2023-05-03 nap bejegyzései

(4187) A mindenség elmélete

Tibor bá’ fordítása online

A fizika nagy rejtélyei: valóban szükségünk van a mindenség elméletére?

(sz: 1933.02.11.)

Mindenre találni elméletet, megmagyarázni az univerzum összes erejét és részecskéjét, vitathatatlanul a fizika szent grálja. Bár a fő elméletek rendkívül jól működnek, egymással is ütköznek, arra ösztönözve a fizikusokat, hogy egy mélyebb, alapvetőbb elmélet után kutassanak.

De tényleg mindenre kell egy elmélet? És közel vagyunk ahhoz, hogy ezt elérjük? A két legjobb természetelméletünk a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet, amelyek az univerzum legkisebb, illetve legnagyobb léptékét írják le.Mindkettő rendkívül sikeres, és kísérletileg újra és újra tesztelték. A baj az, hogy egymással sok tekintetben matematikailag összeegyeztethetetlenek.

„Az általános relativitáselmélet a geometriáról szól.Így görbül a tér, és hogy a téridő is görbül – vagyis az egységes entitás, amely három térdimenziót és egy idődimenziót tartalmaz –  magyarázza Vlatko Vedral, az Egyesült Királyság Oxfordi Egyetem fizikaprofesszora.”A kvantumfizika valójában az algebráról szól.”

A fizikusoknak már sikerült egyesíteniük a kvantumelméletet Einstein másik nagy elméletével: a speciális relativitáselmélettel (amely elmagyarázza, hogyan hat a sebesség a tömegre, az időre és a térre). Ezek együttesen egy „kvantumtérelméletnek” nevezett keretrendszert alkotnak, amely a részecskefizika szabványos modelljének alapja, ami a legjobb keretünk az univerzum legalapvetőbb építőköveinek leírására.

A standard modell az univerzum négy alapvető ereje közül hármat ír le – az elektromágnesességet, valamint az atommagot irányító „erős” és a „gyenge” magerőket. Tehát a gravitációt nem.

Míg a standard modell megmagyarázza a részecskefizikai kísérletekben tapasztaltak nagy részét, van néhány hiányosság.Ezek áthidalására egy „szuperszimmetria” nevű kiterjesztést javasoltak, amely arra utal, hogy a részecskék mély kapcsolaton keresztül kapcsolódnak egymáshoz.A szuperszimmetria azt sugallja, hogy minden részecskének van egy „szuperpartnere”, amelynek tömege azonos, de forgása ellentétes.Sajnos a részecskegyorsítók, mint például a svájci Cernben található Large Hadron Collider (LHC) nem találtak bizonyítékot a szuperszimmetriára – annak ellenére, hogy kifejezetten erre tervezték őket.

Másrészt, az LHC és a Fermilab az Egyesült Államokban a közelmúltban utal arra, hogy létezhet egy ötödik természeti erő.Ha ezeket az eredményeket meg lehetne ismételni és tényleges felfedezésekként megerősíteni, az hatással lenne a kvantummechanika és a gravitáció egyesítésére.

„Azt hiszem, [egy új erő felfedezése] csodálatos lenne” – mondja Vedral. „Ezt a már jó fél évszázada létező dolgot megkérdőjelezné, már hogy négy alapvető erő létezik”.

Vedral azt állítja, hogy ha felfedeznénk egy ötödik erőt, az első lépés az lenne, hogy megállapítsuk, leírható-e a kvantummechanika.

Ha lehetne, az azt jelezné, hogy a kvantumelmélet végső soron alapvetőbb lehet, mint az általános relativitáselmélet, mivel ötből négy erőt tud kifejteni – ami arra utal, hogy az általános relativitáselméletet végül módosítani kell.Ha ez nem sikerülne, az felrázná a fizikát – ami arra utal, hogy esetleg a kvantummechanikát is módosítanunk kell.

Mi a helyzet a többi titokzatos tulajdonsággal?

De mit kell tartalmaznia egy mindenről szóló elméletnek?Elég lenne egyesíteni a gravitációt és a kvantummechanikát?És mi a helyzet más titokzatos tulajdonságokkal, mint például a sötét energia, amely az univerzum gyorsulását okozza, vagy a sötét anyag, egy láthatatlan anyag, amely az univerzum anyagának nagy részét alkotja?

Amint azt Chanda Prescod-Weinstein, a New Hampshire-i Egyetem fizika és csillagász adjunktusa kifejti, a fizikusok szívesebben használják a „kvantumgravitáció” elméletet a „mindenség” elmélete helyett.

„A sötét anyag és a sötét energia alkotja a világegyetem anyagenergia-tartalmának legnagyobb részét.Tehát ez valójában nem mindenre vonatkozó elmélet. – érvel.„Éppen ezért örülök, hogy munkánk során nem használjuk a „mindenség” elméletét.

Bár lehet, hogy nem magyaráznak meg mindent, de a kvantumgravitációnak számos javasolt elmélete létezik.Az egyik a húrelmélet, amely azt sugallja, hogy az univerzum végső soron apró, vibráló húrokból áll.Egy másik a hurok kvantumgravitáció, ami azt sugallja, hogy Einstein tér-ideje kvantumhatásokból származik.

„A húrelmélet egyik erőssége az, hogy a a kvantumtérelméletre épül” – magyarázza Prescod-Weinstein.”Az egész standard modellt magával hozza, amit a kvantumgravitáció nem ugyanúgy csinál.”De a húrelméletnek is megvannak a maga gyengeségei, érvel, például olyan extra dimenziókat igényel, amelyekre nem láttunk bizonyítékot.

Az elméleteket nehéz kísérletileg tesztelni – sokkal több energiát igényelnek, mint amennyit bármely laboratóriumban elő tudunk állítani.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________