Что такое Теория всего? Максимально доступно

Прозрение Ньютона

Английский физик Исаак Ньютон опубликовал книгу, в которой объяснил движение объектов и принцип действия гравитации. «Математические начала натуральной философии» подарили вещам в мире установленные места. История гласит, что в возрасте 23 лет Ньютон отправился в сад и увидел, как с дерева падает яблоко. В то время физики знали, что Земля каким-то образом притягивает объекты с помощью гравитации. Ньютон развил эту идею.

По словам Джона Кондуитта, помощника Ньютона, при виде яблока, падающего на землю, Ньютону пришла мысль, что гравитационная сила «не была ограничена определенным расстоянием от земли, а простирается гораздо дальше, чем считалось обычно». По мнению Кондуитта, Ньютон задался вопросом: а почему аж не до Луны?

Вдохновленный своими догадками, Ньютон разработал закон всемирного тяготения, который одинаково хорошо работал и с яблоками на Земле, и с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Все эти объекты, несмотря на различия, подчиняются одним законам.

«Люди думали, что он объяснил все, что нуждалось в объяснении, — говорит Барроу. — Его достижение было великим».

Проблема в том, что Ньютон знал, что в его работе зияют бреши.

К примеру, гравитация не объясняет, как небольшие объекты удерживаются вместе, поскольку эта сила не так уж и велика. Кроме того, хотя Ньютон мог объяснить, что происходит, он не мог объяснить, как это работает. Теория была неполной.

Была проблема и побольше. Хотя законы Ньютона объяснили наиболее распространенные явления во Вселенной, в некоторых случаях объекты нарушали его законы. Эти ситуации были редкими и обычно включали высокие скорости или повышенную гравитацию, но они были.

Одной из таких ситуаций стала орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Как и любая другая планета, Меркурий вращается вокруг Солнца. Законы Ньютона можно было применить для расчета движений планет, но Меркурий не хотел играть по правилам. Что более странно, его орбита не имела центра. Стало понятно, что универсальный закон всемирного тяготения был не так уж и универсален, да и не закон вовсе.

Более двух веков спустя Альберт Эйнштейн пришел на помощь со своей теорией относительности. Идея Эйнштейна, которой в 2015 году исполняется 100 лет, предоставила более глубокое понимание гравитации.

Видео

Теория струн

Идея в основе теории струн довольно проста. Основные ингреденты нашего мира вроде электронов — это не частицы. Это крошечные петли или «струны». Просто поскольку струны очень маленькие, они кажутся точками.

Как и струны на гитаре, эти петли находятся под напряжением. Значит, вибрируют на разных частотах в зависимости от размера. Эти колебания определяют, какой сорт «частицы» будет представлять каждая струна. Вибрация струны одним способом даст вам электрон. Другим — что-нибудь другое. Все частицы, открытые в 20 веке, представляют собой одни виды струн, просто вибрирующих по-разному.

Довольно сложно сразу понять, почему это хорошая идея. Но она подходит для всех сил, действующих в природе: гравитации и электромагнетизма, плюс еще двух, открытых в 20 веке. Сильные и слабые ядерные силы действуют только в пределах крошечных ядер атомов, поэтому их долго не могли обнаружить. Сильная сила удерживает ядро вместе. Слабая сила обычно ничего не делает, но если набирает достаточно силы, разбивает ядро на части: поэтому некоторые атомы радиоактивны.

Любой теории всего придется объяснить все четыре. К счастью, две ядерные силы и электромагнетизм полностью описываются квантовой механикой. Каждая сила переносится специализированной частицей. Но нет ни одной частицы, которая переносила бы гравитацию.

Некоторые физики думают, что она есть. И называют ее «гравитоном». У гравитонов нет массы, особый спин и они движутся со скоростью света. К сожалению, их пока не нашли. И здесь на сцену выходит теория струн. Она описывает струну, которая выглядит точно как гравитон: имеет корректный спин, не обладает массой и движется со скоростью света. Впервые в истории теория относительности и квантовая механика нащупали общую почву.

В середине 1980-х годов физики были восхищены теорией струн. «В 1985 году мы поняли, что теория струн решает кучу проблем, которые мучили людей последние 50 лет», — говорит Барроу. Но и у нее оказались проблемы.

Во-первых, «мы не понимаем, чем является струнная теория, в нужных деталях», говорит Филип Канделас из Оксфордского университета. «У нас нет хорошего способа ее описать».

Кроме того, некоторые прогнозы выглядят странно. В то время как теория единого поля Эйнштейна полагается на дополнительное скрытое измерение, простейшие формы теории струн нуждаются в 26 измерениях. Они нужны, чтобы увязать математику теорию с тем, что мы уже знаем о Вселенной.

Более продвинутые версии, известные как «теории суперструн», обходятся десятью измерениями. Но даже это не стыкуется с тремя измерениями, которые мы наблюдаем на Земле.

«С этим можно справиться, если допустить, что только три измерения расширились в нашем мире и стали большими, — говорит Барроу. — Другие присутствуют, но остаются фантастически малыми».

Из-за этих и других проблем, многие физики не любят теорию струн. И предлагают другую теорию: петлевая квантовая гравитация.

На пути объединения

Пожалуй, первое объединение различных физических сил удалось сделать в 1873 году, когда британский физик и математик Джеймс Максвелл в своей работе «Трактат по электричеству и магнетизму» показал, что электричество и магнетизм являются проявлениями одной и той же силы – электромагнетизма. До этого считалось, что электричество и магнетизм представляют собой две отдельные и самостоятельные силы. 

Пройдет почти 100 лет, и в 1967 году американские физики Шелдон Ли Глэшоу и Стивен Вайнберг, а также Абдус Салам, физик-теоретик из Пакистана, создадут Теорию электрослабого взаимодействия, которая стала описанием двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий – слабого и электромагнитного. В ней постулируется, что электромагнитное и слабое взаимодействия – различные проявления одной силы. На обычных низких энергиях мы не найдем в них ничего общего, но при энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие. Правда, последний раз они были едины в первые мгновения после Большого взрыва. 

В 70-е годы прошлого столетия была предложена своя теория и для сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика. Пока еще никто не смог убедительно соединить это третье фундаментальное взаимодействие с первыми двумя. Такая теоретическая модель, единым образом описывающая сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, получила название Теории Великого объединения. Впрочем, многие физики-теоретики считают, что объединять эти взаимодействия без гравитации не имеет смысла: они и так работают вместе в форме Стандартной модели. Путь к Великому объединению лежит через создание Теории всего. 

К слову, ученые полагают, что при сверхвысоких энергиях все взаимодействия объединяются. И, как вы могли уже догадаться, условия для такого Великого объединения могли существовать во Вселенной в кратчайший период сразу после Большого взрыва. То есть около 13-14 миллиардов лет назад, когда возраст новорожденной Вселенной составлял от 10-43 до 10-36 секунд. Затем все взаимодействия разделились и стали жить самостоятельной жизнью: сначала – гравитация, затем – сильное, а потом уже слабое и электромагнитное взаимодействия. 

Время

Одним из нерешенных фундаментальных вопросов современной физики является объяснение причин однонаправленности времени, или другими словами: почему время течет из прошлого в будущее, но не наоборот? В рамках гипотезы Стивена Вольфрама о рекурсивно-вычислимой Вселенной ответ оказывается элементарным.

В науке об алгоритмах известно, что многие функции являются односторонними: по односторонней функции f из данных x легко получить f(x), но по f(x) узнать x почти невозможно. На базе таких односторонних функций построена широко используемая ассиметричная криптография. Так вот, если предположить, что элементарное правило, применением которого к текущему состоянию Вселенной порождается следующее состояние Вселенной, является односторонней функцией, то становится абсолютно ясным, почему время течёт в одну сторону.

Кроме того, сама суть рекурсивных вычислений предполагает, что следующее состояние данных зависит от текущего, как текущее зависит от предыдущего. Физическое время таким образом в гипотезе рекурсивно-вычислимой Вселенной является эквивалентом самого вычисления, а краткое мгновение настоящего между уже прошедшим прошлым и еще не наступившим будущим — это текущая итерация вычисления.

Электромагнитное поле

Как известно, электромагнитное поле проявляет себя во взаимодействии с заряженными телами. Обычно это взаимодействие описывают с помощью векторов напряженности электрического и магнитного поля, которые связаны системой из четырех уравнений Максвелла. Практически симметричный вид уравнений Максвелла наводит на мысль, что эти поля не являются независимыми сущностями — то, что кажется нам электрическим полем в одной системе отсчета, может превратиться в магнитное поле, если перейти в другую систему.

В самом деле, рассмотрим провод, по которому бегут с одинаковой и постоянной скоростью электроны. В системе отсчета, связанной с электронами, есть только постоянное электрическое поле, которое можно найти с помощью закона Кулона. Однако в исходной системе отсчета движение электронов создает постоянный электрический ток, который, в свою очередь, наводит постоянное магнитное поле (закон Био-Савара). В то же время, согласно с принципом относительности, в выбранных нами системах отсчета законы физики должны совпадать. Это значит, что и электрическое, и магнитное поля являются частями какой-то одной, более общей сущности.

Действительно, векторы электрического и магнитного поля объединяются в такую структуру, которая является инвариантной относительно преобразований Лоренца — то есть не меняется при переходе между различными (инерциальными) системами отсчета. Это так называемый тензор электромагнитного поля . Нагляднее всего будет записать его в виде следующей матрицы:

Здесь компоненты электрического поля обозначены буквой , а компоненты магнитного поля — буквой . Легко видеть, что тензор электромагнитного поля является антисимметричным, то есть его компоненты, стоящие по разные стороны от диагонали, равны по модулю и имеют противоположные знаки. Если мы хотим получить уравнения Максвелла «из первых принципов», нам нужно выписать действие электродинамики. Чтобы сделать это, мы должны сконструировать самую простую скалярную комбинацию из имеющихся у нас тензорных объектов, так или иначе связанных с полем или со свойствами пространства-времени.

Если задуматься, выбор у нас невелик — в качестве «строительных блоков» может выступать только тензор поля Fμν, метрический тензор gμν и абсолютно антисимметричный тензор εμνρσ. Из них можно собрать всего две скалярные комбинации, причем одна из них является полной производной, то есть ее можно не учитывать при выводе уравнений Эйлера-Лагранжа — после интегрирования эта часть просто обратится в ноль. Выбирая оставшуюся комбинацию в качестве действия и варьируя его, мы получим пару уравнений Максвелла — половину системы (первая строчка). Казалось бы, двух уравнений мы не досчитались. Однако на самом деле нам не нужно выписывать действие, чтобы вывести оставшиеся уравнения — они следуют напрямую из антисимметричности тензора Fμν (вторая строчка):

И снова мы получили правильные уравнения движения, выбрав в качестве действия простейшую возможную комбинацию. Правда, поскольку мы не учитывали существование зарядов в нашем пространстве, мы получили уравнения для свободного поля, то есть для электромагнитной волны. При добавлении зарядов в теорию их влияние тоже нужно учитывать. Это делается включением вектора в действие.

Теги

Adblock
detector