В основе слова «физика» лежит древнегреческое «physis», означающее «природа». Физика стремится к изучению природы, объяснению происходящих в ней явлений и прогнозированию будущих событий. Еще в IV веке до нашей эры Аристотель заложил фундамент физики как науки в своем труде «Физика». С тех пор были раскрыты многие секреты природы. Однако, чем больше мы узнавали, тем больше вопросов возникало. И, пожалуй, главный из них: как найти единое объяснение всем явлениям? Для ответа на него необходимо создать Теорию всего.
Стандартная модель и ее сводная сестра
В процессе исследования внутренней структуры материи и поиска ее базовых, неразложимых на более мелкие составляющие частиц, исследователи в конечном итоге выявили кварки и лептоны. Адроны, такие как протоны и нейтроны, формирующие ядро атома, ранее воспринимавшегося как неразделимая структура, состоят из кварков. Именно поэтому Большой адронный коллайдер получил такое название. Электрон, являющийся наиболее известным представителем лептонов, находится в электронном облаке, окружающем это ядро.
На данный момент известно, что все эти частицы взаимодействуют посредством четырех типов сил, или фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного. Однако, вероятно, их число больше, но другие пока не идентифицированы.
Гравитация – это сила, притягивающая объекты, содержащие массу. Электромагнитное взаимодействие определяет взаимодействие тел, несущих электрические заряды. Сильные ядерные силы обеспечивают сцепление протонов и нейтронов в ядре атома, а также кварков, составляющих протоны и нейтроны. Слабые взаимодействия управляют такими явлениями, как радиоактивный распад.
Каждое из этих взаимодействий можно описать как обмен частицами-квантами. Глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия. Именно они, по сути, удерживают кварки вместе, формируя протоны и нейтроны. Название этих частиц неслучайно: в английском языке «glue» переводится как «клей».
Роль в передаче слабого взаимодействия выполняют W- и Z-бозоны. Фотоны отвечают за электромагнитное взаимодействие, которое также хорошо изучено. У каждого типа взаимодействия существует своя теория, которая описывает его особенности.
Здесь Стандартная модель, представляющая собой теоретическую основу в физике элементарных частиц, оказывается недействительной. А что насчет гравитации? Существует ли у нее квантовое представление?
Используя элементарные частицы для моделирования основных взаимодействий, можно предположить, что гравитационное взаимодействие опосредуется некой базовой частицей.
Эта частица пока не обнаружена, она считается гипотетической, но ей уже дали название – гравитон. Квантовая теория гравитации до сих пор не разработана. В настоящее время для описания гравитации используется Общая теория относительности Эйнштейна. Однако она существенно отличается от других теорий и выделяется как самостоятельная. Создание единой теоретической модели, объединяющей все четыре взаимодействия, или так называемой Теории всего, остается давней целью физиков.
От Ньютона – до Эйнштейна, от яблок – до черных дыр
Яблоня, росшая в саду дома Исаака Ньютона, более столетия являлась экспонатом музея и привлекала посетителей на экскурсии. Однако, наиболее известная история о том, как Ньютон открыл Закон всемирного тяготения, когда яблоко упало ему на голову, вероятно, является лишь легендой. Этот рассказ о падающем яблоке ученый придумал для своей племянницы, чтобы упростить понимание сути закона. Тем не менее, можно утверждать, что именно с формулирования этого закона начались попытки последовательно описывать окружающий нас мир с помощью физических принципов.
Идея всеобщего тяготения не была открытием Ньютона, она высказывалась и ранее. Однако до него никому не удавалось четко и с помощью математики установить связь между законом тяготения и законами движения небесных тел. Благодаря открытию Ньютона стало возможным объединить небесную и земную сферы, которые ранее рассматривались как не связанные между собой.
Ньютоновская теория тяготения на протяжении длительного времени находила полное подтверждение в наблюдаемых явлениях. Закон всемирного тяготения позволял описать траекторию падения яблока и предсказать орбиту планет вокруг Солнца. Однако, существовало одно исключение.
В 1859 году физиков удивило аномальное смещение перигелия Меркурия, которое показало, что ближайшая к Солнцу планета не соответствует Закону всемирного тяготения. Даже несмотря на то, что это отклонение в движении Меркурия было незначительным, требовалось его объяснение. Для этого необходимо было разработать новое понимание гравитации.
Пересмотр представлений о гравитации произошел лишь в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн предложил свою Общую теорию относительности. Массивное солнце деформирует пространство и время в своей окрестности, что влияет, в том числе, на траекторию вращения расположенной рядом планеты.
С практической точки зрения ОТО превосходна. Она многократно подтверждена наблюдениями и повсеместно используется на практике. Без Теории относительности не было бы, к примеру, спутниковых навигационных систем.
Несмотря на это, у нее есть один значительный недостаток – классическое построение квантово-полевой модели для нее невозможно. Она не имеет сходства с квантовой механикой. Физики говорят, что это принципиально иная область с собственными законами и особенностями.
На пути объединения
Впервые различные физические силы были объединены в 1873 году. Британский физик и математик Джеймс Максвелл в своей работе «Трактат по электричеству и магнетизму» продемонстрировал, что электричество и магнетизм – это проявления единой силы, электромагнетизма. Ранее эти явления рассматривались как две отдельные и независимые силы.
Примерно через столетие, в 1967 году, американские физики Шелдон Ли Глэшоу и Стивен Вайнберг, а также Абдус Салам, пакистанский физик-теоретик, разработали Теорию электрослабого взаимодействия. Эта теория описывает два из четырех известных фундаментальных взаимодействий – слабое и электромагнитное. Согласно ей, электромагнитное и слабое взаимодействия являются разными аспектами единой силы. При обычных, низких энергиях эти взаимодействия не демонстрируют общих черт, однако при энергиях, превышающих энергию объединения (порядка 100 ГэВ), они объединяются в единое электрослабое взаимодействие. Ранее они были объединены в первые моменты после Большого взрыва.
В 70-е годы прошлого века для сильного взаимодействия была разработана собственная теория – квантовая хромодинамика. На данный момент не удалось убедительно объединить это третье фундаментальное взаимодействие с первыми двумя. Теоретическая модель, которая описывает сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия единым образом, получила название Теории Великого объединения.
Многие физики-теоретики полагают, что объединение взаимодействий без учета гравитации нецелесообразно, поскольку они уже взаимосвязаны и описываются Стандартной моделью. Достижение Великого объединения возможно только посредством разработки Теории всего.
По мнению исследователей, при достижении экстремально высоких энергий все фундаментальные взаимодействия становятся единым целым. Учитывая это, предположительно, условия, необходимые для Великого объединения, могли существовать во Вселенной в течение очень короткого времени сразу после Большого взрыва. Речь идет о периоде примерно 13-14 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял от 10-43 до 10-36 секунд. После этого взаимодействия начали разделяться и развиваться независимо: первым отделилась гравитация, затем сильное, а впоследствии слабое и электромагнитное взаимодействия.
Разные королевства
Однако, если три фундаментальных взаимодействия, описываемых Стандартной моделью, успешно объясняются с помощью квантовой механики, то Теория относительности, теория, которая описывает гравитацию, существенно отличается. Квантовая механика, объясняющая поведение элементарных частиц, и Общая теория относительности базируются на различных принципах. Первая представлена как теория, описывающая изменение физических систем во времени (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй же внешнее пространство-время отсутствует как таковое – оно само выступает в роли динамической переменной теории, зависящей от свойств классических систем, находящихся в нем.
У каждой из этих теорий существуют ограничения, за пределами которых их применение становится невозможным. Квантовая механика применима к микроскопическим масштабам и описывает строение и поведение атомов. Общая теория относительности же рассматривает объекты с огромной массой и скоростью.
Обычно эти явления не связаны между собой и существуют в отдельных системах. В некоторых случаях можно не учитывать квантовые эффекты, а в других – гравитационные. Тем не менее, во Вселенной есть области, где эти системы взаимодействуют, – черные дыры. Они обладают огромной массой, но при этом характеризуются чрезвычайно малым размером.
Существует и еще одна причина несовместимости. Общая теория относительности предполагает, что поведение объекта можно точно предсказать. Однако в квантовой механике ситуация иная: мы можем определить лишь вероятность того, как будет вести себя тот или иной объект.
В течение почти всех последних лет жизни Эйнштейн был поглощен разработкой своей объединительной теории. Он не принимал принцип неопределенности, лежащий в основе квантовой механики, и стремился создать теорию, которая объединила бы гравитацию и другие области физики, чтобы объяснить эти квантовые явления как менее значимые следствия. В одном из писем, адресованном стороннику этого принципа, Максу Борну, он написал: «Бог не играет в кости». В ответ он получил: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».
Целью ученого было взаимодействие гравитации и электромагнетизма, а также их объединение в рамках Теории единого поля. Для достижения этой цели он искажал пространство-время, увеличивая его размерность до пяти измерений. К уже существующим трем пространственным и одному временному измерениям был добавлен пятое, которое предполагалось сделать настолько малым и свернутым, что оно было бы незаметно. Однако, предложенный метод оказался безрезультатным.
Струны, петли и браны
С тех пор физики во всем мире стремятся разработать объединительную теорию. Существует несколько подходов к решению этой задачи, некоторые из которых имеют различные модификации. Наиболее перспективной кандидаткой на роль Теории всего является Теория струн.
В основе этой концепции лежит несложное допущение. Наименьшие компоненты нашего мира не являются точечными объектами, как мы привыкли думать. Это струны, или, более точно, одномерные протяженные объекты, известные как квантовые струны. Их размер чрезвычайно мал, длина составляет приблизительно 10⁻³³ сантиметров. Как и струны гитары, квантовые струны находятся в натянутом состоянии и способны к вибрациям. Специфика этих колебаний определяет свойства материи, тем самым воссоздавая всё разнообразие элементарных частиц. Вибрация струны на определенной частоте порождает глюон, на другой – кварк, на третьей – нейтрино. К тому же, струны могут быть как замкнутыми, так и открытыми.
Теория струн позволяет устранить некоторые препятствия, мешавшие ранее построить логически последовательную квантовую теорию гравитации. Она позволяет описать струну, которая выглядит точно как гравитон – гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия и квант гравитационного поля.
У нее также имеются свои трудности. В то время как теория единства поля Эйнштейна постулировала наличие лишь одного дополнительного, скрытого измерения, наиболее простые варианты теории струн требуют наличие двадцати шести.
Теория суперструн, разработанная в 1980-х годах и имеющая пять различных версий, предполагает наличие десяти измерений. Представить их непросто, учитывая, что в нашем мире мы воспринимаем лишь три пространственных. Физики предлагают рассматривать эти три измерения как расширенные и увеличенные, в то время как остальные существуют, но остались невероятно малыми.
Не все сторонники поддерживают идеи Теории струн, поэтому существует альтернативный кандидат – петлевая квантовая гравитация.
Если Теория струн претендует на доминирование над другими теориями, то Теория петлевой квантовой гравитации представляет собой ключевой элемент квантовой механики. Её цель – объединить гравитацию с квантовыми явлениями и разработать для неё квантовую теорию.
Общая теория относительности трактует пространство-время как классическую систему, что препятствует возможности описания гравитации с помощью методов, используемых в физике элементарных частиц. Теория петлевой гравитации предлагает решение этой задачи. Согласно ей, пространство и время состоят из отдельных, дискретных единиц – петелек, размеры которых сопоставимы с планковской длиной, приблизительно равной 1,6×10⁻³⁵ метров.
Квантовые ячейки пространства, известные как петли, связаны между собой особым образом. На малых масштабах времени и расстояния это взаимодействие приводит к формированию прерывистой, дискретной структуры пространства, которая на больших масштабах плавно перетекает в непрерывное, гладкое пространство-время, как это описано в общей теории относительности.
Несмотря на это, Теория струн не теряет своей актуальности. Ранее было указано, что ее усовершенствованная версия уже включала пять различных вариантов. Однако прошло еще десятилетие, и в 1990-х годах физики выяснили, что все они могут быть преобразованы друг в друга. Описания различаются, но лежащая в их основе концепция остается неизменной. Именно поэтому в 1995 году появилась М-теория, которую с иронией называют «матерью всех теорий струн».
Она предполагает, что окружающий нас мир имеет 11 пространственно-временных измерений. В этой модели присутствуют пространства с меньшими размерностями, известные как браны, а наша Вселенная является лишь одной из них. Она содержит разнообразные квантовые частицы, которые, по сути, представляют собой струны.
Концы открытых струн фиксируются внутри бран. Струна не может покинуть брану. Однако замкнутые струны, наоборот, способны перемещаться за пределы бран. Эти «свободные» струны являются гравитонами, частицами, отвечающими за гравитационное взаимодействие.
Несмотря на это, М-теория не дала нам значительного прогресса в понимании Вселенной. Вместо этого она не предполагает существование единой, всеобъемлющей Теории всего, а указывает на возможность существования множества теорий. Каждая из них способна убедительно описывать Вселенную. Однако, одновременно с этим, предполагается существование огромного числа вселенных. Если быть точнее, их количество оценивается как 10 в 500 степени. Это колоссальное скопление вселенных, известное как Мультивселенная, и наша Вселенная – лишь её часть.