Ілюстрацыя тэорыі ўсяго. Крэдыт малюнка: Адам Шоў, 2011 г., пад ліцэнзіяй cca-sa 3.0.

Вялікае аб'яднанне можа стаць тупікам для фізікі

Ідэя, што можа быць толькі адна асноўная сіла, можа стаць прынцыповай памылкай.

«Нават калі ёсць толькі адна магчымая адзіная тэорыя, гэта толькі набор правілаў і ўраўненняў. Што гэта такое, што ўдыхае агонь у раўнанні і прымушае Сусвет для іх апісання? " -Стэпэн Хокінг

У фізіцы ёсць цудоўная і элегантная ідэя: усё, што мы бачым, успрымаем і ўзаемадзейнічаем у гэтым Сусвеце, - гэта проста нейкае праява нейкай асноўнай сілы. Поспехі да гэтай мэты з'явіліся раней: адкрыццё, што балы розных атамаў былі складзены з пратонаў, нейтронаў і электронаў; адкрыццё, што ўсяго чатыры асноўныя сілы (гравітацыйныя, электрамагнітныя і моцныя і слабыя ядзерныя сілы) стаялі за кожным з'явай у Сусвеце; далейшае адкрыццё, што адзінае ўраўненне (стандартная мадэль Лагранжана) выдатна апісала тры з іх і нават аб'яднала два з іх - электрамагнітнае і слабую сілу - у адзіную сілу: электраслабкую сілу. Ці можа быць адзіная, адзіная сіла, у якой усе розныя сілы проста розныя праявы?

Карціна слабых изоспинов, слабых зарадаў і моцных зарадаў для часціц у мадэлі SU (5), таксама вядомы як зарады Джорджа-Глашоу. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Cjean42 пад ліцэнзіяй cca-sa 3.0, створаны з

Першапачаткова аб'яднанне сярод іншых было марай Эйнштэйна. Максвел аб'яднаў з'явы электрычнасці і магнетызму ў адзінае (электрамагнетызм), і была надзея, што можа ўзнікнуць яшчэ больш фундаментальнае ўяўленне, чым гэта. Калі ў мінулым было толькі дзве вядомыя сілы: агульная адноснасць (гравітацыя) і ўраўненні Максвела (электрамагнетызм), аб'яднанне іх у адзіную, класічную аснову было мэтай вялікай колькасці вядучых тэарэтыкаў таго часу. Нейкі час здавалася, што прырода становіцца ўсё больш простай і накіроўваецца да меншай колькасці - не больш - асноўных кампанентаў Сусвету. Але ў хуткім часе ў 1920-я, 30-я, 40-я і 50-я гады пачалі развальвацца:

• Новыя субатамныя часціцы, мюон, нейтрына і цэлы шэраг мезонаў пачалі выяўляць.

• Квантавая механіка, радыеактыўнасць і ядзерны сінтэз і дзяленне прынеслі не адну, а дзве новыя асноўныя сілы: слабыя і моцныя ядзерныя сілы.

• І глыбокія эксперыменты рассейвання сталі неэластычным, каб выявіць, што нават пратоны і нейтроны маюць кампанентную структуру для іх: кваркі і глюоны.

Да канца 1960-х гадоў стала зразумела, што існуе некалькі дзесяткаў фундаментальных часціц, якія кіруюцца чатырма незалежнымі сіламі, якія цалкам адрозніваюцца адна ад адной.

Чатыры асноўныя сілы. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Kvr.lohith, паводле міжнароднай ліцэнзіі cca-sa 4.0.

Аднак пры вельмі высокіх энергіях каля ~ 100 ГэВ (або прыблізна 1013 разоў энергіі навакольнага асяроддзя пры пакаёвай тэмпературы) слабая ядзерная сіла і электрамагнітная сіла цалкам выразна становяцца двума рознымі праявамі адной і той жа асноўнай сілы. Вы можаце спытаць, ці магчыма, што пры яшчэ большых энергіях іншыя сілы аб'яднаюцца? Першая з іх - гэта моцная ядзерная сіла, бо яна таксама з'яўляецца часткай Стандартнай мадэлі, як электрамагнітная і слабая сіла. Ёсць некалькі фактаў, якія, здаецца, падтрымліваюць гэтую ідэю:

• Зарады пратона (кіруемыя моцнай сілай) і электрона (які кіруецца электрамагнітам) дакладна адмяняюцца, намякаючы, што там можа быць нейкая сіметрыя.

• Канстанты злучэння моцных, слабых і электрамагнітных сіл, якія змяняюцца ў залежнасці ад энергіі, практычна не сустракаюцца ў адной, высокаэнергетычнай кропцы, калі экстраполяваць на больш высокія энергіі.

• А дадатковая фізіка, якую прыносіць гэтае аб'яднанне, дазваляе патэнцыйна вырашаць такія праблемы, як, напрыклад, у нейтрына малыя, але ненулявыя масы, і чаму Сусвет мае асіметрыю матэрыі.

Асіметрыя паміж бозонамі і анты-бозонамі, агульнымі для грандыёзных уніфікаваных тэорый, такіх як SU (5), можа аб'яднаць асноўную асіметрыю паміж матэрыяй і антыматэрыяй, аналагічную таму, што мы назіраем у нашай Сусвеце. Малюнак: Э. Зігель.

Гэта неверагодная, дурная ідэя. На самай справе, перш чым тэорыя струн была галоўнай тэарэтычнай гульнёй у горадзе, гнеў было вялікае аб'яднанне і грандыёзныя адзіныя тэорыі. Але ёсць і вялікія праблемы з гэтымі ідэямі. Па-першае, новыя часціцы, якія прагназаваліся, былі з безнадзейна высокай энергіяй: прыблізна ад 1015 да 1016 ГэВ, ці ў трыльёны разоў больш энергіі, якую вырабляе ЛГК. Для іншага, амаль усе GUT, якія вы можаце спраектаваць, прыводзяць да часціц, якія перажываюць змену густу нейтральных токаў, якія пэўныя тыпы распадаў забароненыя ў Стандартнай мадэлі і ніколі не назіраюцца ў прыродзе. Яшчэ адно прагназаванне практычна ўсіх кішачнікаў - наяўнасць распаду пратонаў у часовых межах каля ~ 10 ^ 30 гадоў. Можна падумаць, паколькі наша Сусвет мае каля 14 мільярдаў гадоў, гэта не выклікае клопатаў. Але калі вы можаце сабраць ~ 10 ^ 30 пратонаў разам і пачакаць адзін год, вы павінны ўбачыць распад, таму што распады працуюць імаверна.

Напоўнены вадой рэзервуар у Super Kamiokande, які ўстанавіў самыя жорсткія абмежаванні ў жыцці пратона. Малюнак: Абсерваторыя Каміёка, МКРР (Інстытут даследаванняў касмічных прамянёў), Універсітэт Токіо.

Дэтэктары, падобныя да Каміёкандэ і яго пераемнікаў, адчувальныя да такога дакладнага распаду, і мы напаўняем іх вадой (якая змяшчае два пратоны ў выглядзе атамаў вадароду для кожнай малекулы) і чакаем. Мы эксперыментальна вызначылі, што калі пратон распадаецца, ён мае тэрмін службы прынамсі ~ 10 ^ 35 гадоў, гэта значыць, што большасць кішак, уключаючы самы просты, - выключаецца. І гісторыя пагаршаецца адтуль, калі скептычна паглядзець на факты. Адзіная "кропка", з якой тры сілы амаль сустракаюцца, выглядае як кропка на лагарыфмічным маштабе, калі вы памяншаеце маштаб. Але так робяць любыя тры ўзаемна не паралельныя лініі; вы можаце паспрабаваць самі, намаляваўшы тры адрэзкі лініі, падаўжаючы іх у абодва бакі, пакуль усе яны не перасякаюцца, а потым памяншаюць маштаб. Малыя, але ненулявыя масы для нейтрына могуць быць растлумачаны любым механізмам пілы і / або матрыцай MNS; няма нічога асаблівага ў тым, што адбываецца з кішак. І тлумачэнне асіметрыі рэчыва-антыматэрыі таксама прывядзе да перавытворчасці магнітных манаполяў, якія, як правіла, не існуюць у нашай Сусвеце.

Адзінае станоўчае выяўленне для кандыдата Магнітны манаполь з'явілася ў 1982 годзе; усе наступныя пошукі прыйшлі пустымі. Малюнак: Cabrera B. (1982). Першыя вынікі звышправоднага дэтэктара для перамяшчэння магнітных манаполяў, Лісты фізічнага агляду, 48 (20) 1378–1381.

Можа ўсё ж аказацца, што вялікае аб'яднанне правільнае і што гэта важны крок на шляху да Тэорыі ўсяго: найвышэйшага святога грааля многіх фізікаў-тэарэтыкаў. Але таксама можа апынуцца, што прырода не аб'ядноўваецца пры вялікіх энергіях, і што нашы прыхільнасці да прастаты, вытанчанасці і больш аб'яднанню цалкам неправамерныя і не маюць нічога агульнага з нашай фізічнай Сусвету. У навуцы, як і ва ўсіх рэчах, мы не можам дазволіць сабе кіраваць уласнымі прадузятасцямі таго, як усё павінна быць. Хутчэй, мы абавязаны разглядаць Сусвет дакладна такім, які ён ёсць, і слухаць гісторыю, якую яна распавядае пра сябе. Гэта можа не суцяшаць, асабліва першапачаткова, але акрамя матывацыі, выкліканай электрычнымі зарадамі, якія аднолькавыя ў кварках, лептонах і базонах, няма ніякіх пераканаўчых прычын думаць, што вялікае аб'яднанне - гэта не што іншае, як тэарэтычная цікаўнасць і фізічная тупік. .

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!