Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гипотетикалық физикалық тұжырымдама
Hypothetical physical concept
the hypothetical physical concept
Бәрінің теориясы (TOE), соңғы теория, түпкілікті теория, біріктірілген өріс теориясы немесе бас теориясы – физиканың гипотетикалық, бірегей, бәрін қамтитын, үйлесімді теориялық жүйесі, ол ғаламның барлық аспектілерін толық түсіндіреді және біріктіреді. Барлық заттың теориясын табу физикадағы шешілмеген маңызды мәселелердің бірі болып табылады. Соңғы бірнеше ғасыр ішінде екі теориялық жүйе қалыптасты, олар бірлесіп, бәрінің теориясына ең жақын келеді. Қазіргі физиканың негізі болып табылатын осы екі теория – жалпы салыстырмалылық теориясы және кванттық механика. Жалпы салыстырмалылық теориясы – ғаламды үлкен масштабтағы және үлкен массадағы аймақтарда: планеталар, жұлдыздар, галактикалар, галактикалар шоғыры және т.б. түсіну үшін тек гравитацияға бағытталған теориялық негіздеме. Ал кванттық механика – ғаламды өте кіші масштабтағы және аз массадағы аймақтарда түсіну үшін үш гравитациялық емес күшке ғана назар аударатын теориялық негіздеме: субатомдық бөлшектер, атомдар, молекулалар және т.б. Кванттық механика үш гравитациялық емес күштерді сипаттайтын Стандартты модельді сәтті іске асырды: күшті ядролық, әлсіз ядролық және электромагниттік күш, сондай-ақ барлық байқалатын элементарлық бөлшектер. Жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механика өздерінің жеке салаларында бірнеше рет дәлелденді. Жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканың қолданылу салалары өте ерекше болғандықтан, көп жағдайда екі теорияның біреуін ғана қолдану қажет. Екі теория өте кіші масштабтағы аймақтарда (планк масштабында) үйлеспейтін болып саналады, мысалы, қара тесік ішінде немесе ғаламның бастапқы кезеңдерінде (яғни Ұлы жарылыстан кейінгі сәт). Осы қақтығысты шешу үшін, гравитацияны басқа үш өзара әрекеттесумен біріктіретін, терең түпкілікті шындықты ашатын теориялық негіздеме табылуы керек, ол жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механика салаларын үйлесімді түрде біріктіретін толыққанды жүйе құруға мүмкіндік береді: бәрінің теориясы – қағидаты бойынша, осы ғаламдағы барлық физикалық құбылыстарды сипаттай алатын жан-жақты теория ретінде анықталуы мүмкін. Осы мақсатқа жету үшін кванттық гравитация белсенді зерттеулердің бір саласына айналды. Мысалы, іс тізбектік теориясы (string теориясы), ол бәрінің теориясына кандидат ретінде дамыды, бірақ кемшіліктері де бар (әсіресе, қазіргі уақытта сынауға болатын болжамдардың жоқтығы) және дау тудырады. Іс тізбектік теориясы ғаламның басында (Ұлы жарылыстан кейін 10−43 секундқа дейін) төрт негізгі күш бір кезде бір ғана күш болған деп болжайды. Іс тізбектік теориясына сәйкес, ғаламдағы әрбір бөлшек, оның ең ультрамикроскопиялық деңгейінде (планк ұзындығы), тербелісті іс тізбектерінің (немесе жіптердің) әр түрлі комбинацияларынан тұрады. Іс тізбектік теориясы бұл ерекше тербеліс үлгілері арқылы ерекше массасы мен күш заряды бар бөлшектің пайда болатынын айтады (яғни электрон – бұл бір бағытта тербелетін, ал жоғары кварк – басқа бағытта тербелетін және т.б.). Іс тізбектік теориясы/М теориясы кеңістікте он немесе он бір өлшемді ұсынады, оның ішіндегі төрт өлшем бізге таныс.
A theory of everything (TOE), final theory, ultimate theory, unified field theory or master theory is a hypothetical, singular, all encompassing, coherent theoretical framework of physics that fully explains and links together all aspects of the universe. Finding a theory of everything is one of the major unsolved problems in physics. Over the past few centuries, two theoretical frameworks have been developed that, together, most closely resemble a theory of everything. These two theories upon which all modern physics rests are general relativity and quantum mechanics. General relativity is a theoretical framework that only focuses on gravity for understanding the universe in regions of both large scale and high mass: planets, stars, galaxies, clusters of galaxies, etc. On the other hand, quantum mechanics is a theoretical framework that only focuses on the three non gravitational forces for understanding the universe in regions of both very small scale and low mass: subatomic particles, atoms, molecules, etc. Quantum mechanics successfully implemented the Standard Model that describes the three non gravitational forces: strong nuclear, weak nuclear, and electromagnetic force – as well as all observed elementary particles. General relativity and quantum mechanics have been repeatedly validated in their separate fields of relevance. Since the usual domains of applicability of general relativity and quantum mechanics are so different, most situations require that only one of the two theories be used. The two theories are considered incompatible in regions of extremely small scale – the Planck scale – such as those that exist within a black hole or during the beginning stages of the universe (i. e., the moment immediately following the Big Bang). To resolve the incompatibility, a theoretical framework revealing a deeper underlying reality, unifying gravity with the other three interactions, must be discovered to harmoniously integrate the realms of general relativity and quantum mechanics into a seamless whole: a theory of everything may be defined as a comprehensive theory that, in principle, would be capable of describing all physical phenomena in this universe. In pursuit of this goal, quantum gravity has become one area of active research. One example is string theory, which evolved into a candidate for the theory of everything, but not without drawbacks (most notably, its apparent lack of currently testable predictions) and controversy. String theory posits that at the beginning of the universe (up to 10−43 seconds after the Big Bang), the four fundamental forces were once a single fundamental force. According to string theory, every particle in the universe, at its most ultramicroscopic level (Planck length), consists of varying combinations of vibrating strings (or strands) with preferred patterns of vibration. String theory further claims that it is through these specific oscillatory patterns of strings that a particle of unique mass and force charge is created (that is to say, the electron is a type of string that vibrates one way, while the up quark is a type of string vibrating another way, and so forth). String theory/M theory proposes six or seven dimensions of spacetime in addition to the four common dimensions for a ten or eleven dimensional spacetime.
Атауы
Бастапқыда "барлық нәрсенің теориясы" термині әртүрлі тым жалпылама теорияларға ирониялық сілтеме ретінде қолданылды. Мысалы, Ион Тихидің атасы – 1960-шы жылдардағы Станислав Лемнің ғылыми фантастикалық әңгімелер циклының кейіпкері – "Барлық нәрсенің жалпы теориясы" жұмысын жүргізгені мәлім. Физик Харальд Фрицш бұл терминді 1977 жылы Вареннадағы лекцияларында пайдаланған. Физик Джон Эллис 1986 жылы Nature журналындағы мақаласында "TOE" аббревиатурасын техникалық әдебиетке енгізгенін айтады. Уақыт өте келе бұл термин теориялық физика зерттеулерінің насихатталуында қалыптасты.
Initially, the term theory of everything was used with an ironic reference to various overgeneralized theories. For example, a grandfather of Ijon Tichy – a character from a cycle of Stanisław Lem's science fiction stories of the 1960s – was known to work on the "General Theory of Everything". Physicist Harald Fritzsch used the term in his 1977 lectures in Varenna. Physicist John Ellis claims to have introduced the acronym "TOE" into the technical literature in an article in Nature in 1986. Over time, the term stuck in popularizations of theoretical physics research.
ХХ ғасырдың басында
1920-ші жылдардың аяғында жаңа кванттық механика атомдар арасындағы химиялық байланыстардың (кванттық) электрлік күштердің мысалы екенін көрсетті, бұл Дирактың «физиканың үлкен бөлігінің және химияның толық математикалық теориясы үшін қажетті физикалық заңдар толықтай белгілі» деген мақтануын растады. 1915 жылдан кейін, Альберт Эйнштейн гравитация теориясын (жалпы салыстырмалылық теориясын) жариялағаннан бастап, гравитацияны электромагнетизммен біріктіретін бірыңғай өріс теориясын іздеуге жаңа қызығушылық туды. Эйнштейннің заманында күшті және әлсіз күштер әлі ашылмаған еді, бірақ ол гравитация мен электромагнетизм сияқты екі басқа да ерекше күштердің болу мүмкіндігін әлдеқайда тартымды деп тапты. Осыдан бастап ол 40 жылдық саяхатқа шықты, ол «бірыңғай өріс теориясы» деп аталатын, оның пікірінше бұл екі күштің бір ғана негізгі принциптің көрінісі екенін көрсетуі керек еді. Өмірінің соңғы онжылдықтарында осы мақсаты Эйнштейнді физиканың бағытталған ағынынан бөліп тастады, себебі бағытталған ағын кванттық механиканың дамып келе жатқан құрылымына көбірек қызығушылық танытты. Эйнштейн 1940-жылдардың басында достарына: «Мен негізінен шұлық кимегендіктен танымал және ерекше жағдайларда көрінетін қызығушылық нысанына айналдым» деп жазды. Осы салаға үлкен үлес қоскан ғалымдар Гуннар Нордстрем, Герман Вейл, Артур Эддингтон, Дэвид Хилберт, Теодор Калуза, Оскар Клейн (Калуза-Клейн теориясын қараңыз) және, ең бастысы, Альберт Эйнштейн мен оның серіктестері болды. Эйнштейн бірыңғай теорияны іздеді, бірақ оны таба алмады (Эйнштейн-Максвелл-Дирак теңдеулерін қараңыз).
In the late 1920s, the then new quantum mechanics showed that the chemical bonds between atoms were examples of (quantum) electrical forces, justifying Dirac's boast that "the underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known". After 1915, when Albert Einstein published the theory of gravity (general relativity), the search for a unified field theory combining gravity with electromagnetism began with a renewed interest. In Einstein's day, the strong and the weak forces had not yet been discovered, yet he found the potential existence of two other distinct forces, gravity and electromagnetism, far more alluring. This launched his 40 year voyage in search of the so called "unified field theory" that he hoped would show that these two forces are really manifestations of one grand, underlying principle. During the last few decades of his life, this ambition alienated Einstein from the rest of mainstream of physics, as the mainstream was instead far more excited about the emerging framework of quantum mechanics. Einstein wrote to a friend in the early 1940s, "I have become a lonely old chap who is mainly known because he doesn't wear socks and who is exhibited as a curiosity on special occasions." Prominent contributors were Gunnar Nordström, Hermann Weyl, Arthur Eddington, David Hilbert, Theodor Kaluza, Oskar Klein (see Kaluza–Klein theory), and most notably, Albert Einstein and his collaborators. Einstein searched in earnest for, but ultimately failed to find, a unifying theory (see Einstein–Maxwell–Dirac equations).
ХХ ғасырдың соңы және ядролық өзара іс-қимыл
ХХ ғасырда біріктіруші теорияны іздеу, гравитация мен электромагнетизмнен өзгешеленетін күшті және әлсіз ядролық күштердің ашылуымен тоқтап қалды. Тағы бір қиындық – Эйнштейн үміттене бастағандай, детерминистік біріктірілген теорияның нәтижесі ретінде емес, кванттық механиканың бастапқыда толық теорияға енгізілуі қажеттігін қабылдау болды. Гравитация мен электромагнетизм классикалық күштер тізіміндегі жазбалар ретінде қатар өмір сүре алады, бірақ көп жылдар бойы гравитация кванттық құрылымға енгізілмейтіндей, тіпті басқа негізгі күштермен біріктірілмейтін секілді көрінді. Осы себепті, ХХ ғасырдың көп бөлігінде біріктіру жұмыстары кванттық механикамен сипатталған үш күшті түсінуге бағытталды: электромагнетизм, әлсіз және күшті күштер. Бірінші екеуі 1967–1968 жылдары Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг және Абдус Салам тарапынан электрожұқ күшке біріктірілді. Электрожұқ күштің бірігуі – бұзылған симметрия: электромагниттік және әлсіз күштер төмен энергияда ерекше болып көрінеді, себебі әлсіз күшті тасымалдайтын W және Z бозондарының массасы нөлден өзгеше (80,4 және 91,2 сәйкесінше), ал электромагниттік күшті тасымалдайтын фотон массасыз. Жоғары энергияда W және Z бозондары оңай пайда болады және күштің біріктірілген сипаты айқын көрінеді. Бөлшек физикасының Стандартты моделінде күшті және электрожұқ күштер бірге болғанымен, олар ерекше болып қалады. Осылайша, толық теорияны іздеу сәтсіз аяқталды: Лаплас «жақындас күштер» деп атаған күшті және электрожұқ күштердің бірігуіне де, осы күштердің гравитациямен бірігуіне де қол жеткізілмеді.
In the 20th century, the search for a unifying theory was interrupted by the discovery of the strong and weak nuclear forces, which differ both from gravity and from electromagnetism. A further hurdle was the acceptance that in a theory of everything, quantum mechanics had to be incorporated from the outset, rather than emerging as a consequence of a deterministic unified theory, as Einstein had hoped. Gravity and electromagnetism are able to coexist as entries in a list of classical forces, but for many years it seemed that gravity could not be incorporated into the quantum framework, let alone unified with the other fundamental forces. For this reason, work on unification, for much of the 20th century, focused on understanding the three forces described by quantum mechanics: electromagnetism and the weak and strong forces. The first two were combined in 1967–1968 by Sheldon Glashow, Steven Weinberg, and Abdus Salam into the electroweak force. Electroweak unification is a broken symmetry: the electromagnetic and weak forces appear distinct at low energies because the particles carrying the weak force, the W and Z bosons, have non zero masses (80.4 and 91.2, respectively), whereas the photon, which carries the electromagnetic force, is massless. At higher energies W bosons and Z bosons can be created easily and the unified nature of the force becomes apparent. While the strong and electroweak forces coexist under the Standard Model of particle physics, they remain distinct. Thus, the pursuit of a theory of everything remained unsuccessful: neither a unification of the strong and electroweak forces – which Laplace would have called 'contact forces' – nor a unification of these forces with gravitation had been achieved.
Теориялардың дәстүрлі реті
Барлық нәрсенің теориясы табиғаттың барлық негізгі өзара әрекеттестіктерін біріктіреді: гравитация, күшті өзара әрекеттестік, әлсіз өзара әрекеттестік және электромагнетизм. Өйткені әлсіз өзара әрекеттесу элементар бөлшектерді бір түрден екінші түрге айналдыра алады, сондықтан барлық нәрсенің теориясы мүмкін болатын бөлшектердің барлық түрлерін болжауы керек. Теориялардың қалыпты жолы келесі графикте көрсетілген, онда әр біріктіру қадамы графикте бір деңгейге көтеріледі. Бұл графикте электроәлсіз бірігу шамамен 100 ГэВ-та жүзеге асады, үлкен бірігу 1016 ГэВ-та болатыны болжанады, ал GUT күшінің гравитациямен бірігуі Планк энергиясында, шамамен 1019 ГэВ-та күтіледі. Электромагнетизмді және әлсіз және күшті күштерді біріктіру үшін бірнеше Үлкен Біріктірілген Теориялар (GUT) ұсынылды. Үлкен бірігу электроядролық күштің бар екенін білдіреді; ол 1016 ГэВ энергиясында басталады деп күтілуде, бұл қазіргі кездегі ең қуатты бөлшектер үдеткішінің жеткізе алатыннан әлдеқайда жоғары. Ең қарапайым үлкен біріктірілген теориялар тәжірибелік түрде жоққа шығарылса да, үлкен біріктірілген теория идеясы, әсіресе суперсимметриямен байланысты болғанда, теориялық физика қауымдастығындағы басты үміткер болып қалады. Суперсимметриялық үлкен біріктірілген теориялар олардың теориялық «сұлулығы» үшін ғана емес, сонымен қатар олар қараңғы материяның көп мөлшерін табиғи түрде тудырады және инфляциялық күш үлкен біріктірілген теория физикасымен байланысты болуы мүмкін (бірақ бұл теорияның міндетті бөлігі болып көрінбейді). Дегенмен, үлкен біріктірілген теориялар соңғы жауап емес; қазіргі стандартты модель де, барлық ұсынылған GUT-тар да кванттық өріс теориялары болып табылады, оларға дұрыс нәтижелер алу үшін қайта нормалаудың қиын әдісі қажет. Бұл әдетте олардың тек тиімді өріс теориялары екенін көрсетеді, өте жоғары энергияда ғана маңызды құбылыстарды есепке алмайды. Сап теориясын зерттеу теориялық және тәжірибелік факторлардың әртүрлілігімен ынталандырылған. Тәжірибелік тұрғыдан алғанда, стандартты модельдің бөлшектер құрамы, нейтрино массаларымен толықтырылғанда, SO(10) спинорының өкілдігіне сәйкес келеді, бұл E8 тобының ішкі тобы, ол сап теориясында, мысалы, гетеротикалық сап теориясында немесе (кейде эквивалентті) F теориясында жиі пайда болады. Сап теориясы фермиондардың үш иерархиялық буынға қалай пайда болатынын және кварк буындары арасындағы араласу деңгейін түсіндіретін механизмдерге ие. Теориялық тұрғыдан алғанда, ол кванттық гравитациядағы негізгі мәселелердің кейбіреулерін, мысалы, қара тесік ақпарат парадоксын шешу, қара тесіктердің дұрыс энтропиясын есептеу және топологияны өзгерту процестеріне мүмкіндік беруді бастады. Сонымен қатар, ол таза математика және Гаудж/Сап дуалдығының арқасында күшті байланысқан гаудж теориясында көптеген жаңа түсініктерге әкелді. 1990 жылдардың соңында бұл ізденістегі басты қиындықтардың бірі – мүмкін болатын төрт өлшемді ғаламдардың саны өте көп екендігі анықталды. Кішкентай, «жиырылған» қосымша өлшемдерді әртүрлі тәсілдермен тығыздауға болады (бір бағалау бойынша 10500), олардың әрқайсысы төмен энергиялы бөлшектер мен күштердің әртүрлі қасиеттеріне әкеледі. Бұл модельдер жиынтығы «Сап теориясының ландшафты» деп аталады. Олардың пайдалы (яғни, түпнұсқа, жалған және тексерілетін) болжамдар жасай алмайтынын және оны псевдоғылым/философия деп қарастыратынын дәлелдеу. Басқалар келіспейді, ал сап теориясы теориялық физикадағы белсенді зерттеу тақырыбы болып қала береді.
A theory of everything would unify all the fundamental interactions of nature: gravitation, the strong interaction, the weak interaction, and electromagnetism. Because the weak interaction can transform elementary particles from one kind into another, the theory of everything should also predict all the different kinds of particles possible. The usual assumed path of theories is given in the following graph, where each unification step leads one level up on the graph. In this graph, electroweak unification occurs at around 100 GeV, grand unification is predicted to occur at 1016 GeV, and unification of the GUT force with gravity is expected at the Planck energy, roughly 1019 GeV. Several Grand Unified Theories (GUTs) have been proposed to unify electromagnetism and the weak and strong forces. Grand unification would imply the existence of an electronuclear force; it is expected to set in at energies of the order of 1016 GeV, far greater than could be reached by any currently feasible particle accelerator. Although the simplest grand unified theories have been experimentally ruled out, the idea of a grand unified theory, especially when linked with supersymmetry, remains a favorite candidate in the theoretical physics community. Supersymmetric grand unified theories seem plausible not only for their theoretical "beauty", but because they naturally produce large quantities of dark matter, and because the inflationary force may be related to grand unified theory physics (although it does not seem to form an inevitable part of the theory). Yet grand unified theories are clearly not the final answer; both the current standard model and all proposed GUTs are quantum field theories which require the problematic technique of renormalization to yield sensible answers. This is usually regarded as a sign that these are only effective field theories, omitting crucial phenomena relevant only at very high energies. Research into string theory has been encouraged by a variety of theoretical and experimental factors. On the experimental side, the particle content of the standard model supplemented with neutrino masses fits into a spinor representation of SO(10), a subgroup of E8 that routinely emerges in string theory, such as in heterotic string theory or (sometimes equivalently) in F theory. String theory has mechanisms that may explain why fermions come in three hierarchical generations, and explain the mixing rates between quark generations. On the theoretical side, it has begun to address some of the key questions in quantum gravity, such as resolving the black hole information paradox, counting the correct entropy of black holes and allowing for topology changing processes. It has also led to many insights in pure mathematics and in ordinary, strongly coupled gauge theory due to the Gauge/String duality. In the late 1990s, it was noted that one major hurdle in this endeavor is that the number of possible 4 dimensional universes is incredibly large. The small, "curled up" extra dimensions can be compactified in an enormous number of different ways (one estimate is 10500 ) each of which leads to different properties for the low energy particles and forces. This array of models is known as the string theory landscape. arguing that it cannot make useful (i. e., original, falsifiable, and verifiable) predictions and regarding it as a pseudoscience/philosophy. Others disagree, and string theory remains an active topic of investigation in theoretical physics.
Күлгілік кванттық гравитация
Қазіргі кездегі циклдік кванттық гравитация зерттеулері ақыр соңында барлық нәрсенің теориясында маңызды рөл атқаруы мүмкін, бірақ бұл оның басты мақсаты емес. Күлгілік кванттық гравитация да мүмкін ұзындық өлшемдеріне төменгі шек енгізеді. Жақында циклдік кванттық гравитация Стандартты модельге ұқсас ерекшеліктерді қайта жасай алады деген талаптар айтылды. Қазірге дейін Санданс Билсон Томпсон уақыт-кеңістіктің өрілімдерінен құралған преондарды құрылыс блоктары ретінде пайдаланып, дұрыс паритет қасиеттеріне ие фермиондардың (лептондар мен кварктар) бірінші буынын ғана модельдеді. Дегенмен, мұндай бөлшектердің өзара әрекеттесуін сипаттайтын Лагранжиан туындысы жоқ, сондай-ақ мұндай бөлшектердің фермион екенін, Стандартты модельдің өлшеу топтары немесе өзара әрекеттесулері іске асырылғанын көрсету мүмкін емес. Кванттық есептеулердің қағидаларын қолдану бұл бөлшектердің кванттық флуктуацияларға төтеп бере алатынын көрсетуге мүмкіндік берді. Бұл модель электр және түс зарядтарын топологиялық шамалар ретінде түсіндіруге алып келеді (электр – жекеленген ленталардағы бұрылыстардың саны мен хиралдығы, ал түс – белгілі бір электр заряды үшін мұндай бұрылыстардың түрлері). Билсон Томпсонның бастапқы мақаласында жоғары буын фермиондарын күрделірек өрілімдер арқылы бейнелеуге болады деп айтылған, бірақ осы құрылымдардың нақты конструкциялары келтірілмеген. Мұндай фермиондардың электр заряды, түсі және паритет қасиеттері бірінші буын үшін болғандай пайда болады. Модель 2008 жылы Билсон Томпсон, Хакетт, Кауффман және Смолиннің мақаласында шексіз көп буын үшін және әлсіз күш бозондары үшін (бірақ фотондар немесе глюондар үшін емес) нақтылай түгелдей жаңартылды.
Current research on loop quantum gravity may eventually play a fundamental role in a theory of everything, but that is not its primary aim. Loop quantum gravity also introduces a lower bound on the possible length scales. There have been recent claims that loop quantum gravity may be able to reproduce features resembling the Standard Model. So far only the first generation of fermions (leptons and quarks) with correct parity properties have been modelled by Sundance Bilson Thompson using preons constituted of braids of spacetime as the building blocks. However, there is no derivation of the Lagrangian that would describe the interactions of such particles, nor is it possible to show that such particles are fermions, nor that the gauge groups or interactions of the Standard Model are realised. Use of quantum computing concepts made it possible to demonstrate that the particles are able to survive quantum fluctuations. This model leads to an interpretation of electric and color charge as topological quantities (electric as number and chirality of twists carried on the individual ribbons and colour as variants of such twisting for fixed electric charge). Bilson Thompson's original paper suggested that the higher generation fermions could be represented by more complicated braidings, although explicit constructions of these structures were not given. The electric charge, color, and parity properties of such fermions would arise in the same way as for the first generation. The model was expressly generalized for an infinite number of generations and for the weak force bosons (but not for photons or gluons) in a 2008 paper by Bilson Thompson, Hackett, Kauffman and Smolin.
Басқа әрекеттер
Барлық нәрсенің теориясын жасауға жасалған басқа да әрекеттердің бірі – себептік фермиондық жүйелер теориясы. Бұл теория екі қазіргі физикалық теорияны (жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық өріс теориясын) шектеулі жағдайлар ретінде ұсынады. Тағы бір теория – себептік жиынтықтар. Жоғарыда аталған тәсілдердің кейбірегі сияқты, оның тікелей мақсаты міндетті түрде барлық нәрсенің теориясын құру емес, ал негізінен жұмыс істейтін кванттық гравитация теориясын жасау, ол кейін стандартты модельді қамтуы және барлық нәрсенің теориясына үміткер болуы мүмкін. Оның негізгі принципі – кеңістік-уақыт фундаментальды түрде дискретті және кеңістік-уақыт оқиғалары ішінара ретпен байланысқан. Бұл ішінара реттің физикалық мағынасы – салыстырмалы өткен мен болашақтың арасындағы себеп-салдарлық қатынастар, кеңістік-уақыт оқиғаларын ажыратады. Себептік динамикалық триангуляция бұрыннан бар кеңістікке (өлшемдік кеңістікке) сүйенбейді, керісінше кеңістік-уақыттың өзі қалай эволюциядайтынын көрсетуге тырысады. Тағы бір әрекет ER=EPR-мен байланысты болуы мүмкін, бұл физикадағы болжам, онда байланысқан бөлшектер құрт ойығы (немесе Эйнштейн-Розен көпірі) арқылы байланысқан.
Among other attempts to develop a theory of everything is the theory of causal fermion systems, giving the two current physical theories (general relativity and quantum field theory) as limiting cases. Another theory is called Causal Sets. As some of the approaches mentioned above, its direct goal isn't necessarily to achieve a theory of everything but primarily a working theory of quantum gravity, which might eventually include the standard model and become a candidate for a theory of everything. Its founding principle is that spacetime is fundamentally discrete and that the spacetime events are related by a partial order. This partial order has the physical meaning of the causality relations between relative past and future distinguishing spacetime events. Causal dynamical triangulation does not assume any pre existing arena (dimensional space), but rather attempts to show how the spacetime fabric itself evolves. Another attempt may be related to ER=EPR, a conjecture in physics stating that entangled particles are connected by a wormhole (or Einstein–Rosen bridge).
Қазіргі жағдай
Қазіргі уақытта бөлшектер физикасының стандартты моделі мен жалпы салыстырмалылық теориясын қамтитын, сонымен бірге ұсақ құрылым тұрақтысын немесе электронның массасын есептей алатын «барлық нәрсенің теориясы» деп аталатын кандидат теория жоқ. Фримен Дайсон: «Гёдель теоремасы таза математиканың шексіз екенін көрсетеді. Қанша мәселені шешсек те, қолданыстағы ережелер шеңберінде шешілмейтін мәселелер әрқашан болады. [ ] Гёдель теоремасының салдарынан физика да шексіз. Физика заңдары – шекті ережелер жиынтығы, және математика жасау ережелерін де қамтиды, сондықтан Гёдель теоремасы оларға да қатысты» деді. Стивен Хокинг бастапқыда «барлық нәрсенің теориясына» сене білген, бірақ Гёдель теоремасын қарастырғаннан кейін, оны алу мүмкін емес деген қорытындыға келді. «Егер барлық принциптерді қамтитын түпкілікті теория болмаса, көптеген адамдар көңілі қалады. Бұрын мен сондай адамдардың қатарында болдым, бірақ енді ойымды өзгерттім». Юрген Шмидхубер (1997) бұл пікірге қарсы шықты; ол Гёдель теоремаларының есептеуге келтірілетін физика үшін маңызды емес екенін мәлімдеді. 2000 жылы Шмидхубер шешілмейтін, Гёдель сияқты тоқтату мәселелеріне негізделген псевдо-кәдімгілігі бар, есептеуге келтірілетін, детерминистік ғаламдарды жасады, оны анықтау өте қиын, бірақ ақпараттың өте аз көлемімен сипатталатын «барлық нәрсенің теориясын» құруға кедергі келтірмейді. Соломон Феферман және басқалар да осыған ұқсас сын айтты. Дуглас С. Робертсон Конвейдің өмір ойынын мысал ретінде келтіреді: негізгі ережелер қарапайым және толық, бірақ ойынның мінез-құлқы туралы формальды түрде шешілмейтін сұрақтар бар. Сол сияқты, физиканың негізгі ережелерін шекті нақты заңдар санымен толыққанды тұжырымдау мүмкін (немесе мүмкін емес), бірақ физикалық жүйелердің мінез-құлқы туралы сұрақтардың осы негізгі заңдар негізінде формальды түрде шешілмейтініне күмән жоқ. Көптеген физиктер негізгі ережелерді тұжырымдауды «барлық нәрсенің теориясы» анықтамасы ретінде жеткілікті деп есептейді, сондықтан көптеген физиктер Гёдель теоремасы «барлық нәрсенің теориясы» болуына кедергі келтірмейді деп санайды. Екінші жағынан, Гёдель теоремасын пайдаланатын ғалымдар, кем дегенде кейбір жағдайларда, негізгі ережелерге емес, барлық физикалық жүйелердің мінез-құлқының түсінікті болуыне сілтеме жасап отырған сияқты, мысалы, Хокинг блоктарды тікбұрыштарға орналастыруды айтқанда, алғашқы сандарды есептеуді физикалық мәселеге айналдырады. Бұл анықтамалық қарама-қайшылық зерттеушілер арасындағы келіспеушіліктің себебі болуы мүмкін.
At present, there is no candidate theory of everything that includes the standard model of particle physics and general relativity and that, at the same time, is able to calculate the fine structure constant or the mass of the electron. Freeman Dyson has stated that "Gödel's theorem implies that pure mathematics is inexhaustible. No matter how many problems we solve, there will always be other problems that cannot be solved within the existing rules. [ ] Because of Gödel's theorem, physics is inexhaustible too. The laws of physics are a finite set of rules, and include the rules for doing mathematics, so that Gödel's theorem applies to them." Stephen Hawking was originally a believer in the Theory of Everything, but after considering Gödel's Theorem, he concluded that one was not obtainable. "Some people will be very disappointed if there is not an ultimate theory that can be formulated as a finite number of principles. I used to belong to that camp, but I have changed my mind." Jürgen Schmidhuber (1997) has argued against this view; he asserts that Gödel's theorems are irrelevant for computable physics. In 2000, Schmidhuber explicitly constructed limit computable, deterministic universes whose pseudo randomness based on undecidable, Gödel like halting problems is extremely hard to detect but does not prevent formal theories of everything describable by very few bits of information. Related critique was offered by Solomon Feferman and others. Douglas S. Robertson offers Conway's game of life as an example: The underlying rules are simple and complete, but there are formally undecidable questions about the game's behaviors. Analogously, it may (or may not) be possible to completely state the underlying rules of physics with a finite number of well defined laws, but there is little doubt that there are questions about the behavior of physical systems which are formally undecidable on the basis of those underlying laws. Since most physicists would consider the statement of the underlying rules to suffice as the definition of a "theory of everything", most physicists argue that Gödel's Theorem does not mean that a theory of everything cannot exist. On the other hand, the scholars invoking Gödel's Theorem appear, at least in some cases, to be referring not to the underlying rules, but to the understandability of the behavior of all physical systems, as when Hawking mentions arranging blocks into rectangles, turning the computation of prime numbers into a physical question. This definitional discrepancy may explain some of the disagreement among researchers.
Дұрыслықтың негізгі шектері
Физикалық теорияның ешқайсысы бүгінгі күнге дейін толыққанды дәл деп есептелмейді. Оның орнына физика "көкейкестік жуықтамалар" сериясы арқылы дамып, құбылыстардың кеңірек және кеңірек ауқымында одан да дәл болжамдар жасауға мүмкіндік берді. Кейбір физиктер теориялық модельдерді шындықтың нағыз мәнісімен шатастырудың қате екенін айтады және жуықтамалар сериясы ешқашан "шындыққа" жете алмайды деп санайды. Эйнштейннің өзі де кейде осы пікірін білдірген.
No physical theory to date is believed to be precisely accurate. Instead, physics has proceeded by a series of "successive approximations" allowing more and more accurate predictions over a wider and wider range of phenomena. Some physicists believe that it is therefore a mistake to confuse theoretical models with the true nature of reality, and hold that the series of approximations will never terminate in the "truth". Einstein himself expressed this view on occasions.
Негізгі заңдарды анықтау
Физика қауымдастығында барлық нәрсенің теориясы ғаламның негізгі заңы деп аталуға лайық па деген философиялық пікірталас жүріп жатыр. Бір пікір бойынша, барлық нәрсенің теориясы – негізгі заң, ал ғаламда қолданылатын барлық басқа теориялар осы теорияның салдары болып табылады. Екінші пікір бойынша, күрделі жүйелердің мінез-құлқымен басқаратын пайда болатын заңдар да сондай-ақ негізгі деп қарастырылуы керек. Пайда болатын заңдардың мысалдары – термодинамиканың екінші заңы және табиғи іріктелу теориясы. Пайда болуды қолдайтындар, әсіресе күрделі немесе тірі жүйелерді сипаттайтын заңдар, төменгі деңгейдегі микроскопиялық заңдардан тәуелсіз деп есептейді. Осы көзқарас бойынша, пайда болатын заңдар барлық нәрсенің теориясымен бірдей негізгі болып табылады. Пікірталас мәселені нақты түсіндірмейді. Мүмкін, даулы мәселе – зерттеу нысандарына «негізгі» деген жоғары мәртебелі терминді қолдану құқығы ғана болар. Осы мәселе бойынша Стивен Вайнберг пен Филип Андерсон арасында пікір алмасы болған.
There is a philosophical debate within the physics community as to whether a theory of everything deserves to be called the fundamental law of the universe. One view is the hard reductionist position that the theory of everything is the fundamental law and that all other theories that apply within the universe are a consequence of the theory of everything. Another view is that emergent laws, which govern the behavior of complex systems, should be seen as equally fundamental. Examples of emergent laws are the second law of thermodynamics and the theory of natural selection. The advocates of emergence argue that emergent laws, especially those describing complex or living systems are independent of the low level, microscopic laws. In this view, emergent laws are as fundamental as a theory of everything. The debates do not make the point at issue clear. Possibly the only issue at stake is the right to apply the high status term "fundamental" to the respective subjects of research. A well known debate over this took place between Steven Weinberg and Philip Anderson.
Есептеу мүмкін еместігі
Вайнберг Жер атмосферасындағы нақты оқ-дәрілердің дәл қозғалысын есептеу мүмкін емес екенін көрсетеді. Олай болса, снарядтардың қозғалысын сипаттау үшін бізде жеткілікті теория бар екенін қалай білуге болады? Вайнберг қарапайым мысалдарда, мысалы, бос кеңістікте планеталардың қозғалысында сияқты, "жеткілікті жақсы" жұмыс істейтін принциптерді (Ньютонның қозғалыс және гравитация заңдары) білеміз дейді. Бұл принциптер қарапайым мысалдарда өте жақсы жұмыс істейді, сондықтан олар күрделі мысалдарда да жұмыс істейтініне сенімді бола аламыз. Мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясы нақты шешімі жоқ теңдеулерді қамтиды, бірақ оның нақты шешімі бар барлық теңдеулері тәжірибе жүзінде расталғандықтан, ол дұрыс теория ретінде кеңінен қабылданады. Сол сияқты, "барлық нәрсенің теориясы" физиканың кез келген жағдайында жұмыс істейтініне сенімді болу үшін көптеген қарапайым мысалдарда жұмыс істеуі керек. Кванттық механиканы жалпы салыстырмалылық теориясымен біріктіру кезінде "барлық нәрсенің теориясын" жасаудағы қиындықтар көбінесе туындайды, себебі кванттық механика теңдеулері гравитация күші қолданылғанда тұрақтанбай бастайды.
Weinberg points out that calculating the precise motion of an actual projectile in the Earth's atmosphere is impossible. So how can we know we have an adequate theory for describing the motion of projectiles? Weinberg suggests that we know principles (Newton's laws of motion and gravitation) that work "well enough" for simple examples, like the motion of planets in empty space. These principles have worked so well on simple examples that we can be reasonably confident they will work for more complex examples. For example, although general relativity includes equations that do not have exact solutions, it is widely accepted as a valid theory because all of its equations with exact solutions have been experimentally verified. Likewise, a theory of everything must work for a wide range of simple examples in such a way that we can be reasonably confident it will work for every situation in physics. Difficulties in creating a theory of everything often begin to appear when combining quantum mechanics with the theory of general relativity, as the equations of quantum mechanics begin to falter when the force of gravity is applied to them.