Curto:
- por que a física moderna chegou a um beco sem saída.
- que Einstein e Hawking não tiveram tempo para explorar.
- como combinar mecânica quântica e relatividade geral.
Com a ajuda da Internet, você pode aprender tudo - desde o projeto de um motor de combustão interna até a velocidade de expansão do Universo. Mas há perguntas cujas respostas não são conhecidas não só pelo Google, mas até pelos maiores cientistas de nosso tempo.
Se você de repente tiver a sorte de falar com os últimos ganhadores do Prêmio Nobel de Física, não pergunte a eles sobre exoplanetas e matéria escura, eles já disseram isso centenas de vezes.
Melhor perguntar por que diferentes objetos em nosso mundo obedecem a diferentes leis da física. Por exemplo, por que planetas, estrelas e outros objetos grandes interagem uns com os outros, seguindo certas leis, e as partículas no menor nível, como átomos, obedecem apenas a si mesmos.
Tal pergunta confundirá o leigo, e uma pessoa educada, respondendo-a, dirá por que a ciência moderna chegou a um beco sem saída, qual é a diferença entre o Modelo Padrão da física e da relatividade geral (doravante - GR), e também por que o significado dos bósons de Higgs e da teoria das cordas é realmente o caso é superestimado.
Vídeo promocional:
Apesar dessas explicações, ninguém, incluindo o ressuscitado Albert Einstein, será capaz de explicar a você a natureza diferente dos fenômenos físicos nos níveis micro e macro. Se você mesmo puder resolver este problema - parabéns, você é o primeiro autor da teoria de tudo, o maior cérebro da história da humanidade, o laureado de todos os prêmios possíveis e o pai (ou mãe) da nova física.
Mas, antes de apresentar ao mundo uma descoberta revolucionária, é melhor entender o que significa a teoria de tudo, que perguntas ela deve responder e quem mais chegou perto de sua descoberta.
A teoria de tudo é uma combinação de dois dos conceitos mais famosos da física moderna - a relatividade geral de Albert Einstein e a mecânica quântica. A primeira teoria descreve tudo o que nos rodeia na forma de espaço-tempo, bem como a interação de todos os objetos no Universo usando apenas a gravidade. A mecânica quântica, por sua vez, descreve a interação de partículas elementares usando três indicadores ao mesmo tempo - eletromagnético e interação nuclear forte / fraca.
Assim, ele fala sobre a gravidade e grandes objetos como planetas e estrelas, e a mecânica quântica fala sobre as partículas elementares e suas interações eletromagnéticas e nucleares fracas / fortes. Voltaremos a isso um pouco mais tarde.
Herdeiro de newton
Pela primeira vez, a relatividade geral foi expressa por Albert Einstein. Naquela época, um jovem funcionário do Escritório de Patentes austríaco complementou a teoria clássica da gravitação de Newton e descreveu todas as incógnitas nela contidas. Em particular, graças a essa descoberta, as pessoas aprenderam o que realmente é a gravidade e como ela determina a interação não apenas entre a maçã e a Terra, mas também entre o Sol e todos os planetas do sistema solar.
Einstein sugeriu que o espaço e o tempo estão interconectados e formam um único continuum espaço-tempo - a base para o surgimento das forças gravitacionais de todos os objetos. Ao contrário da teoria de Newton, este continuum (ou espaço-tempo) é flexível e pode mudar sua forma dependendo da massa dos objetos e, consequentemente, de sua energia.
As conjecturas de Einstein só foram confirmadas na prática há poucos anos, quando eles perceberam como a luz - e, portanto, o espaço-tempo - se curva, passando perto de um objeto massivo - o Sol - devido à influência da gravidade. Mesmo sem essa evidência, a relatividade geral há muito se tornou a base da física moderna e, até agora, ninguém foi capaz de oferecer uma explicação mais fundamentada da gravidade dos corpos e campos no espaço.
Apesar disso, o próprio espaço-tempo ainda é mal compreendido e os cientistas não sabem como ele é formado e em que consiste. As respostas a essas perguntas estão apenas começando a ser buscadas na mecânica quântica - um ramo teórico da física que descreve a natureza dos fenômenos físicos no nível de moléculas, átomos, elétrons, fótons e outras partículas minúsculas.
Mecânica quântica
De acordo com a teoria de Einstein, absolutamente todos os objetos no Universo deveriam sucumbir à gravidade. Mas, simultaneamente com a descoberta da relatividade geral, outros cientistas investigaram como os objetos interagem no nível subatômico.
Descobriu-se que a gravidade em tal escala é completamente inútil. Em vez disso, as interações eletromagnéticas e nucleares fracas / fortes tornaram-se definidoras. Com a ajuda dessas forças, as menores partículas interagem umas com as outras - fótons, glúons e bósons.
Mas, os cientistas ainda não sabem por quais princípios essas partículas interagem, porque elas podem ter uma densidade de energia extremamente alta, e ainda assim não se prestam à gravidade. Daí - fenômenos inexplicáveis como dualismo onda-partícula (manifestação das propriedades de uma onda por uma partícula), bem como o efeito de um observador com o resultado na forma de um gato de Schrödinger vivo e morto.
Por causa disso, dois mundos da física colidiram com suas testas - o de Einstein, onde todos os objetos têm certas propriedades, se prestam à gravidade, podem ser descritos e previsíveis, e quântico, onde uma vida completamente diferente e imprevisível grassa, em que tudo está constantemente mudando e nivela o conceito de espaço. tempo como tal.
O que precisa ser feito para unir esses dois mundos? Falamos sobre gravidade na relatividade geral e sobre a interação nuclear eletromagnética forte / fraca no modelo padrão da física. Portanto, a gravidade é quase perfeita, permite-nos compreender quase tudo o que nos rodeia, mas não leva em consideração aquele comportamento tão inexplicável das partículas ao nível mais ínfimo. A interação eletromagnética e nuclear forte / fraca é uma parte alternativa da física que esconde novas descobertas e representa um enorme reservatório para pesquisas, mas não leva em consideração as leis gravitacionais da relatividade geral.
O último estágio da pesquisa e da vida de Albert Einstein foi a criação da teoria da gravidade quântica, que uniria todas as interações possíveis de objetos nos níveis macro e micro e também explicaria por que eles se comportam de maneira diferente. Einstein nunca foi capaz de encontrar respostas para essas questões, e depois dele a possível unificação da relatividade geral e da mecânica quântica começou a ser chamada de teoria de tudo.
A teoria de tudo
Em sua busca por uma teoria de tudo, os cientistas investigaram alguns dos objetos mais incomuns do universo - os buracos negros. Eles são tão pesados que se prestam à gravidade e são tão comprimidos que teoricamente podem ser observados efeitos quânticos ao cair em um buraco negro. Mas, infelizmente, até agora, com exceção da radiação Hawking, que é contrária à mecânica quântica, e uma foto recente do horizonte de eventos, os buracos negros pouco ajudaram a ciência moderna. Mesmo que existam, alcançá-los é uma tarefa quase impossível para os humanos.
Eles começaram a pesquisar uma teoria de tudo na Terra usando vários experimentos mentais e propriedades da mecânica quântica e da relatividade geral, que poderiam se complementar mutuamente.
Hoje, talvez a versão mais popular e mais próxima da verdade da teoria de tudo seja a teoria das cordas. Diz que qualquer partícula é uma corda unidimensional que vibra em uma realidade de 11 dimensões e, dependendo dessas vibrações, sua massa e carga são determinadas.
Entre outras, a principal propriedade de uma corda é que ela pode transferir gravidade em um nível quântico. Se tal teoria fosse confirmada na prática, as cordas poderiam ser o primeiro passo para a unificação da mecânica quântica com a relatividade geral. Mas, infelizmente, até agora ninguém foi capaz de provar e declarar que as cordas são as que carregam a gravidade no nível subatômico. Assim como o bóson de Higgs recém-descoberto não se tornou o gráviton desejado.
Sim, ainda não sabemos de onde vem a massa de muitas partículas elementares e por qual princípio elas interagem entre si, mas isso não impede os físicos modernos de proporem cada vez mais novas "teorias de tudo".
Recentemente, por exemplo, físicos da China, Alemanha e Canadá testaram a teoria do darwinismo quântico de Wojciech Zurek, que supostamente explica como as partículas quânticas deixam seus rastros no macrocosmo disponível para nós. Mas mesmo no caso de confirmação do achado de partículas em dois estados ao mesmo tempo, isso é apenas uma confirmação da interação da mecânica quântica da relatividade geral, e de forma alguma uma explicação para isso.
Outro físico teórico americano da Universidade de Maryland, Brian Swingle, se comprometeu a descrever a natureza da origem do espaço-tempo e decidiu que o emaranhamento quântico poderia formar o continuum de Einstein. Swingle sugeriu que a estrutura quadridimensional do espaço-tempo (comprimento, largura, profundidade e tempo) poderia ser codificada na física quântica tridimensional (com as mesmas dimensões, mas sem tempo). Segundo o físico, a gravidade e a relatividade geral deveriam ser explicadas por meio das propriedades da mecânica quântica, e não vice-versa, o que tornava esse experimento um tanto contraditório.
Existem dezenas de teorias semelhantes complexas e até bem fundamentadas, mas nenhuma delas ainda pode ser chamada de teoria de tudo. Talvez isso seja bom, uma vez que o homem vem tentando entender como átomos e estrelas interagem apenas no último século, e o Universo existe há quase 14 bilhões de anos.
O mais famoso pesquisador moderno da teoria de tudo - Stephen Hawking - no final de sua vida chegou à conclusão de que era impossível encontrá-lo. Mas, isso não se tornou uma decepção para ele, mas, como ele disse mais tarde, pelo contrário, levou ao entendimento de que uma pessoa se desenvolverá constantemente: “Agora fico feliz que nossa busca pelo entendimento nunca acabará, e que sempre teremos novas descobertas … Sem isso, teríamos ficado parados."
