20 Августа 2018

Теория, которая могла бы объяснить ВСЁ

Опубликовал augonsedai

Современная физика возникла благодаря попыткам людей понять объективные законы мироздания. За сотни лет исследований была понята суть многих явлений, благодаря чему человечество смогло достичь существующего технического прогресса. Но по сей день, ученые не смогли создать единую теорию, в рамках которой можно было бы дать объяснение явлениям как микроскопического, так и космического масштаба.

Попытки создать «единую теорию всего» ведутся выдающимися светилами науки более века. И по прогнозам к 2050 году будет доказана единая теория, которая объяснит устройство Вселенной. Об истории разработки «теории всего», основных современных исследованиях и перспективах для человечества мы расскажем вам в этой статье.

Вехи на пути создания всеобъемлющей физической теории

Первая документированная попытка объяснить все законы объективной вселенной была совершена в 500 году до нашей эры, когда Пифагор и его последователи обнаружили математические правила, которым подчиняется струна лиры. Исследовав математические законы звучания музыкального инструмента, Пифагор перенес открытые им закономерности на все явления природы: планеты, элементы и созвездия. Музыку он считал полностью подчиненной математике, а открытые им законы назвал «музыкой сфер». Но в дальнейшем фокус исследования был перенаправлен на влияние музыки на человеческую психику и разработку мистико-философского учения. Впрочем, на тот момент технически невозможно было проводить исследования элементарных частиц, так что создание действительно всеобъемлющей теории было невозможным.

Далее был громадный перерыв – до двадцатого века физика решала важные задачи, но не бралась за разработку глобального объяснения природы всех феноменов во вселенной. Научный мир задумался об объединении всех теорий, после появления уравнений Максвелла, объединивших магнетические, оптические и электрические явления. Но как выразился Фримен Дайсон: «Поле боя физической науки усыпан трупами теорий Всего».

Однако даже сами попытки этого глобального объединения законов засуживают пристального внимания:

  • Эрвин Шрёдингер – известен массам благодаря остроумному мыслительному эксперименту, известному как «Кот Шрёдингера». Этот выдающийся физик-теоретик несколько раз предпринимал попытки создания теории единого поля. В 1946 году он представил общественности последнюю свою теорию, в правильности которой он был уверен на 100%. Но Альберт Эйнштейн довольно быстро нашел изъяны в построениях Шрёдингера, чем оскорбил его самолюбие. А побочным результатом было нахождение изъянов в существовавшей на тот момент квантовой физике.
  • Альберт Эйнштейн. После разработки теории относительности пытался объединить её с уравнениями Максвелла. На это у гениального физика ушло тридцать лет напряженной работы, но окончательный результат достигнут не был.
  • Следующим этапом стало постепенное построение Стандартной Модели, которая смогла обобщить большую часть физических феноменов. На данный момент это общепринятая теория, которая объясняет сильные и слабые электромагнитные взаимодействия между элементарными частицами. В середине 80-х годов прошлого века экспериментальным путем было доказано существование промежуточных векторных бозонов, после чего в современной физике её приняли как основной способ описания мира. В 2012 году экспериментально подтвердилось наличие бозона Хиггса, который был последней элементарной частицей (из 61), теоретически предсказанной Стандартной Моделью. Однако эта теория не включает в себя описание темной энергии и материи, наряду с гравитацией. Поэтому, хоть эта модель является основной, она не может быть названа «теорией всего».

Теория струн

Следующий претендент на полное объяснение картины мира требует к себе более пристального внимания.

Объединяет квантовую механику и теорию относительности. А в будущем на её фундаменте планируют построение теории квантовой гравитации. Появление теории произошло в середине 70-х годов прошлого века, в процессе переосмысления формул итальянского физика-теоретика Габриэле Венициано, что позволило решить проблемы квантовой теории поля, и более глубоко посмотреть на природу пространства-времени. На заре появления теории она вызвала шквал энтузиазма в рядах физиков, так как математическая стройность теории позволяла предположить, что она и станет «теорией всего». Однако до сегодняшнего дня нет способа экспериментального подтверждения положений струнной теории, в отличие от Стандартной Модели, в которой были найдены все теоретически предсказанные частицы. Но у исследователей есть обоснованные надежды, что работа с Большим адронным коллайдером сможет дать практическое подтверждение положений теории.

Первое введение гипотетических струн в физические теории произошло с целью объяснения строения одного из типов адронов - пионов. В 1970 году ряд физиков (Йоитиро Намбу, Тэцуо Гото, Холгер Бех Нильсен и Леонард Сасскинд) предположили, что сталкивающиеся пионы взаимодействуют между собой, благодаря натянутой между ними сверхтонкой одномерной струны. И с этого момента теория струн стала одной из самых развивающихся областей физики.

Далее последовало несколько «революций» в осмыслении струнной теории:

  • Бозонная теория струн. Появилась после того, как стало ясно, что реализация существующих моделей струнной теории требует не четырехмерного пространства, а десятимерного и двадцатишестимерного. При этом требовалось введение гипотетической частицы – тахиона, которая могла бы двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Работа над устранением этой проблемы привела к появлению бозонной теории, которую сейчас в первую очередь преподают студентам, изучающим физику. Однако у этой модели тоже имелся ряд недостатков, работа с которыми привела к созданию понятия суперсимметрии, описывающей взаимодействие бозонов и фермионов. Благодаря введению суперсимметрии, последующие теории получили названии «суперструн».
  • Первая суперструнная революция. Произошла, благодаря введению Майклом Грином и Джоном Шварцем способа сокращения аномалий в предыдущей версии теории.
  • Вторая революция. Произошла в 1990 году, когда ряд физиков предположили, что все имеющиеся в разработке пять теорий суперструн, на самом деле являются частными случаями М-теорий, справедливой для одинадцатимерного пространства. На данный момент эта теория до конца не разработана, и ей активно занимается современная физика.

Самая главная особенность теории струн – введение многомерности, которой не было в теориях Максвелла и Эйнштейна. Сложность в том, что наблюдаемыми могут быть только четыре измерения, для наблюдения остальных гипотетических измерений пока не имеется инструментов. Учеными предложено два объяснения ненаблюдаемости дополнительных измерений:

  • Компактификация. Речь идет о том, что дополнительные измерения замыкаются на себе на сверхмалых расстояниях, благодаря чему становятся ненаблюдаемыми при малейшем отдалении.
  • Локализация. Предположение о том, что все обычные частицы мира расположены в четырех измерениях, являющихся только частью многомерной Мультивселенной. В связи с тем, что человек и его инструменты также состоят из обычных частиц, то у нас принципиально не имеется возможности наблюдать иные мерности реальности.

Единственное, что косвенно может позволить наблюдать дополнительные измерения – это гравитация, которая теоретически существует во всех измерениях. Также во вне четырехмерного пространства, энергия и импульс может быть вынесен черной дырой. Для наблюдателя это будет выглядеть, как внезапное исчезновение энергии или импульса.

Пока что у всех теорий струн имеется множество проблем, часть из которых связана с вычислениями и невозможностью фальсифицирования. И это заставляет ряд ученых заявлять о ненаучности теории струн.

Подтверждение правильности теории суперструн возможно только косвенным образом, для чего сейчас используется адронный коллайдер.

Теория петлевой квантовой гравитации

Это еще один кандидат на метод объяснения взаимодействия гравитации и «квантового мира». И главный оппонент теории струн в современной физике. Согласно теории, пространство-время имеет дискретную структуру, которая на малых участках показывает неоднородность пространства-времени. А на больших участках выглядят как единое целое.

Исследователи этой теории сосредоточены не на свойствах материи, а на качествах пространства-времени. Гравитация рассматривается не как плавный однородный фон, а как сеть с квантовыми узлами и ячейками. При этом для стройности расчетов не требуется привлечения дополнительных измерений.

Бильсон-Томпсон вместе с соавторами выдвинули предположение, что теория петлевой квантовой гравитации способна воспроизвести Стандартную Модель, при этом объединив все четыре фундаментальных взаимодействия. По сравнению с теорией струн, петлевая квантовая гравитация даёт естественное объяснение Стандартной Модели. Но, тем не менее, и эта теория не лишена проблем и требует дальнейшей доработки в области спинов, спектра масс частиц и смешивания Кабиббо.

Сейчас физики-теоретики разбились на два лагеря, каждый из которых считает, что именно их теория (струнная или петлевая) является единственно верной и сможет объяснить все взаимодействия во вселенной.

Однако существует и альтернативное мнение – часть исследователей уверена в возможности нахождения общих моментов в обеих теориях. Есть ряд физиков, работающих над объединением обеих подходов. Например, группа Томаса Тиманна из Нюрнбергского Университета смогла распространить петлевую квантовую гравитацию на высшие измерения и включила в неё понятие суперсимметрии. И это далеко не единственный путь, которым физики пробуют совместить оба взгляда на взаимодействия элементарных частиц.

Сейчас сложно сказать, когда будут закончены поиски всеобъемлющей теории. Ученые называют даты от 2050 до 2150 года. Говоря при этом, что может случиться так, что какой-нибудь талантливый молодой физик сможет найти решение уже завтра. И в перспективе все теперешние изыскания физиков-теоретиков современного мира могут слиться в одно всеобъемлющее объяснение природы вселенной. Это однозначно кардинально изменит технологии и сам облик человеческой цивилизации. И, вполне возможно, что эти изменения мы еще успеем увидеть сами…