Найдут ли ученые когда-нибудь теорию всего?

Альберт Эйнштейн известен своей стрижкой, теориями относительности и верой в то, что «тот факт, что [the physical world] понятно, это чудо».

Он имел в виду, что с помощью науки, математики и наших собственных нейронов люди могут делать выводы. физические законы, которым, по-видимому, подчиняется Вселенная. Эти законы объясняют явления, которые мы наблюдаем вокруг нас — загорание лампочек, удары молотков или слипание и расщепление атомов, — и позволяют нам предсказывать будущие события, такие как слияние галактиквзрыв звезд или создание экстремальных условий в ускорителях частиц.

Но даже с этими законами и большим опытом ученые еще не по-настоящему понимают вселенную — они даже не приблизились к этому. Что такое темная материяневидимое вещество, которое служит гравитационными лесами для галактик, или темная энергия, загадочная сила, которая приводит в движение ускоряющееся расширение Вселенной? Оба термина имеют общую мрачность, потому что физики (и все остальные) находятся в неведении относительно того, что за ними стоит. Но такие загадки только добавляют актуальности постепенному поиску более полного понимания того, что движет космосом.

Некоторые физики полагают, что это более полное понимание может включать в себя «теория всего(TOE): единая базовая теоретическая структура, управляющая вселенной. Между тем другие физики не верят, что Вселенная настолько постижима, как предполагал Эйнштейн, и, по их мнению, это делает поиск TOE пустой тратой времени.

Обе стороны согласны с тем, что люди никогда не найдут теорию все все. Неважно, насколько успешным может быть TOE в объяснении Вселенной из первых принципов, он вряд ли когда-нибудь объяснит, почему вы предпочитаете дополнительные соленые огурцы в чизбургерах или испытываете иррациональный страх перед клоунами. Когда физики поэтизируют (или потрясают кулаками) ОТО, они имеют в виду что-то очень конкретное. «Они говорят об объединении всех сил природы в одну», — говорит физик Кэтрин Фриз, профессор Техасского университета в Остине.

На сегодняшний день ученые обнаружили всего четыре такие фундаментальные силы. «Есть электромагнетизм, — продолжает Фриз. — Итак, электричество и магнетизм — о них все знают.

Все также знают о силе, которая заставляет вас падать и смущаться: гравитации.

Остальные два более неясны: сильная сила связывает протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер, тогда как слабое взаимодействие помогает атомам и субатомным частицам распадаться посредством формы радиоактивного распада.

Разработка единой теоретической основы, которая объединяет эти силы, описывая их как проявления одной большей силы, является узкой версией «всего» в TOE для физиков.

Тем не менее, «объединение четырех фундаментальных взаимодействий, если однажды оно будет подтверждено экспериментально, будет замечательным и великим достижением, но оно будет далеко от TOE, истины вселенной», — говорит Деметрис Николаидес, физик-теоретик из Bloomfield. Колледж и автор книги В поисках теории всего: философия физики. Но, эй, человек должен попробовать.

У ученых есть веские основания полагать, что они могут сформировать теорию, по крайней мере, описывающую их ограниченное «все». Ведь некоторое объединение уже произошло: физик Джеймс Клерк Максвелл более 100 лет назад свел воедино свет, электричество и магнетизм, определив их как отдельные черты большей силы электромагнетизма.

Слабое взаимодействие было следующим, кто присоединился к семейству взаимодействий после того, как ученые разработали ускорители частиц высоких энергий. Внутри этих устройств частицы могут сталкиваться почти со скоростью света. «Это эффективное исследование Вселенной при более высоких энергиях, что соответствует более раннему положению во Вселенной», — говорит Фриз. Чем больше энергия столкновения, тем ближе оно может приблизиться к воспроизведению почти непостижимо горячих и плотных условий, которые, как считается, преобладали в первые моменты после Большого взрыва. Когда ученые получают доступ к таким состояниям «молодого космоса» с помощью ускорителей частиц, они видят электромагнетизм и слабое взаимодействие, действующее как одна единственная сила — электрослабое взаимодействие — предполагая, что в ранней Вселенной эти две силы были один.

Фриз подозревает, что к ним присоединится сильное взаимодействие, если ускорители частиц смогут достичь достаточно высоких энергий, чтобы смоделировать еще более горячую и еще более молодую вселенную, в которой появятся частицы, передающие сильное взаимодействие. Но технология почти наверняка не улучшится настолько, чтобы достичь этого, говорит она.

Разобраться с последним (и, как ни странно, самым слабым) взаимодействием, гравитацией, гораздо сложнее: можно показать, что электромагнетизм, а также сильное и слабое взаимодействие в своей основе подчиняются странным, но поддающимся вычислению квантовым законам. Тем не менее, гравитация в настоящее время лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна, который касается Вселенной в больших масштабах. Эти два фреймворка плохо сочетаются друг с другом; квантовая механика и теория относительности фактически диктуют отдельные и противоречивые правила для космоса. Квантовая теория обычно рассматривает вселенную в виде крошечных кусочков или квантов, в то время как общая теория относительности считает, что космос непрерывен даже в самых маленьких масштабах.

«Главная задача при поиске TOE — найти успешную квантовую версию гравитации, то есть объединить правила квантовой теории с правилами общей теории относительности Эйнштейна — или полностью найти новые правила», — говорит Николаидес. Пока у ученых не будет теории квантовой гравитации, им вряд ли удастся объединить гравитацию с тремя другими силами.

Как всегда, у теоретиков есть некоторые спекулятивные идеи. Один называется петлевая квантовая гравитация, который утверждает, что пространство состоит из крошечных неделимых кусочков. Согласно этой теории, само пространство-время станет квантованным, что позволит ученым понять поведение крупномасштабного пространства-времени через квантовую линзу. Есть также теория струн, которая описывает Вселенную как состоящую из почти невообразимо маленьких вибрирующих струн и в текущих версиях постулирует существование как минимум 10 измерений. В этой теории вибрирующие струны будут создавать гравитоны, крошечные частицы, которые действуют в соответствии с законами квантовой механики, но обладают гравитационной силой. «Теория струн породила надежды в 1980-х годах», — говорит Карло Ровелли, выдающийся сторонник петлевой квантовой гравитации, заведующий приглашенной исследовательской кафедрой в Институте теоретической физики «Периметр» в Онтарио. Но, по его мнению, это не достойный кандидат на TOE, потому что у него не самый лучший послужной список. «По прошествии полувека он так и не был доставлен», — отмечает Ровелли. (Честно говоря, петлевая квантовая гравитация тоже не принесла домой обильного количества бекона.)

Хотя Ровелли работает над квантовая гравитация, он считает, что поиск TOE бесполезен. «Есть много открытых вопросов, на которые мы не знаем, как ответить, и я думаю, что более реалистично попытаться решить их по одному, а не пробовать единую теорию всего», — говорит он. «Кроме того, «все» — это слишком много. Мир сложен, и к нему лучше подходить с помощью множества теоретических инструментов».

Существует также довольно мрачная точка зрения, поддерживаемая Николаидесом и другими, что TOE — даже более широкое, чем определение такой теории, данное физиками —должен существует где-то там, но люди могут никогда не найти его. И даже если бы мы это сделали, «все» все равно не было бы действительно всем. «Мы могли бы, по крайней мере в принципе, знать причину каждого явления, кроме одного», — говорит он. «Мы не могли знать или объяснить самое интересное из явлений: почему существует что-то вместо ничего, почему вообще существует «природа» или «Почему эта природа с такими законами? Почему не какой-нибудь другой тип? Наука не может ответить на этот вопрос».

Но ученые, несомненно, продолжат попытки ходить на цыпочках к объединению. «Подход физиков к Вселенной — «упрощать, упрощать и еще раз упрощать», — говорит Фриз. «Если вы можете посмотреть туда и увидеть «ветер делает то» и «стул делает то», и вы можете описать их всех одним уравнением, то вы чего-то достигли. И вы можете делать прогнозы относительно того, что будет делать все остальное». Это, мягко говоря, привело к большому количеству крупных достижений на протяжении всей истории.

Если физики когда-нибудь обнаружат ОО, то достижения, которые появятся на его основе, возможно, коренным образом изменят ход человеческой истории. Или, возможно, вместо этого ОО вообще не приведет к серьезным достижениям, а лишь предложит прорывные идеи для сфер и режимов, настолько далеких от человеческого опыта, что они не имеют значения для повседневной жизни каждого. Фриз, например, сохраняет оптимизм: «Это изменило бы ситуацию так же, как это всегда делают крупные фундаментальные достижения», — говорит она. «Вы не знаете, какими они будут, пока не доберетесь туда» — это, конечно, то, что физика не может предсказать.