Теория всего
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, ОТО - это 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 миллиард 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».
https://techno.nv.ua/popscience/teoriya-vsego-chto-eto-takoe-i-zachem-ona-nuzhna-50052222.html
...