В трилогии «Властелин колец» правители государств выдуманного мира создали себе кольца власти, чтобы с их помощью управлять людьми. Но главный злодей, темный маг Саурон, тайком отлил еще одно кольцо, способное «править всеми». Современные физики, тоже в какой-то степени маги, вывели множество теорий – поля, темной материи, Большого взрыва, относительности, волны. Но, возможно, появится еще одна, с амбициозным титулом «теория всего» – сейчас о ее создании мечтают рыцари всех круглых научных столов.
Иллюстрация: MATJAZ SLANIC, medium.com
Первое кольцо, выкованное физиками, – это Ньютонова механика, или классическая физика. Она «правит» макромиром и объясняет, почему яблоки падают на головы ученым, с какой скоростью телефон выскользнет из рук в самый неподходящий момент и как взлетают самолеты. До XIX века именно классическая физика Ньютона успешно объясняла буквально все. Но на рубеже столетий накопилось слишком много вопросов, на которые она уже не могла ответить. Например, почему мы все еще не превратились в один комок под влиянием всемирного тяготения? Или отчего в маленьких атомах столько энергии? Если условно разделить мир на три блока, то в нем будет микромир частиц, макромир физических объектов и мегамир со скоростями, близкими к скорости света. И классическая физика объясняет только второй из них.
Следующее кольцо, кольцо относительности, создал Альберт Эйнштейн. Он связал время и пространство, выдвинул гипотезу пространственно-временного континуума. Его кольцо управляет гравитацией, антигравитацией, темной материей, рождением планет и смертью звезд. Подтверждением теории Эйнштейна в 2020 году стало реальное наблюдение того, как звезда PSR J1141-6545 искривляет пространство вокруг себя из-за существенной массы и гравитации – этот процесс на примере пары звезд зафиксировала международная команда астрофизиков с помощью 64-метрового радиотелескопа CSIRO Parkes.
Эйнштейн буквально открыл новый мир с другими законами. Но общая теория относительности, отвечавшая за так называемый мегамир, все еще не подходила микромиру. Нужно было еще одно кольцо – очень-очень маленькое. В 1926 году Нильс Бор предложил Квантовую теорию атома. Она регламентировала законы в самой маленькой научной стране – той, где существуют элементарные частицы с электромагнитным и сильным/слабым ядерным взаимодействием между ними. Удивительно, но для изучения самых маленьких объектов нам понадобились самые большие машины – такие как Большой адронный коллайдер, например. Итак, для объектов на Земле у нас есть классическая физика, для гигантских энергий космоса – теория относительности, для частиц – квантовая физика. Зачем же нужна теория всего?
Черные дыры – это объекты, которые поглощают всю энергию вокруг. Их существование подчиняется теории относительности. Но то, что происходит у них внутри, можно понять только с помощью квантовой физики. А две эти области – все равно что два разных языка или кусочки пазла, которые не стыкуются друг с другом. Нам нужен дешифровщик, который сможет переводить одни понятия в другие. И черные дыры – не единственные объекты, для изучения которых это нужно. Мы исследовали примерно 5 % Вселенной, а что с остальным – пока непонятно. На остальное приходится так называемая темная материя, элементарные частицы, которые участвуют в гравитации. Для них снова нужен дешифровщик. Теория всего должна стать универсальным языком науки, говоря на котором, мы сможем объединить и очень большой, и очень маленький мир, и тот, что посередине.
Человек, открывший теорию всего, станет великим ученым и основателем совершенно нового направления, как Эйнштейн или Ньютон. Шелдон Купер из «Теории большого взрыва» поэтому так страстно и желал доказать теорию струн. Именно она – один из вероятных кандидатов на роль «кольца всевластия». Теория струн предполагает, что любые частицы в нашем мире состоят из квантовых струн, способных передавать гравитацию. Они похожи на самые обычные – гитарные, например. Струны вибрируют, как когда мы касаемся их, чтобы сыграть ноты. Только вместо до, ре, ми от этих колебаний происходят кварки, нейтрино или другие частицы – в зависимости от того, как «дернуть» и в каком пространстве. С последним есть небольшая сложность. Теория струн требует, чтобы мир мог существовать ну хотя бы в двадцати измерениях. У нас их пока только три – длина, ширина, высота, или четыре, если считать время. Струнники – ученые, которые занимаются теорией струн, – пытаются это объяснить. Одна из гипотез предполагает, что только эти три измерения расширились и захватили пространство, а остальные так малы, что мы их и не замечаем.
Различные уровни увеличения материи, заканчивающиеся струнным уровнем: 1. Макроскопический уровень — вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны 4. Субатомный уровень — электрон 5. Субатомный уровень — кварки 6. Струнный уровень
Иллюстрация: MissMJ, commons.wikimedia.org
Есть у теории струн и конкуренты. Один из самых влиятельных – петлевая квантовая гравитация. Главные действующие лица в ней не струны, а петли. Петли – маленькие квантовые ячейки, которые соединены друг с другом чем-то, похожим на сеть, формирующую пространство-время. В петлевой квантовой гравитации мир состоит из кусочков. Несмотря на то что две эти теории принципиально конкурируют друг с другом, иногда ученые предпринимают попытки их объединить. Большая часть сложностей связана с тем, что экспериментально обе эти теории пока нельзя подтвердить.
В 2007 году американский физик Гарретт Лиси (Garrett Lisi) предложил исключительно простую теорию всего, объединив все необходимые физические взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерное. Лиси придумал уместить внутри математического конструкта с особыми свойствами – группы – все известные частицы, которые не только смогли там расположиться, но еще и объединились. В этой исключительно простой теории частицы самостоятельны, а все взаимодействия возникают из-за определенного свойства группы – так называемой кривизны. Еще эта теория, в отличие от теории струн, не требует суперсимметрии – обязательного существования у частиц партнеров с противоположным значением спина, то есть квантовой ориентации в пространстве. Теория была воспринята с энтузиазмом и сразу названа «очень красивой», но в ней все же есть много недостатков и противоречий с реальным положением вещей – согласно ей, некоторые элементы, например фермионы, не могут обладать определенной симметрией движения, хотя в природе такая симметрия – одно из их свойств.
Математики тоже периодически вступают в бой за теорию всего. Например, они попытались собрать ее из элегантных математических вычислений, придумав твисторы (от англ. twist – крутить), новый тип объектов, который формирует точки в пространстве. Твисторы похожи на скрученные во все стороны спирали, которые могут быть и положительными, и отрицательными. Точка в нашем пространстве – это скрутка нескольких спиралей-твисторов. И хотя с помощью теории твисторов многие понятия легко сводятся в одну плоскость и решаются там, большую часть положений теории относительности твисторы так и не смогли в себя включить.
Многие пытались разработать и доказать теорию всего. Стивен Хокинг в конце жизни сказал, что, по его мнению, ее просто может не быть – разные объекты в нашем мире подчиняются разным законам физики. Но общая «законодательная база» упростила бы многие исследования. Может быть, теория всего никогда не будет создана, как и говорил Хокинг. А может быть, следующая статья о ней уже будет заканчиваться параграфом: «Была предложена в … году и полностью удовлетворяет всем требованиям физики». Все, что мы имеем сейчас, – пока только запятые, но не точка.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
