Théorie de tout

Une théorie de de tout (orteil ) est une théorie hypothétique de la physique théorique qui entièrement explique et lie ensemble tous les phénomènes physiques connus. Au commencement, le terme a été employé avec une connotation ironique pour se rapporter à de diverses théories overgeneralized. Par exemple, un great-grandfather de &mdash Tichy d'Ijon ; un caractère d'un cycle histoires de la science-fiction de de s de Lem Stanisław de ' de &mdash des années 60 ; a été connu pour travailler au " ; Théorie générale d'Everything" ; ( polonais : " ; Ogólna Teoria Wszystkiego" ;). Avec le temps, la limite a collé dans les vulgarisations de la physique de Quantum pour décrire une théorie qui unifierait ou expliquerait par un modèle simple les théories de toutes les interactions fondamentales de nature.

Il y a eu beaucoup de théories de tout proposées par les physiciens théoriques au cours du siècle dernier, mais aucun n'a été confirmé expérimentalement. Le problème primaire en produisant un orteil est qu'il est difficile de combiner les théories admises de la mécanique quantique De et de la relativité générale .

Basé sur les arguments théoriques des années 90, beaucoup de physiciens croient cette M-théorie dimensionnelle du 11, qui est décrite dans beaucoup de secteurs par la théorie de corde de Matrix de , dans beaucoup d'autres secteurs par le la théorie que perturbative de corde est la théorie complète de tout. D'autres physiciens sont en désaccord.

Antécédents historiques

Le concept d'un " ; théorie d'everything" ; est enraciné dans l'idée antique de la causalité, célèbre exprimée par le Laplace : Un intellect qui à un certain moment connaîtrait toutes les forces qui ont placé la nature dans le mouvement, et tous positions de tous les articles dont la nature se compose, si cet intellect étaient également assez vaste pour soumettre ces données à l'analyse, il embrasserait dans une formule simple les mouvements des plus grands corps de l'univers et de ceux de l'atome le plus minuscule ; pour un tel intellect rien ne serait incertain et le futur juste comme le passé serait présent avant ses yeux| Probabilités , introduction de les de sur de philosophique d'Essai de . 1814 Bien que ceci soit habituellement cité comme rapport du déterminisme , un " ; formula" simple ; peut encore exister même si la physique est fondamentalement probabiliste, comme enseigné par la mécanique quantique Moderne .

Depuis des époques du grec ancien, les philosophes ont spéculé que la diversité apparente des aspects cache une unité fondamentale, et ainsi que la liste de forces pourrait être courte, en effet pourrait contenir seulement une entrée simple. Par exemple, la philosophie mécanique du XVIIème siècle a posé en principe que toutes les forces pourraient être finalement réduites aux forces de contact de entre les particules pleines minuscules. Ceci a été abandonné après l'acceptation de la force de fond du de Newton de de la pesanteur ; mais en même temps le travail de Newton dans son Principia de a fourni la première évidence empirique dramatique pour l'unification des forces apparent distinctes : Lois de s de Galilée le 'travail de s sur la pesanteur terrestre, le Kepler 'de de mouvement planétaire, et du phénomène des marées étaient tout quantitativement expliqué par une loi simple de l'attraction universelle universelle . En 1820, l'oersted chrétien de Hans de a découvert un raccordement entre l'électricité et le magnétisme, déclenchant les décennies du travail qui ont abouti le théorie de s de Maxwell commis James à 'de l'électromagnétisme . Également pendant les 19èmes et début du 20ème siècles, il est graduellement devenu évident que beaucoup d'exemples communs de force-prennent contact avec des forces, l'élasticité , la viscosité , le frottement , la pression de de de - résultée des interactions électriques entre les plus petites particules de la matière. Vers la fin des années 20, la nouvelle mécanique quantique De a prouvé que les liaisons chimiques entre les atomes étaient des exemples (quantum) des forces électriques, justifiant le vanterie de s de Dirac la 'qui " ; il des lois physiques étant à la base nécessaires pour la théorie mathématique d'une grande partie de physique et de la totalité de chimie sont ainsi complètement known" ;.

Les tentatives d'unifier la pesanteur avec l'électromagnétisme remontent au moins le expériences de s de Michael Faraday à des 'de 1849-50. Après que le théorie de s d'Einstein la 'de pesanteur (relativité générale ) ait été éditée en 1915, la recherche d'une théorie des champs unifié combinant la pesanteur avec l'électromagnétisme a commencé dans sérieux. Lorsque, il a semblé plausible qu'autre force fondamentale n'a pas existé. Les contribuants en avant étaient Gunnar Nordstrom , Hermann Weyl , Arthur Eddington , Theodor Kaluza , Oskar Klein , et spécialement, beaucoup de tentatives par Einstein et ses collaborateurs. Aucune de ces propositions n'était réussie.

La recherche a été interrompue par la découverte du les forces nucléaires faibles fortes de et , qui ne pourraient pas être englobées dans la pesanteur ou l'électromagnétisme. Un autre obstacle était l'acceptation que la mécanique quantique a dû être incorporée dès le début, plutôt qu'émergeant par suite d'une théorie unifiée déterministe, comme Einstein avait espéré. La pesanteur et l'électromagnétisme pourraient toujours paisiblement coexister comme entrées dans une liste de forces newtoniennes, mais pendant beaucoup d'années il a semblé que la pesanteur ne pourrait pas même être incorporée au cadre de quantum, encore moins unifié avec les autres forces de principe fondamental. Pour cette raison, le travail sur l'unification pour une grande partie du 20ème siècle, s'est concentré sur comprendre le " trois ; quantum" ; forces : électromagnétisme et le faible et la grande force. Les deux premiers étaient unifiés par en 1967-8 par le Sheldon Glashow , le Steven Weinberg , et le Abdus Salam . Les forces fortes et d'electroweak coexistent paisiblement dans le modèle standard de la physique de particules, mais demeurent distinctes. Plusieurs théories unifiées grandes (on a proposé les entrailles pour les unifier. Bien que les entrailles les plus simples aient été expérimentalement éliminées, l'idée générale, particulièrement une fois lié avec le Supersymmetry , restes de fortement favorisés par la communauté de physique théorique.

Physique moderne

Dans la physique traditionnelle courante, une théorie de tout unifierait toutes les interactions fondamentales de nature, qui sont habituellement considérées quatre en nombre : Pesanteur , la force nucléaire forte , la force nucléaire faible , et la force électromagnétique . Puisque la force faible peut transformer les particules élémentaires d'une sorte en des autres, l'ORTEIL devrait rapporter un arrangement profond des divers différents genres de particules aussi bien que les différentes forces. Le modèle prévu des théories est :

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En novembre 2007, " proposé par du A. Garrett Lisi ; une théorie particulièrement simple de tout " de ; basé sur l'algèbre de Lie exceptionnelle et simple du E8 . Dans cette théorie, les fermions sont inclus en tant qu'élément de l'algèbre plutôt qu'étant agi au moment par l'algèbre dans une certaine représentation . La théorie proposée suit un modèle différent :

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En plus des forces a énuméré ici, la cosmologie moderne pourrait exiger une force inflationniste , l'énergie foncée , et également la matière foncée composée de particules fondamentales en dehors de l'arrangement du modèle standard. L'existence de ces derniers n'a pas été prouvée et il y a des théories alternatives telles que M.

L'unification d'Electroweak est une symétrie cassée par : les forces électromagnétiques et faibles semblent distinctes à de basses énergies parce que les particules portant la force faible, le W et les bosons de Z ont une masse environ de 100 ; GeV, tandis que le photon , qui porte la force électromagnétique, est sans masse. À de plus hautes énergies le WS et le Zs peuvent être créé facilement et la nature unifiée de la force devient évidente. On s'attend à ce que l'unification grande fonctionne d'une manière semblable, mais aux énergies de l'ordre de $10^ {16}$ GeV, bien plus grand que pourrait être atteint par n'importe quel accélérateur de particules Terre-basé possible . Par analogie, l'unification de la force d'INTESTIN avec la pesanteur est prévue à l'énergie , rudement $10^ {19}$ GeV de Planck de .

Il peut sembler prématuré de rechercher un orteil quand il n'y a jusqu'ici aucune évidence directe une force électronucléaire, et tandis qu'en tous cas il y a beaucoup de différentes entrailles proposées. En fait le nom suggère délibérément la prétention démesurée impliquée. Néanmoins, la plupart des physiciens croient que cette unification est possible, partiellement en raison de l'histoire passée de la convergence vers une théorie simple. Les entrailles de Supersymmetric semblent plausibles non seulement pour leur " théorique ; beauty" ; , mais parce qu'elles produisent naturellement de grandes quantités de matière foncée, et la force inflationniste peut être liée à la physique d'INTESTIN (bien qu'elle ne semble pas faire partie inévitable de la théorie). Mais les entrailles ne sont clairement pas la réponse finale. Le modèle standard courant et les entrailles proposées sont les théories des champs de quantum qui exigent de la technique problématique de la renormalisation de rapporter des réponses sensibles. Ceci est habituellement considéré comme un signe que ce sont seulement les théories des champs efficaces , omettant des phénomènes cruciaux appropriés seulement aux énergies très hautes. En outre, la contradiction entre la mécanique quantique et la relativité générale implique qu'une ou les deux doit être remplacée par une pesanteur de Quantum de incorporation de de théorie .

Le seul candidat traditionnel pour une théorie de tout est à l'heure actuelle la théorie de Superstring de /M-théorie ; la recherche courante sur la pesanteur de quantum de boucle peut par la suite jouer un rôle fondamental dans un ORTEIL, mais ce n'est pas son but primaire. Ces théories essayent de traiter le problème de renormalisation en installant une certaine limite inférieure sur les échelles de longueur possibles. Les théories et le Supergravity (tous les deux de corde pensés pour être des cas de limitation de la M-théorie encore-à-être-définie) supposent que l'univers a réellement plus de dimensions que les trois de l'espace facilement observés et un de temps. La motivation derrière cette approche a commencé par la théorie de Kaluza-Klein de dans laquelle on l'a noté que l'application de la relativité générale à un univers cinq dimensionnel (avec les quatre dimensions habituelles plus une petite dimension courbée-vers le haut) rapporte l'équivalent de la relativité générale habituelle dans quatre dimensions ainsi que les équations (électromagnétisme de Maxwell de , aussi dans quatre dimensions). Ceci a mené aux efforts de travailler avec des théories avec le grand nombre des dimensions dans les espoirs que ceci produirait les équations qui sont semblables aux lois de la physique connues. La notion des dimensions supplémentaires aide également à résoudre le problème de hiérarchie, qui est la question de pourquoi la pesanteur est tellement plus faible que n'importe quelle autre force. La réponse commune implique la pesanteur coulant dans les dimensions supplémentaires des manières que les autres forces ne font pas.

Vers la fin des années 90, on l'a noté qu'un problème avec plusieurs des candidats pour des théories de tout (mais en particulier de théorie de corde) était qu'elles n'ont pas contraint les caractéristiques de l'univers prévu. Par exemple, beaucoup de théories de pesanteur de quantum peuvent créer des univers avec des nombres arbitraires des dimensions ou avec les constantes cosmologiques arbitraire même le " ; standard" ; la théorie dix-dimensionnelle de corde permet le " ; up" courbé ; dimensions à être comprimé dans un énorme nombre de différentes manières (une évaluation est $10^ {500}$ ) qui correspond à une collection différente de particules fondamentales et de forces à énergie réduite. Ce choix de théories est connu comme paysage de théorie de corde de .

Une solution spéculative est que beaucoup ou toutes ces possibilités sont réalisés dans une ou des autres d'un nombre important d'univers, mais que seulement un nombre restreint ils sont habitables, et par conséquent les constantes fondamentales de l'univers sont finalement le résultat du principe Anthropic plutôt qu'une conséquence de la théorie de tout. Cette approche anthropic est souvent critiquée dans celle, parce que la théorie est assez flexible pour entourer presque n'importe quelle observation, il ne peut pas faire (comme dans original, falsifiable, et vérifiable) des prévisions utiles. Dans cette vue, la théorie de corde serait considérée un Pseudoscience , où une théorie infalsifiable est constamment adaptée pour adapter les résultats expérimentaux.

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Concernant le théorème de l'imperfection de Gödel

Un nombre restreint de scientifiques réclament que le théorème de l'imperfection de Gödel de montre que n'importe quelle tentative de construire un ORTEIL est liée d'échouer. Le théorème de Gödel déclare que n'importe quelle théorie mathématique non triviale qui a une description finie est contradictoire ou inachevée. Dans son de 1966 livres la pertinence de la physique , Stanley Jaki a précisé cela, parce que n'importe quel " ; théorie d'everything" ; être certainement une théorie mathématique non triviale cohérente, il doit être inachevé. Il réclame que ceci condamne à des recherches d'une théorie déterministe de tout.

Le Freeman Dyson a déclaré cela

Le Stephen colportant était à l'origine un croyant dans la théorie de tout mais, après avoir considéré le théorème de Gödel, conclue qu'on n'était pas procurable.

Cette vue a été plaidée contre par le Solomon Feferman , notamment. Robertson, par exemple, offre le jeu de Conway de de la vie comme exemple : Les règles fondamentales sont simples et accomplissent, mais il y a formellement des questions undecidable au sujet des comportements du jeu. De façon analogue, il peut (ou ne pas pouvoir) être possible d'énoncer complètement les règles fondamentales de la physique avec un nombre fini de lois bien définies, mais il n'est guère douteux qu'il y a des questions au sujet du comportement des systèmes physiques qui sont formellement undecidable sur la base de ces lois fondamentales.

Puisque la plupart des physiciens considéreraient le rapport des règles fondamentales suffire comme définition d'un " ; théorie d'everything" ; , ces chercheurs arguent du fait que le théorème de Gödel fait le moyen du pas qu'un ORTEIL ne peut pas exister. D'une part, les physiciens appelant le théorème de Gödel semblent, au moins dans certains cas, se référer pas aux règles fondamentales, mais à la compréhensibilité du comportement de tous les systèmes physiques, comme quand colporter mentionne arranger des blocs dans des rectangles, transformant le calcul des nombres premiers en question physique. Cette anomalie definitionnelle peut expliquer une partie du désaccord parmi des chercheurs.

Statut potentiel d'une théorie de tout

On ne pense qu'aucune théorie physique jusqu'ici est avec précision précise. Au lieu de cela, la physique a procédé par une série de " ; approximations" successif ; permettre de plus en plus des prévisions précises sur un éventail plus large et de phénomènes. Quelques physiciens croient qu'il est donc une erreur pour confondre les modèles théoriques avec la nature vraie de la réalité, et soutenir que la série d'approximations ne se terminera jamais en " ; truth" ;. Einstein lui-même a exprimé ce point de vue occasionnellement. Sur cette vue, nous pouvons raisonnablement espérer le une théorie de de tout que l'individu-conformé incorpore le tout actuellement connu force, mais ne devrions pas s'attendre à ce qu'il soit la réponse finale. D'une part on le réclame souvent que, en dépit de la complexité apparent toujours croissante des mathématiques de chaque nouvelle théorie, dans un sens profond lié à leur symétrie fondamentale de mesure de et au nombre de constantes physiques fondamentales les théories deviennent plus simples. Si oui, le processus de la simplification ne peut pas continuer indéfiniment.

Il y a une discussion philosophique au sein de la communauté de physique si une théorie de tout mérite de s'appeler le la loi fondamentale de de l'univers. Une vue est la position Reductionist du dur que l'ORTEIL est la loi fondamentale et que toutes autres théories qui s'appliquent dans l'univers sont une conséquence de l'ORTEIL. Une autre vue est que des lois émergentes du (appelées le " ; laws" de flottement libre ; par le Steven Weinberg ), qui régit le comportement des systèmes complexes devrait être vu en tant qu'également principe fondamental. Les exemples sont la loi de deuxièmes de la thermodynamique et la théorie de la sélection naturelle . Le point étant cela, bien qu'en notre univers ces lois décrivent les systèmes dont le comportement pourrait (" ; en principe " ;) être prévu d'un ORTEIL, ils se tiendrait également en univers avec différentes lois de bas niveau, sujet seulement à quelques conditions très générales. Par conséquent il est sans aide, même en principe, pour appeler des lois de bas niveau en discutant le comportement des systèmes complexes. Certains arguent du fait que cette attitude violerait le rasoir d'Occam de si un ORTEIL complètement valide étaient formulés. Il n'est pas clair qu'il y ait n'importe quelle question au cours de ces discussions (par exemple entre Steven Weinberg et Philip Anderson ) autre que la droite d'appliquer le " de mot de haut-statut ; fundamental" ; à leurs sujets respectifs d'intérêt.

Bien que le " nommé ; théorie d'everything" ; suggère le déterminisme de la citation de Laplace, ceci donne une impression très fallacieuse. Le déterminisme est frustré par la nature probabiliste des prévisions mécaniques de quantum, par la sensibilité extrême pour parafer des conditions cela mène au chaos mathématique , et par la difficulté mathématique extrême d'appliquer la théorie. Ainsi, bien que le modèle standard courant du " de physique de particules ; en principe " ; prévoit tous les phénomènes non-de la gravité connus, dans la pratique seulement quelques résultats quantitatifs ont été dérivés de la pleine théorie (par exemple les masses de certains des Hadrons les plus simples), et ces résultats (particulièrement les masses de particules qui sont les plus appropriées pour la physique à énergie réduite) sont moins précis que des mesures expérimentales existantes. Il serait presque certainement encore plus difficile d'appliquer L'ORTEIL vrai. Le motif principal pour chercher un ORTEIL, indépendamment de la satisfaction intellectuelle pure d'accomplir une siècle-longue recherche, est que tous les unifications réussis antérieurs ont prévu de nouveaux phénomènes, certains dont (par exemple les générateurs électriques se sont avérés de grande importance pratique. Comme dans d'autres cas de réduction de théorie, l'ORTEIL nous permettrait également de définir avec confiance le domaine de la validité et de l'erreur résiduelle des approximations à énergie réduite à la pleine théorie qui pourrait être employée pour des calculs pratiques.

Théorie de tout et de philosophie

voient également : Théorie de de tout (philosophie)

Le statut d'un ORTEIL physique est ouvert de discussion philosophique du . Par exemple, si Physicalism est vrai, un ORTEIL physique coïnciderait avec une théorie philosophique de tout. Quelques philosophes ( Aristote , Platon , Hegel , Whitehead , Karl Marx , et autres) ont essayé de construire les systèmes all-encompassing. D'autres sont fortement douteux au sujet de la possibilité même d'un tel exercice.

Voir également

Théories alternatives
Théorie de corde de
Théorie de de tout (philosophie)
Théorie des champs unifié
La liste de de paradigme décale en science
une théorie particulièrement simple de tout

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