóság gyakorlati határaival találkoznak , a vizsgált rendszer egyre összetettebbé válásával . Ez azonban nem korlátozza ezen elméletek átfogó magyarázó állítását a megfelelő érvényességi területeken.

Tehát ez z. Például manapság sem lehet kvantumelektrodinamikával (QED) leírni az emberi szervezetet , mert az abban lévő anyagrészecskék száma messze meghaladja a jelenlegi számítógépek tárolókapacitását . Mindazonáltal a fizika nagyon nagy mértékben bízik a kvantumelektrodinamika érvényességében ezen a problématerületen, mivel alkalmazása az összes eddig vizsgált, gyakorlatilag megoldható problémára rendkívül jó egyetértést mutatott a kísérletekkel. Tehát azt is feltételezzük, hogy a QED összetett, de már gyakorlatilag nem megoldható rendszerei megmutatják az egyetértés ilyen mértékét. Pontosan ugyanebben az értelemben egy jövőbeli TOE ezért igényt tart az összes mérhető természeti jelenség magyarázatára .

Az univerzális képlet kifejezés nemcsak átvitt értelemben értendő. Mindennek fizikai elmélete valószínűleg nem lesz egyetlen matematikai képletre redukálva , sokkal inkább összekapcsolt felsőbbrendű differenciálegyenletek rendszerén alapul. Világképlet helyett matematikai világegyenlet-rendszerre van szükség, amely a fizikát speciális megoldásként tartalmazza.

A világ egy bizonyos aspektusának minden fizikai elmélete az azt alátámasztó egyenletek mellett sok más magyarázó elemet is tartalmaz, amelyek nélkül nem alkalmazható. Ezek mindenekelőtt az egyenletekben előforduló mennyiségek mérésének módjára vonatkozó szabályokat tartalmazzák. A világegyenlet-rendszernek függetlennek kell lennie a szabályozásoktól.

A világképlet várhatóan leírja univerzumunk kezdetét ( big bang elmélet ), és ezáltal a tér, az idő, a tömeg és az energia létrehozását is.

kritika

A minden elméletének koncepciója a redukcionizmusról folytatott belső tudományos vita középpontjában áll . Egyes tudósok, köztük Robert B. Laughlin és Philip Warren Anderson , tagadják az összetett tények ilyen elmélettel való magyarázatának alapvető lehetőségét, kritizálják azt az aránytalan kutatási alapot, amelyet a világképlet keresésére szánnak, és bemutatják a fogalmai a megjelenés és az önszerveződés ellen.

Kulturális feldolgozás

Számos regényben, filmben és színműben szerepet játszik a megtalált, de még nem publikus világképlet. Egy jól ismert példája a komédia Die Physiker által Friedrich Dürrenmatt .

Lásd még

irodalom

web Linkek

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ SWR2 tudás (Aula, 2008. július 6.): A világon belül (rtf; 38 kB) .
  2. ↑ Chris Impey: Hogyan kezdődött: Időutazási útmutató az Univerzumhoz . WW Norton, New York és London, 2012, ISBN 978-0-393-08002-5 . 340. o
  3. ↑ Michael Faraday : Kísérleti kutatások a villamos energiában. Huszonnegyedik sorozat. A gravitáció és a villamos energia lehetséges kapcsolatáról . A Londoni Királyi Társasággal közölt papírok összefoglalói , London 1850, doi : 10.1098 / rspl.1843.0267 . P. 994 f.
  4. ↑ Emil du Bois-Reymond : A természetismeret határairól. Előadás a német természettudósok és orvosok 45. gyűlésének második nyilvános ülésén . von Veit & Co., Lipcse 1872., 4. o.
  5. ^ Paul Dirac : Sokelektronikus rendszerek kvantummechanikája . A Royal Society of London A folyóirata, London, 1929, doi : 10.1098 / rspa.1929.0094 . P. 714
  6. ↑ Christopher Schrader: Heisenbergs Weltformel Spektrum.de (2018).
  7. ↑ Alexander Blum: Heisenberg és a végleges elmélet keresése Max Planck Tudománytörténeti Intézet (2018)
  8. ↑ Peter Woit kifogása közismert , aki a húrelméletet „nem ellenőrizhetőnek” akarja minősíteni, még csak nem is tévesen .
  9. ^ Robert B. Laughlin , David Pines : Minden elmélete. In: A Nemzeti Tudományos Akadémia közleményei. ( PNAS ) 97. évfolyam, 28–31. online@pnas.org Letöltve: 2011. május 28.
  10. ↑ Robert B. Laughlin : Búcsú az egyetemes képlettől: A fizika újrafeltalálása . 4. kiadás. Piper, München 2007, ISBN 978-3-492-04718-0 .