|
Что такое теория всего и почему она так важна
|
|
|
|
С помощью интернета можно узнать все, — от устройства двигателя внутреннего сгорания до скорости расширения Вселенной. Но есть вопросы, ответы на которые не знает не только Google, но даже величайшие ученые современности. Если вам вдруг посчастливиться побеседовать с последними лауреатами Нобелевской премии по физике — не спрашивайте у них о экзопланетах и темной материи, они и так говорили об этом сотни раз.
|
|
|
|
Спросите лучше, почему разные объекты в нашем мире подчиняются разным законам физики. Например, почему планеты, звезды и другие большие объекты взаимодействуют друг с другом, следуя определенным законам а частицы на мельчайшем уровне, вроде атомов, подчиняются только сами себе. Такой вопрос поставит в тупик обывателя, а образованный человек отвечая на него расскажет, почему современная наука зашла в тупик, в чем разница между Стандартной моделью физики и общей теорией относительности (далее — ОТО), а также почему значение бозонов Хиггса и теории струн на самом деле переоценено.
|
|
|
Несмотря на эти объяснения, никто, включая воскресшего Альберта Эйнштейна, не сможет вам объяснить разную природу физических явлений на микро- и макроуровнях. Если же вы сами можете решить эту проблему — поздравляем, вы — первый автор теории всего, величайший мозг в истории человечества, лауреат всех возможных премий и отец (или мать)-основатель новой физики. Но, прежде чем представить миру революционное открытие, лучше разобрать, что означает теория всего, на какие вопросы она должна ответить, и кто больше всего приблизился к ее открытию.
|
|
|
|
Теория всего — это объединение двух самых известных концепций современной физики — ОТО Альберта Эйнштейна и квантовой механики. Первая теория описывает все, что нас окружает в виде пространства-времени, а также взаимодействие всех объектов во Вселенной с помощью одной лишь гравитации. Квантовая механика, в свою очередь, описывает взаимодействие элементарных частиц с помощью сразу трех показателей — электромагнитного, и сильного/слабого ядерного взаимодействия.
|
|
|
|
Таким образом, говорит о гравитации и больших объектах вроде планет и звезд, а квантовая механика — об элементарных частицах и их электромагнитном и слабом/сильном ядерном взаимодействии. Вернемся к этому несколько позже.
|
|
|
|
Наследник Ньютона
|
|
|
|
Впервые ОТО озвучил Альберт Эйнштейн. Тогда еще молодой сотрудник австрийского патентного бюро дополнил классическую теорию тяготения Ньютона и описал в ней все неизвестные. В частности, благодаря этому открытию люди узнали, что такое гравитация на самом деле, и как она определяет взаимодействие не только между яблоком и Землей, но и между Солнцем и всеми планетами в Солнечной системе.
|
|
|
|
Эйнштейн предположил, что пространство и время связаны между собой и формируют единый пространственно-временной континуум — основу для возникновения сил тяготения всех объектов. В отличие от теории Ньютона, этот континуум (или пространство-время) — гибкий и может изменять свою форму в зависимости от массы объектов и, соответственно, их энергии.
|
|
|
|
Догадки Эйнштейна подтвердили на практике только несколько лет назад, когда заметили, как свет — и, соответственно, пространство-время, — искривляется, проходя возле массивного объекта — Солнца — из-за воздействия гравитации. Даже без этих доказательств, ОТО давно стала основой для современной физики, и пока никто не смог предложить более обоснованное объяснение гравитации тел и полей в пространстве.
|
|
|
|
Несмотря на это, само пространство-время до сих пор остается малоизученным, и ученые не знают, как оно формируется и из чего состоит. Ответы на эти вопросы только начинают искать в квантовой механике — теоретическом разделе физики, который описывает природу физических явлений на уровне молекул, атомов, электронов, фотонов и других мельчайших частиц.
|
|
|
|
Квантовая механика
|
|
|
|
Согласно теории Эйнштейна, воздействию гравитации должны поддаваться абсолютно все объекты во Вселенной. Но, одновременно с открытием ОТО, другие ученые исследовали, как взаимодействуют объекты на субатомном уровне. Оказалось, что гравитация в таких масштабах совершенно бесполезна. Вместо этого, определяющими стали электромагнитное и слабое/сильное ядерное взаимодействие. С помощью этих сил между собой взаимодействуют мельчайшие частицы — фотоны, глюоны и бозоны.
|
|
|
|
Но, ученым все еще неизвестно, по каким именно принципам взаимодействуют эти частицы, ведь они могут иметь чрезвычайно высокую плотность энергии, и все равно не поддаются воздействию гравитации. Отсюда — такие необъяснимые явления как корпускулярно-волновой дуализм (проявления частицей свойства волны), а также эффект наблюдателя с вытекающими в виде живого и мертвого кота Шредингера.
|
|
|
|
Из-за этого лбами столкнулись два мира физики — эйнштейновский, где все объекты имеют определенные свойства, поддаются воздействию гравитации, могут быть описаны и предсказуемы, и квантовый, где бушует совершенно иная, непредсказуемая жизнь, в которой все постоянно меняется и нивелирует понятие пространства-времени как такового.
|
|
|
|
Что нужно сделать, чтобы объединить эти два мира? Мы говорили о гравитации в ОТО и о электромагнитном, сильном/слабом ядерном взаимодействии в Стандартной модели физики. Так вот, гравитация — практически идеальна, она позволяет нам понять почти все, что нас окружает, но она не учитывает то самое необъяснимое поведение частиц на мельчайшем уровне. Электромагнитное и сильное/слабое ядерное взаимодействие — это альтернативная часть физики, которая скрывает новые открытия и представляет огромный пласт для исследований, но не учитывает гравитационных законов ОТО.
|
|
|
|
Последним этапом исследований и жизни Альберта Эйнштейна было создание теории квантовой гравитации, которая позволила бы объединить все возможные взаимодействия объектов на макро- и микроуровнях, а также объяснить, почему они ведут себя по-разному. Эйнштейн так и не смог найти ответы на эти вопросы, а после него возможное объединение ОТО и квантовой механики стали называть теорией всего.
|
|
|
|
Теория всего
|
|
|
|
В поисках теории всего ученые исследовали одни из самых необычных объектов во Вселенной — черные дыры. Они настолько тяжелые, что поддаются воздействию гравитации, и настолько сжаты, что при попадании в черную дыру теоретически можно наблюдать квантовые эффекты. Но, к сожалению, пока кроме противоречащего квантовой механике излучения Хокинга и недавнего фото горизонта событий черные дыры мало в чем помогли современной науке. Даже если они и существуют, достичь их — практически невозможная задача для человека.
|
|
|
|
Теорию всего стали искать на Земле с помощью различных мысленных экспериментов и свойств квантовой механики и ОТО, которые потенциально могли бы дополнить друг друга. На сегодня, пожалуй, наиболее популярным и приближенным к истине вариантом теории всего является теория струн. В ней говорится, что любая частица — это одномерная струна, которая вибрирует в 11-мерной реальности, и, в зависимости от этих вибраций, определяется ее масса и заряд.
|
|
|
|
Среди прочих, главным свойством струны является то, что она может передавать гравитацию на квантовом уровне. Если бы такая теория была подтверждена на практике — струны могли бы стать первым шагом к объединению квантовой механики с ОТО. Но, к сожалению, пока никто не смог ее доказать и заявить, что струны — это носитель гравитации на субатомном уровне. Ровно как и недавно обнаруженный бозон Хиггса не стал желанным гравитоном.
|
|
|
|
Да, мы все еще не знаем, откуда берется масса многих элементарных частиц и по какому принципу они взаимодействуют между собой, но это не мешает современным физикам предлагать все новые и новые «теории всего».
|
|
|
|
Недавно, к примеру, физики из Китая, Германии и Канады проверяли теорию квантового дарвинизма Войцеха Зурека, которая якобы объясняет, как квантовые частицы оставляют свои следы в доступном нам макромире. Но даже в случае подтверждения нахождения частиц в двух состояниях одновременно — это лишь подтверждение взаимодействия квантовой механики ОТО, а никак не объяснение этого.
|
|
|
|
Другой американский физик-теоретик из Университета Мэриленд Брайан Свингл и вовсе взялся описать природу возникновения пространства-времени и решил, что квантовая запутанность может формировать континуум Эйнштейна. Свингл предположил, что четырехмерная структура пространства-времени (длина, ширина, глубина и время) может быть закодирована в трехмерной квантовой физике (с теми же измерениями, только без времени). По мнению физика, гравитацию и ОТО стоит объяснять через свойства квантовой механики, а никак не наоборот, что сделало этот эксперимент довольно противоречивым.
|
|
|
|
Существуют еще десятки подобных сложных и даже неплохо аргументированных теорий, но ни одну из них пока нельзя назвать теорией всего. Возможно, это и хорошо, поскольку человек пытается понять, как взаимодействуют атомы и звезды только последнее столетие, а Вселенная существует уже почти 14 млрд лет.
|
|
|
|
Самый известный современный исследователь теории всего — Стивен Хокинг — к концу своей жизни пришел к выводу, что ее невозможно найти. Но, это не стало для него разочарованием, а, как он заявил позже, наоборот, привело к пониманию того, что человек будет развиваться постоянно: «Теперь я рад, что наш поиск понимания никогда не закончится, и что мы всегда будем испытывать новые открытия. Без этого мы бы стояли на месте».
|
|
|
|
Источник
|
