המילה "פיזיקה" מבוססת על היוונית העתיקה φύσις, שפירושה "טבע". חקר הטבע, הסבר התופעות הנצפות בו וחיזוי אירועים עדיין לא ידועים הם מטרות הפיזיקה. עוד במאה הרביעית לפני הספירה הניח אריסטו את יסודות הפיזיקה כמדע במסכתו "פיזיקה". מאז נחשפו בפנינו סודות טבע רבים. אבל ככל שלמדנו יותר, עלו יותר שאלות. ואולי, העיקרית: כיצד למצוא הסבר כללי לכל התופעות? כדי לענות עליה, עליך ליצור תיאוריה של הכל.
דוגמנית סטנדרטית ואחותה החורגת
המדענים, שעשו את דרכם עמוק לתוך החומר וניסו למצוא את החלקיקים הבסיסיים ביותר, הבלתי ניתנים לחלוקה, העומדים בבסיס החומר, גילו בסופו של דבר קווארקים ולפטונים. קווארקים משמשים לבניית האדרונים (לכן קוראים ל'אדדר קולידר הגדול '), הכוללים, בפרט, את הפרוטונים והניוטרונים המרכיבים את גרעין האטום, שנחשב בעבר לחלוקה. הנציג המפורסם ביותר של הלפטונים הוא אלקטרון הנע בענן אלקטרונים סביב גרעין זה.
כיום אנו יודעים שכל החלקיקים הללו מתקשרים בשל ארבעה סוגי כוחות, ארבע אינטראקציות בסיסיות: גרביטציה, אלקטרומגנטית, גרעינית חזקה וגרעין חלש. למרות שיכולים להיות יותר כאלה, אחרים עדיין לא ידועים לנו.
כוח הכבידה הוא כוח המשיכה בין עצמים בעלי מסה. אלקטרומגנטיות אחראית לאינטראקציה בין גופים בעלי מטענים חשמליים. כוחות גרעיניים חזקים מחזיקים יחד פרוטונים ונויטרונים בגרעין האטום, כמו גם קווארקים בפרוטונים ובניוטרונים עצמם, בעוד שחלשים מנהלים תהליכים כגון ריקבון רדיואקטיבי.
הפעולה של כל אחד מהכוחות הללו יכולה להיות מיוצגת כחילופי חלקיקים-קוונטים של אינטראקציה זו. האינטראקציה החזקה מתבצעת על ידי גלואונים. אפשר לומר שהם "מדביקים" קווארקים, יוצרים מהם פרוטונים וניוטרונים. הם קיבלו את שמם מסיבה: באנגלית, דבק פירושו "דבק".
נושאי האינטראקציה החלשה הם בוזונים W ו- Z. עבור האינטראקציה האלקטרומגנטית המוכרת לנו, אחראים פוטונים לא פחות מוכרים. בנוסף, לכל האינטראקציות יש תיאוריה משלהן המתארת אינטראקציות אלו ממש.
בשלב זה, המודל הסטנדרטי - מבנה תיאורטי בפיזיקת החלקיקים - נקטע. מה עם כוח הכבידה? האם יש לו חלקיק קוונטי משלו?
אם משתמשים בחלקיקים אלמנטריים למודל האינטראקציות הבסיסיות, אז באנלוגיה ניתן להניח שחלקיק יסודי כלשהו צריך להיות אחראי לאינטראקציה הכבידה.
חלקיק זה עדיין לא נמצא, הוא רשום כהיפותטי, אבל השם כבר הוצע - גרביטון. עדיין לא נבנתה תורת הכבידה הקוונטית. אנו משתמשים בתורת היחסות הכללית של איינשטיין כדי לתאר את כוח הכבידה כיום. אבל הוא כל כך שונה מכל התיאוריות האחרות שהוא מתייחד. לאחד את כל ארבע האינטראקציות במודל תיאורטי אחד, כלומר ליצור תיאוריה מאוחדת של הכל, הוא חלום ישן של פיזיקאים.
מניוטון לאיינשטיין, מתפוחים ועד חורים שחורים
עץ התפוחים בגינת הבית שבו התגורר אייזיק ניוטון היה תערוכה מוזיאלית במשך יותר ממאה שנה, הובילו אליו טיולים. אבל סביר להניח שהסיפור על האופן שבו ניוטון גילה את חוק הכבידה האוניברסלי המפורסם שלו לאחר שנפל תפוח על ראשו הוא מושג לא מזיק.המדען הגדול חיבר את סיפורו של תפוח נופל לאחייניתו האהובה על מנת להסביר את מהות החוק בצורה נגישה. עם זאת, אנו יכולים לומר שדווקא עם הנחת חוק זה החלו ניסיונות להסביר באופן שיטתי את העולם סביבנו בשפת הפיזיקה.
עצם הרעיון של כוח הכבידה האוניברסלי בא לידי ביטוי שוב ושוב בפני ניוטון. אך קודם לכן, איש לא יכול היה לחבר באופן ברור ומתמטי באופן משכנע את חוק הכבידה ואת חוקי התנועה של גופים שמימיים. גילוי ניוטון איפשר לאחד את התחומים השמימיים והארציים, והרי הם נחשבו בעבר כבלתי תואמים.
במשך זמן רב אושרה תיאוריית הכבידה הניוטונית על ידי תצפיות. חוק הכבידה היה מתאים על מנת לתאר את מסלול נפילת התפוח, וכן לחזות את מסלול תנועת כוכבי הלכת סביב השמש. אבל, כפי שהתברר, למעט אחד.
העקירה החריגה של פריהליון מרקורי שהתגלתה בשנת 1859 הציבה את הפיזיקאים מול העובדה שכוכב הלכת הקרוב ביותר לשמש לא רצה לציית לחוק הכבידה האוניברסלי. וגם אם זו הייתה רק סטייה בקושי ניכרת בתנועת מרקורי, הוא היה צריך למצוא הסבר. אך הדבר דרש הבנה חדשה של כוח הכבידה.
ניתן היה לשנות את הבנת הכובד רק בשנת 1915, כאשר אלברט איינשטיין הציג לעולם את תורת היחסות הכללית שלו. השמש, בעלת המסה הענקית, מכופפת את המרחב והזמן סביבה, אשר משפיעים בפרט על מסלול הכוכב הקרוב אליה.
מבחינה מעשית, היחסות הכללית מצוינת. זה אושר שוב ושוב על ידי תצפיות ונמצא בשימוש נרחב בפועל. ללא תורת היחסות, לא היו מערכות ניווט לוויין, למשל.
אך עם זאת, יש לו חסרון אחד משמעותי - חוסר האפשרות לבנות עבורו מודל שדה קוונטי בצורה קלאסית. זה שונה לחלוטין ממכניקת הקוונטים. כפי שאומרים הפיסיקאים, זוהי ממלכה אחרת עם חוקים ותושבים משלה.
בדרך האיחוד
אולי האיחוד הראשון של כוחות פיזיקליים שונים נעשה בשנת 1873, כאשר הפיזיקאי והמתמטיקאי הבריטי ג'יימס מקסוול ביצירתו "מסה על חשמל ומגנטיות" הראה כי חשמל ומגנטיות הם ביטויים של אותו כוח - אלקטרומגנטיות. לפני כן, האמינו כי חשמל ומגנטיות הם שני כוחות נפרדים ועצמאיים.
כמעט 100 שנה מאוחר יותר, בשנת 1967, יצרו הפיזיקאים האמריקאים שלדון לי גלאשו וסטיבן ויינברג, כמו גם עבדוס סלאם, פיזיקאי תיאורטי מפקיסטן, את תורת האינטראקציה האלקטרו -חלשה, שהפכה לתיאור של שניים מארבעת האינטראקציות הבסיסיות הידועות - חלשות ואלקטרומגנטית. הוא מניח כי אינטראקציות אלקטרומגנטיות וחלשות הן ביטויים שונים של אותו כוח. באנרגיות נמוכות רגילות, לא נמצא בהן משהו משותף, אך באנרגיות מעל אנרגיית האיחוד (בסדר גודל של 100 GeV), הן מתאחדות לאינטראקציה חלשה אחת של חשמל. נכון, בפעם האחרונה הם התאחדו ברגעים הראשונים אחרי המפץ הגדול.
בשנות ה -70 של המאה הקודמת הוצעה תיאוריה משלה לאינטראקציה החזקה - כרומודינמיקה קוונטית. עד כה, איש לא הצליח לחבר באופן משכנע את האינטראקציה הבסיסית השלישית הזו עם השניים הראשונים. מודל תיאורטי זה, המתאר את האינטראקציות החזקות, החלשות והאלקטרומגנטיות בצורה אחידה, נקרא תיאוריית האיחוד הגדול.
עם זאת, פיזיקאים תיאורטיים רבים סבורים כי אין טעם לשלב אינטראקציות אלה ללא כוח הכבידה: הם כבר עובדים יחד בצורה של המודל הסטנדרטי. הדרך לאיחוד הגדול נעוצה ביצירת התיאוריה של הכל.
אגב, מדענים מאמינים שבאנרגיות גבוהות במיוחד, כל האינטראקציות מתחברות. וכפי שאפשר לנחש, התנאים לאיחוד כה גדול יכולים להתקיים ביקום בתקופה הקצרה ביותר מיד לאחר המפץ הגדול.כלומר, לפני כ-13-14 מיליארד שנים, כאשר גיל היקום הנולד היה בין 10-43 ל 10-36 שניות. אז כל האינטראקציות התפצלו והחלו לחיות חיים עצמאיים: ראשית - כוח הכבידה, אחר כך - חזקות, ואז חלשות ואינטראקציות אלקטרומגנטיות.
ממלכות שונות
אולם אם שלוש האינטראקציות, המאוחדות על ידי המודל הסטנדרטי, מתוארות בשלווה על ידי מכניקת הקוונטים, הרי שתורת היחסות, המתארת את כוח הכבידה, שונה בתכלית. מכניקת הקוונטים, המספרת לנו כיצד מתנהגים חלקיקים אלמנטריים, ותורת היחסות הכללית מבוססת על קבוצות עקרונות שונות. הראשונה מנוסחת כתיאוריה המתארת את האבולוציה הטמפורלית של מערכות פיזיקליות (אותם אטומים או חלקיקים אלמנטריים) על רקע זמן-מרחב חיצוני. בשני, פשוט אין מרחב -זמן חיצוני - הוא עצמו משתנה דינאמי של התיאוריה, בהתאם למאפייני המערכות הקלאסיות בו.
לשניהם יש גבולות תחולה, מעבר להם הם מפסיקים לעבוד. מכניקת הקוונטים פועלת על המיקרוסקאלה ומסבירה את מבנה האטומים והתנהגותם. תורת היחסות הכללית עוסקת בהמונים ובמהירויות ענקיים.
ברוב המקרים, הם אינם מצטלבים וחיים, למעשה, בעולמות שונים. במצבים מסוימים ניתן להזניח השפעות קוונטיות, ובאחרות - כבידה. עם זאת, יש מקום ביקום בו העולמות הללו נאלצים להצטלב - חורים שחורים. הם מסיביים מאוד, אך יחד עם זאת קטנים במיוחד.
אבל זה לא הכל, יש עוד סיבה אחת לחוסר התאמה. לפיכך, תורת היחסות הכללית קובעת כי ניתן לחזות במדויק את התנהגותו של אובייקט. אך במכניקת הקוונטים, הכל שונה: אנו יכולים לדעת רק את ההסתברות כיצד יתנהג אובייקט זה או אחר.
איינשטיין בילה כמעט את כל שנות חייו האחרונות בניסיון להפיק את התיאוריה המאחדת שלו. הוא לא חלק את עקרון אי הוודאות של מכניקת הקוונטים ורצה ליצור תיאוריה שתשלב את כוח הכבידה ושאר הפיזיקה, כך שכל המוזרות הקוונטיות הללו יהיו השלכות משניות. באחד ממכתביו למאמין לעקרון זה, מקס בורן, כתב: "אלוהים לא משחק בקוביות". אליה קיבל את התשובה: "איינשטיין, אל תגיד לאלוהים מה לעשות".
משימתו העיקרית של המדען הייתה לגרום לכוח הכבידה לעבוד עם אלקטרומגנטיות ולשלב את שני הכוחות בתורת השדה המאוחד. לשם כך הוא מתח את הזמן-זמן לחמישה ממדים. הממד החמישי נוסף לשלושה מרחביים ואחד זמני: הוא היה צריך להיות כל כך קטן ומפותל עד שלא יכולנו לראות אותו. אך גישה זו לא צלחה.
מחרוזות, לולאות והסבלים
מאז, הרעיון ליצור תיאוריה מאחדת שלט במוחם של פיזיקאים ברחבי העולם. יש כמה רעיונות, לחלקם יש גם כמה אפשרויות. והמועמד הרציני ביותר לתואר "תורת הכל" הוא תורת המיתרים.
הוא מבוסס על הנחה פשוטה. החלקיקים הקטנים ביותר בעולמנו אינם כלל אובייקטים נקודתיים, כפי שאנו מדמיינים אותם כעת. אלה הם מחרוזות, או ליתר דיוק, אובייקטים מורחבים חד-ממדיים, מה שמכונה מחרוזות קוונטיות. הם קטנים מאוד, אורכם כ 10–33 סנטימטרים. כמו מיתרי גיטרה, מיתרים קוונטיים מתוחים ורוטטים. אופי התנודות שלהם קובע את תכונות החומר: כך, כל מגוון החלקיקים היסודיים משוכפל. מחרוזת רוטטת בתדר אחד - אנו מקבלים גלון, רוטטים עם אחר - קווארק, עם שלישי - נייטרינו. יתר על כן, המיתרים יכולים להיות סגורים ופתוחים כאחד.
תורת המיתרים מסירה כמה מהמכשולים שהפריעו בעבר לבניית תורת הכבידה הקוונטית הקוהרנטית. הוא מאפשר לך לתאר מחרוזת שנראית בדיוק כמו גרביטון - נשא היפותטי של אינטראקציה כבידה וקוונטים של שדה הכבידה.
יחד עם זאת, יש לה גם בעיות.בעוד שתורת השדות המאוחדת של איינשטיין הניחה שיש עוד ממד מוסתר אחד, הגרסאות הפשוטות ביותר של תורת המיתרים דורשות עשרים ושש.
חלוץ בשנות השמונים, תורת הסופרסטרינג מגיעה בחמישה טעמים שונים, שמסתפקת בעשרה ממדים. אבל אפילו קשה לדמיין אותם, כי בעולם אנו מתבוננים רק בשלושה ממדים מרחביים. בעוד שפיזיקאים מציעים שקל לדמיין שרק שלושת הממדים הללו התרחבו והפכו גדולים, אחרים קיימים גם הם, אך נותרו קטנים להפליא.
לא כולם חולקים את הרעיונות של תורת המיתרים, כך שיש עוד מתמודד - כוח הכבידה הקוונטי של הלולאה.
אם תורת המיתרים תתפוס את מקומה מעל כל התיאוריות האחרות, הרי שחומרת הקוונטים של הלולאה היא החוליה החסרה במכניקת הקוונטים. הוא נועד פשוט להביא את כוח הכבידה למכנה קוונטי משותף, ומנסה להפיק עבורו תורת קוונטים משלה.
תורת היחסות הכללית מתארת זמן-זמן באופן קלאסי, שאינו מאפשר "לכמת" את כוח הכבידה באופן המקובל בפיזיקת החלקיקים היסודיים. תורת הכבידה של הלולאה מנסה לפתור בעיה זו. המרחב והזמן בו מורכבים מחלקים נפרדים - לולאות קטנות, שמידותיהן דומות לאורך הפלאנק, שהוא כ- 1.6.10–35 מטר.
לולאות אלה - תאים קוונטיים קטנים של חלל - מחוברות זו לזו בצורה מסוימת: כך שבקני מידה קטנים של זמן ומרחק, הן יוצרות מבנה חלל לא רציף ונפרד, ועל גדולות הן עוברות בצורה חלקה לחלקה רציפה. זמן חופשי. זה בדיוק מה שמתואר ב- GR.
עם זאת, תורת המיתרים לא מתכוונת לוותר. צוין לעיל כי לגרסה המתקדמת שלה כבר היו חמש אפשרויות. אבל עברו עוד עשר שנים, ובשנות ה -90 פיסיקאים גילו שאפשר להפוך את כולם אחד לשני. שיטות התיאור שונות, אך המהות זהה. אז בשנת 1995 הופיעה תאוריית M, שנקראה באירוניה "אם כל תורות המיתרים".
הוא מניח כי לעולם סביבנו יש 11 ממדי זמן-מרחב. הוא מכיל מרחבים בעלי ממדים נמוכים יותר, מה שנקרא סובין, והיקום בו אנו חיים הוא רק אחד מהסוגים האלה. הוא מלא בחלקיקים קוונטיים שונים, שהם למעשה מחרוזות.
קצות המיתרים הפתוחים מעוגנים בתוך המינים. מחרוזת כזו לא יכולה לעזוב את הסובין. מחרוזות סגורות, לעומת זאת, מסוגלות לנדוד מחוץ לסובלים. המיתרים ה"חופשיים "הללו הם גרביטונים, נשאי כוחות הכבידה.
עם זאת, תיאוריית ה- M לא הובילה אותנו לשום הבנה שימושית של היקום. זה פשוט לא מרמז על קיומה של תיאוריה אחת של הכל, אלא מרמז על קיומן של תיאוריות רבות. וכל אחד מהם מאפשר לתאר את היקום בצורה משכנעת. אך יחד עם זאת מניחים יקומים רבים. ליתר דיוק, מספרם שווה ל -10 בעוצמה של 500. אוסף היקומים המדהים הזה נקרא Multiverse, והיקום שלנו הוא רק אחד מהם.