Кольцо всевластия для физиков — теория всего

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.