Фізики хочуть знайти єдину теорію, яка описує весь Всесвіт, але для цього їм доведеться вирішити найскладніші проблеми в науці. Нещодавно вийшов фільм «Теорія всього» розповідає історію Стівена Хокінга, який став всесвітньо відомим фізиком попри те, що був прикутий до інвалідного візка з молодості. Фільм в основному про життя Хокінга і його відносини з дружиною, але все ж знаходить трохи часу, щоб пояснити, на чому зробив кар'єру Хокінг.
Амбіцій, звичайно, у нього було багато. Хокінг серед багатьох фізиків намагається придумати «теорію всього», єдину теорію, яка пояснить все в нашому Всесвіті, зведе воєдино всі теорії і процеси, об'єднає те, що поки не вдалося. Він слід по стопах Альберта Ейнштейна, який теж намагався, але не зміг розробити таку теорію.
Знайти теорію всього було б приголомшливим досягненням, осмисленням всіх дивних і дивовижних речей у Всесвіті. Десятиліттями фізики говорили і продовжують говорити, що теорія за все не за горами. Виходить, ми стоїмо на порозі розуміння всього?
На перший погляд, теорія звучить як важке завдання. Вона повинна пояснити все, від творів Шекспіра до людського мозку, все, що є на Землі і за її межами, каже Джон Барроу з Кембриджського університету у Великобританії. «Це питання про Всесвіт».
Проте Барроу думає, що знайти теорію всього «цілком можливо». Тому що «закони природи нечисленні, прості, симетричні і є всього чотири фундаментальних сили». У певному сенсі ми повинні відкласти в сторону складність світу, в якому живемо. «Результати законів - то, що ми бачимо навколо - нескінченно складніше», - говорить Барроу. Але правила, за ними стоять, можуть бути простими.
У 1687 році багатьом вченим здавалося, що теорія всього виявлено.
За словами Джона Кондуітт, помічника Ньютона, побачивши яблука, падаючого на землю, Ньютону спало на думку, що гравітаційна сила «була обмежена певним відстанню від землі, а простягається набагато далі, ніж вважалося зазвичай». На думку Кондуітт, Ньютон задався питанням: а чому аж не до Місяця?
Натхненний своїми здогадками, Ньютон розробив закон всесвітнього тяжіння, який однаково добре працював і з яблуками на Землі, і з планетами, що обертаються навколо Сонця. Всі ці об'єкти, не дивлячись на відмінності, підкоряються одним законам.
«Люди думали, що він пояснив все, що потребувало поясненні, - говорить Барроу. - Його досягнення було великим ».
Проблема в тому, що Ньютон знав, що в його роботі зяють дірки.
Наприклад, гравітація не пояснює, як невеликі об'єкти утримуються разом, оскільки ця сила не так вже й велика. Крім того, хоча Ньютон міг пояснити, що відбувається, він не міг пояснити, як це працює. Теорія була неповною.
Була проблема і побільше. Хоча закони Ньютона пояснили найбільш поширені явища у Всесвіті, в деяких випадках об'єкти порушували його закони. Ці ситуації були рідкісними і зазвичай включали високі швидкості або підвищену гравітацію, але вони були.
Однією з таких ситуацій стала орбіта Меркурія, найближчої до Сонця планети. Як і будь-яка інша планета, Меркурій обертається навколо Сонця. Закони Ньютона можна було застосувати для розрахунку рухів планет, але Меркурій не хотів грати за правилами. Що більше дивно, його орбіта не мала центру. Стало зрозуміло, що універсальний закон всесвітнього тяжіння був не так вже й універсальний, та й не закон зовсім.
Ключова ідея полягає в тому, що простір і час, які здаються різними речами, насправді переплітаються. У простору є три виміри: довжина, ширина і висота. Час є четвертим виміром. Всі чотири пов'язані у вигляді гігантської космічної клітини. Якщо ви коли-небудь чули фразу «просторово-часової континуум», саме про нього мова і йде.
Велика ідея Ейнштейна полягала в тому, що важкі об'єкти на зразок планет або швидко рухомі можуть викривляти простір-час. Трохи схоже на туго натягнутий батут: якщо ви поставите що-небудь важке на тканину, утворюється провал. Будь-які інші об'єкти будуть скочуватися по нахилу до об'єкта в западині. Тому, на думку Ейнштейна, гравітація притягує об'єкти.
Ідея дивна по своїй суті. Але фізики переконані, що так і є. Також вона пояснює дивну орбіту Меркурія. Відповідно до загальної теорії відносності, гігантська маса Сонця викривляє простір і час навколо. Будучи найближчої до Сонця планетою, Меркурій відчуває набагато більші викривлення, ніж інші планети. Рівняння загальної теорії відносності описують, як це викривлене простір-час впливає на орбіту Меркурія, і дозволяють передбачити положення планети.
Однак, незважаючи на свій успіх, теорія відносності не є теорією всього, як і теорії Ньютона. Як і теорія Ньютона не працює для по-справжньому потужних об'єктів, теорія Ейнштейна не працює в микромасштабах. Як тільки ви починаєте розглядати атоми і все, що менше, матерія починає вести себе дуже дивно.
Але і на цьому ще не все. З тих пір вчені знаходили способи ділити матерію на все менші і менше частини, продовжуючи уточнювати наше розуміння фундаментальних частинок. До 1960-х років вчені знайшли десятки елементарних частинок, склавши довгий список так званого зоопарку частинок.
Наскільки ми знаємо, з трьох компонентів атома єдиною фундаментальною частинкою залишився електрон. Нейтрони і протони діляться на крихітні кварки. Ці елементарні частинки підкоряються зовсім іншому набору закону, відмінному від тих, яким підкоряються дерева або планети. І ці нові закони - які були набагато менш передбачуваними - зіпсували фізикам все настрій.
У квантовій фізиці у частинок немає певного місця: їх місцезнаходження трохи змазано. Немов у кожної частинки є певна ймовірність знаходження в певному місці. Це означає, що світ за своєю суттю фундаментально невизначений місце. Квантову механіку навіть зрозуміти складно. Як сказав одного разу Річард Фейнман, експерт в квантовій механіці, «думаю, я можу з упевненістю сказати, що ніхто не розуміє квантову механіку».
Ейнштейн теж був стурбований розмитістю квантової механіки. Незважаючи на те, що він її, по суті, частково винайшов, сам Ейнштейн ніколи не вірив в квантову теорію. Але в своїх палатах - великих і малих - як загальна теорія відносності, так і квантова механіки довели право на неподільну владу, будучи надзвичайно точними.
Квантова механіка пояснила структуру і поведінку атомів, включаючи те, чому деякі з них є радіоактивними. Також вона лежить в основі сучасної електроніки. Ви не змогли б прочитати цю статтю без неї.
Загальна теорія відносності передбачила існування чорних дір. Цих масивних зірок, які коллапсировать самі в себе. Їх гравітаційне тяжіння настільки потужне, що навіть світло не може його покинути.
Проблема в тому, що ці дві теорії несумісні, тому не можуть бути вірними одночасно. Загальна теорія відносності говорить, що поведінки об'єктів можуть бути точно передбачити, тоді як квантова механіка каже, що ви можете знати тільки ймовірність того, що будуть робити об'єкти. З цього випливає, що залишаються деякі речі, які фізики досі не описали. Чорні діри, наприклад. Вони досить масивні, щоб до них була застосована теорія відносності, а й досить малі, щоб можна було застосувати квантову механіку. Якщо ви не опинитеся близько до чорної діри, ця несумісність не впливатиме на ваше повсякденне життя. Але викликає подив у фізиків більшу частину минулого століття. Саме така несумісність змушує шукати теорію всього.
Ейнштейн провів більшу частину свого життя, намагаючись знайти таку теорію. Не будучи фанатом випадковості квантової механіки, він хотів створити теорію, яка об'єднає гравітацію і решту фізику, щоб квантові дивацтва залишилися вторинними наслідками.
Його основним завданням було змусити гравітацію працювати з електромагнетизмом. У 1800-х роках фізики з'ясували, що електрично заряджені частинки можуть притягатися або відштовхуватися. Тому деякі метали притягуються магнітом. Очевидно, якщо два види сил, які об'єкти можуть надавати один на одного, вони можуть притягатися за допомогою гравітації і притягатися або відштовхуватися за рахунок електромагнетизму.
Ейнштейн хотів об'єднати ці дві сили в «єдину теорію поля». Щоб зробити це, він розтягнув простір-час в п'ять вимірів. Разом з трьома просторовими і одним тимчасовим вимірами він додав п'ятий вимір, яке повинно бути настільки маленьким і згорнутим, що ми не змогли б його бачити.
Це не спрацювало, і Ейнштейн витратив 30 років на порожні пошуки. Він помер в 1955 році, і його єдина теорія поля не була розкрита. Але в наступному десятилітті з'явився серйозний суперник для цієї теорії: теорія струн.
Теорія струн Струнна теорія
Ідея в основі теорії струн досить проста. Основні інгреденти нашого світу на зразок електронів - це не частинки. Це крихітні петлі або «струни». Просто оскільки струни дуже маленькі, вони здаються точками.
Як і струни на гітарі, ці петлі знаходяться під напругою. Значить, вібрують на різних частотах в залежності від розміру. Ці коливання визначають, який сорт «частки» представлятиме кожна струна. Вібрація струни одним способом дасть вам електрон. Іншим - що-небудь інше. Всі частинки, відкриті в 20 столітті, є одні види струн, просто вібруючих по-різному.
Досить складно відразу зрозуміти, чому це хороша ідея. Але вона підходить для всіх сил, що діють в природі: гравітації і електромагнетизму, плюс ще двох, відкритих в 20 столітті. Сильні і слабкі ядерні сили діють тільки в межах крихітних ядер атомів, тому їх довго не могли виявити. Сильна сила утримує ядро разом. Слабка сила зазвичай нічого не робить, але якщо набирає досить сили, розбиває ядро на частини: тому деякі атоми радіоактивні.
Будь теорії всього доведеться пояснити всі чотири. На щастя, дві ядерні сили і електромагнетизм повністю описуються квантовою механікою. Кожна сила переноситься спеціалізованої часткою. Але немає жодної частки, яка переносила б гравітацію.
Деякі фізики думають, що вона є. І називають її «Гравітоном». У Гравітон немає маси, особливий спин і вони рухаються зі швидкістю світла. На жаль, їх поки не знайшли. І тут на сцену виходить теорія струн. Вона описує струну, яка виглядає точно як гравітон: має коректний спин, не володіє масою і рухається зі швидкістю світла. Вперше в історії теорія відносності і квантова механіка намацали загальну грунт.
В середині 1980-х років фізики були захоплені теорією струн. «У 1985 році ми зрозуміли, що теорія струн вирішує купу проблем, які мучили людей останні 50 років», - каже Барроу. Але і у неї виявилися проблеми.
По-перше, «ми не розуміємо, чим є струнна теорія, в потрібних деталях», говорить Філіп Канделас з Оксфордського університету. «У нас немає хорошого способу її описати».
Крім того, деякі прогнози виглядають дивно. У той час як теорія єдиного поля Ейнштейна покладається на додаткове приховане вимір, найпростіші форми теорії струн потребують 26 вимірах. Вони потрібні, щоб пов'язати математику теорію з тим, що ми вже знаємо про Всесвіт.
Більш просунуті версії, відомі як «теорії суперструн», обходяться десятьма вимірами. Але навіть це не стикується з трьома вимірами, які ми спостерігаємо на Землі.
«З цим можна впоратися, якщо допустити, що тільки три виміри розширилися в нашому світі і стали великими, - говорить Барроу. - Інші присутні, але залишаються фантастично малими ».
Через ці та інші проблеми, багато фізиків не люблять теорію струн. І пропонують іншу теорію: петлевая квантова гравітація.
Петльова квантова гравітація
Ця теорія не ставить перед собою завдання об'єднати і включити всі, що є у фізиці частинок. Замість цього петлевая квантова гравітація просто намагається вивести квантову теорію гравітації. Вона більш обмежена, ніж теорія струн, але не настільки громіздка. Петльова квантова гравітація передбачає, що простір-час розділено на невеликі шматочки. Здалеку здається, що це гладкий лист, але при найближчому розгляді видно купу точок, з'єднаних лініями або петельками. Ці маленькі волокна, які сплітаються, пропонують пояснення гравітації. Ця ідея так само незбагненна, як струнна теорія, і має схожі проблеми: немає ніяких експериментальних підтверджень.
Чому ці теорії до сих пір обговорюються? Можливо, ми просто не знаємо достатньо. Якщо будуть виявлені великі явища, яких ми ніколи не бачили, ми можемо намагатися зрозуміти велику картину, а відсутні частини головоломки доберемо потім.
Є й інша проблема. Ці теорії складно перевірити, в значній мірі тому, що у них вкрай жорстока математика. Канделас намагався знайти спосіб перевірити теорію струн протягом багатьох років, але так і не зміг.
«Головною перешкодою на шляху просування теорії струн залишається недостатній розвиток математики, яка повинна супроводжувати фізичні дослідження, - говорить Барроу. - Вона знаходиться на ранньому етапі, ще багато чого потрібно дослідити ».
При цьому теорія струн залишається багатообіцяючою. «Протягом багатьох років люди намагалися об'єднати гравітацію з іншою фізикою, - каже Канделас. - У нас були теорії, які добре пояснювали електромагнетизм і інші сили, але не гравітацію. З теорією струн ми намагаємося їх об'єднати ».
Реальна проблема полягає в тому, що теорію всього може бути просто неможливо ідентифікувати.