Teoría del todo

La teoría del todo es una teoría física y matemática unificada hipotética que describe todas las interacciones fundamentales conocidas . Inicialmente, este término se utilizó de manera irónica para referirse a una variedad de teorías generalizadas [1] . Con el tiempo, el término se afianzó en las popularizaciones de la física cuántica para referirse a una teoría que unificaría las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En la literatura científica moderna , en lugar del término "teoría del todo", se suele utilizar el término "teoría del campo unificado " , sin embargo, se debe tener en cuenta que la teoría del todo se puede construir sin el uso de campos, a pesar de la hecho de que el estatus científico de tales teorías puede ser controvertido.

Durante el siglo XX, se han propuesto muchas "teorías del todo", pero ninguna de ellas ha podido pasar las pruebas experimentales , o existen dificultades significativas para organizar las pruebas experimentales para algunos de los candidatos. El principal problema de construir una "teoría del todo" científica es que la mecánica cuántica y la relatividad general (GR) tienen diferentes campos de aplicación. La mecánica cuántica se usa principalmente para describir el microcosmos, mientras que la relatividad general es aplicable al macrocosmos . La teoría especial de la relatividad (SRT) describe fenómenos a altas velocidades, y la relatividad general es una generalización de la teoría newtoniana de la gravedad, combinándola con SRT y extendiéndola al caso de grandes distancias y grandes masas. La combinación directa de la mecánica cuántica y la relatividad especial en un solo formalismo (teoría cuántica relativista de campos) conduce al problema de la divergencia: la ausencia de resultados finales para cantidades verificadas experimentalmente. Para solucionar este problema se utiliza la idea de renormalización de cantidades. Para algunos modelos, el mecanismo de renormalización permite construir teorías que funcionan muy bien, pero la adición de la gravedad (es decir, la inclusión de GR como un caso límite para campos pequeños y distancias grandes en la teoría) conduce a divergencias que no pueden aún ser eliminado. Aunque de ello no se sigue en absoluto que tal teoría no pueda construirse.

Fundamentos

Luego de la construcción de la electrodinámica a fines del siglo XIX , que combinó los fenómenos de la electricidad, el magnetismo y la óptica sobre la base de las ecuaciones de Maxwell en un solo esquema teórico, surgió la idea de explicar todos los fenómenos físicos conocidos sobre la base del electromagnetismo . surgió en la física. Sin embargo, el trabajo en la creación de la teoría general de la relatividad llevó a los físicos a la idea de que para describir todos los fenómenos sobre una base única, es necesario combinar las teorías del electromagnetismo y la gravedad .

Las primeras variantes de las teorías del campo unificado fueron creadas por David Hilbert y Hermann Weyl . En el futuro, Albert Einstein prestó gran atención a la "teoría del todo" . Dedicó la mayor parte de su vida a intentar crearlo [2] . Hilbert, Weil y, posteriormente, Einstein creyeron que bastaba con combinar la teoría general de la relatividad y el electromagnetismo , además, al principio no se pretendía que fueran cuánticos, ya que la propia mecánica cuántica aún no estaba suficientemente desarrollada. En gran medida, si no completamente, el programa mínimo: la unificación de la relatividad general y la electrodinámica se resolvió en el marco de la teoría de Kaluza-Klein (y posiblemente algunas otras teorías), pero casi en el momento de su creación, se convirtió en relevante incluir otros campos en la teoría y predecir la existencia de muchas partículas, lo cual no era del todo trivial, y más tarde se hicieron evidentes nuevas dificultades, y aunque la versión cuántica de la teoría de Kaluza-Klein era concebible, sin embargo, la cuantización encontró las dificultades de un desarrollo específico, así como la cuantización de la propia teoría general de la relatividad por separado.

La física moderna requiere una "teoría del todo" para combinar las cuatro interacciones fundamentales actualmente conocidas :

• interacción gravitacional ;
• interacción electromagnética ;
• fuerza nuclear fuerte ;
• Fuerza nuclear débil .

Además, debe explicar la existencia de todas las partículas elementales . El primer paso hacia esto fue la unificación de las fuerzas electromagnética y débil en la teoría de la fuerza electrodébil , creada en 1967 por Steven Weinberg , Sheldon Glashow y Abdus Salam . En 1973, se propuso la teoría de la interacción fuerte . Después de eso, aparecieron varias variantes de las teorías de la Gran Unificación (la más famosa de ellas es la teoría de Pati-Salam, 1974 ), dentro de las cuales era posible combinar todo tipo de interacciones, excepto la gravitatoria. Es cierto que ninguna de las teorías de la Gran Unificación ha sido confirmada todavía, y algunas ya han sido refutadas experimentalmente sobre la base de datos sobre la ausencia de desintegración de protones. El eslabón perdido en la “teoría del todo” sigue siendo la confirmación de alguna de las Grandes Teorías Unificadas y la construcción de una teoría cuántica de la gravedad basada en la mecánica cuántica y la relatividad general .

A fines de la década de 1990, quedó claro que un problema común con las versiones propuestas de la "teoría del todo" es que no determinan estrictamente las propiedades del universo observable. Así, muchas teorías de la gravedad cuántica permiten la existencia de universos con un número arbitrario de dimensiones o un valor arbitrario de la constante cosmológica . Algunos físicos opinan que, de hecho, hay muchos universos, pero solo un pequeño número de ellos está habitado, lo que significa que las constantes fundamentales del universo están determinadas por el principio antrópico . Max Tegmark llevó este principio a su conclusión lógica, postulando que "todas las estructuras matemáticamente consistentes existen físicamente". Esto significa que las estructuras matemáticas suficientemente complejas pueden contener una "estructura autoconsciente" que se percibirá subjetivamente a sí misma como "viviendo en el mundo real".

A finales de 2007, Garret Lisi propuso una " teoría del todo excepcionalmente simple " basada en las propiedades del álgebra de Lie . A pesar de las deficiencias descubiertas de la teoría de Lisi, puede abrir una nueva línea de trabajo en el campo de las teorías de campos unificados.

En la actualidad, los principales candidatos a una "teoría del todo" son la teoría de cuerdas, la teoría de bucles y la teoría de Kaluza-Klein . Más sobre el último. A principios del siglo XX, hubo sugerencias de que el universo tiene más dimensiones que las observables, tres espaciales y una temporal. El impulso para esto fue la teoría de Kaluza-Klein , que nos permite ver que la introducción de una dimensión adicional en la teoría general de la relatividad conduce a las ecuaciones de Maxwell . Gracias a las ideas de Kaluza y Klein, fue posible crear teorías que operan con grandes dimensiones. El uso de dimensiones adicionales provocó la respuesta a la pregunta de por qué el efecto de la gravedad es mucho más débil que otros tipos de interacciones. La respuesta generalmente aceptada es que la gravedad existe en dimensiones extra, por lo que su efecto sobre las dimensiones observables se está debilitando.

Hay un debate en curso en la comunidad científica de la física sobre si la "teoría del todo" debe considerarse la ley fundamental del universo . Un punto de vista, estrictamente reduccionista , es que la "teoría del todo" es la ley fundamental del universo y que todas las demás teorías que describen el universo son consecuencias o casos límite del mismo. Otro punto de vista se basa en las leyes que el premio Nobel de física Steven Weinberg denominó leyes de "flotación libre", que determinan el comportamiento de los sistemas complejos. La crítica de este último punto de vista llama la atención sobre el hecho de que en tal formulación la "teoría del todo" viola el principio de la navaja de Occam .

Entre otros factores que reducen el valor explicativo y predictivo de la “teoría del todo”, su sensibilidad a la presencia de condiciones de contorno en el Universo y la existencia de caos matemático entre sus soluciones.

Véase también

• teoría cuántica de campos
• gravedad cuántica
• Gravedad cuántica de bucles
• Teoria de las cuerdas
• teoría M
• supersimetría
• modelo estandar
• Grandes teorías unificadas
• Hipótesis del universo matemático
• Teoría del todo (filosofía)
• Problemas no resueltos de la física moderna

Notas

1. ↑ Entonces, el bisabuelo de Iyon Tichy , un personaje del ciclo de ciencia ficción de Stanislav Lem , trabajó en la "Teoría general del todo".
2. ↑ Eugeny Berkovich. La tragedia de Einstein o Sísifo feliz. Ensayo segundo. Einstein contra Pauli. Teoría del campo unificado  // Ciencia y vida . - 2020. - Nº 2 . - S. 66-79 . Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2020. (Ruso)

Literatura

• Vizgin V.P. Teorías unificadas en el 1er tercio del siglo XX. - M.: Nauka, 1985. - S. 304.
• Weinberg S. Sueños de la teoría final. Sueños de una teoría final  - M.: LKI, 2008, - S. 256, ISBN 978-5-382-00590-4 .
• Maykov V.P. Metodología de la física con tiempo no newtoniano. El sábado. Filosofía de la Física: Problemas Actuales. Materiales de la conferencia científica (MSU) 17-18 de junio de 2010. - M.: LENAND, 2010, - S. 95-99. ISBN 978-5-9710-0319-9 .
• Maikov VP Cosmología termodinámica cuántica-relativista. El sábado. Filosofía de la Física: Problemas Actuales. Materiales de la conferencia científica (MSU) 17-18 de junio de 2010. - M.: LENAND, 2010, - S. 228-232. ISBN 978-5-9710-0319-9 .
• Michio Kakú . Ecuación de Dios. En busca de una teoría del todo = Michio Kaku. La ecuación de Dios: la búsqueda de una teoría del todo. - M. : Alpina no ficción, 2022. - 246 p. - ISBN 978-5-00139-431-0 .

Enlaces

• [bse.sci-lib.com/article036754.html Artículo "Teoría del campo unificado"] // Gran enciclopedia soviética

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