У 1925 році Ейнштейн вирушив на прогулянку з молодою студенткою на ім’я Естер Саламан. Поки вони розгулювали, він поділяв свій основний інтелектуальний принцип: "Я хочу знати, як Бог створив цей світ. Мене не цікавить те чи інше явище, в спектрі того чи іншого елемента. Я хочу знати його думки; решта - лише деталі ».
Фраза «Божі думки» - це чудово влучна метафора для кінцевої мети сучасної фізики, яка полягає у формуванні досконалого розуміння законів природи - те, що фізики називають «теорією всього», або ТО. В ідеалі TOE відповість на всі питання, не залишаючи нічого без відповіді. Чому небо синє? Покритий. Чому існує гравітація? Це теж прикрито. Заявлений більш науковим чином, TOE в ідеалі пояснював би всі явища однією теорією, єдиним будівельним блоком і єдиною силою. На мою думку, пошук TOE може зайняти сотні, а то й тисячі років. Щоб зрозуміти чому, давайте підведемо підсумки.
Ми знаємо дві теорії, які, якщо взяти їх разом, дають хороший опис навколишнього світу, але обидві проходять у світлових роках від того, щоб бути TOE.
Друга теорія називається Стандартною моделлю, яка описує субатомний світ. Саме в цій галузі вчені досягли найбільш очевидного прогресу в напрямку теорії всього.
Якщо ми подивимось на навколишній світ - світ зірок і галактик, пуделів і піци, то можемо запитати, чому речі мають такі властивості, якими вони володіють. Ми знаємо, що все складається з атомів, і ці атоми складаються з протонів, нейтронів та електронів.
І в 1960-х роках дослідники виявили, що протони та нейтрони складалися з ще менших частинок, званих кварками, а електрон входив до класу частинок, званого лептонами.
Пошук найменших будівельних блоків - лише перший крок у розробці теорії всього. Наступний крок - розуміння сил, які керують взаємодією будівельних блоків. Вченим відомо чотири основні сили, три з яких - електромагнетизм, а сильні та слабкі ядерні сили - розуміються на субатомному рівні. Електромагнетизм утримує атоми разом і відповідає за хімію. Сильна сила утримує разом ядро атомів і утримує кварки всередині протонів і нейтронів. Слабка сила відповідає за деякі види розпаду ядер.
Кожна з відомих субатомних сил має пов'язану частинку або частинки, які несуть цю силу: Глуон несе сильну силу, фотон керує електромагнетизмом, а боти W і Z контролюють слабку силу. Існує також примарне енергетичне поле, зване поле Хіггса, яке пронизує Всесвіт і дає масу кваркам, лептонам та деяким частинкам, що несуть силу. У сукупності ці будівельні блоки і сили складають Стандартну модель.
Використовуючи кварки та лептони та відомі частинки, що несуть силу, можна створити атоми, молекули, людей, планети і, справді, всю відому речовину Всесвіту. Це, безперечно, приголомшливе досягнення і гарне наближення теорії всього.
І все ж насправді це не так. Мета - знайти єдиний будівельний блок і єдину силу, яка могла б пояснити матерію та рух Всесвіту. Стандартна модель має 12 частинок (шість кварків і шість лептонів) і чотири сили (електромагнетизм, гравітація, сильні і слабкі ядерні сили). Крім того, не існує відомої квантової теорії сили тяжіння (тобто наше сучасне визначення охоплює лише гравітацію, що включає речі, більші, ніж, наприклад, звичайний пил), тому гравітація взагалі не є частиною Стандартної моделі. Отже, фізики продовжують шукати ще більш фундаментальну і основоположну теорію. Для цього їм потрібно зменшити кількість будівельних блоків і сил.
Знайти менший будівельний блок буде складно, оскільки для цього потрібен більш потужний прискорювач частинок, ніж люди, які коли-небудь будували. Часовий горизонт нового прискорювального приладу, що надходить на лінію, становить декілька десятиліть, і це обладнання забезпечить лише відносно скромне збільшення рівня в порівнянні з існуючими можливостями. Отже, вчені повинні міркувати, як може виглядати менший будівельний блок. Популярна ідея називається теорією суперструнної струни, яка постулює, що найменший будівельний блок - це не частинка, а невелика і вібруюча "струна". Таким же чином віолончельна струна може грати більше ніж одну ноту, різні візерунки вібрацій - це різні кварки та лептони. Таким чином, єдиний тип струни може бути остаточним складовим елементом.
Проблема полягає в тому, що немає емпіричних доказів того, що суперстриги насправді існують. Крім того, очікувана енергія, необхідна для їх бачення, називається енергією Планка, що в чотиримільйон (10 піднятої до 15-ї потужності) в рази більше, ніж ми можемо генерувати в даний час. Дуже велика енергія Планка тісно пов'язана з тим, що називається довжиною Планка, незбагненно крихітною довжиною, за якою квантові ефекти стають настільки великими, що неможливо виміряти що-небудь менше. Тим часом, довжина Планка менша (або більша, ніж енергія Планка), і квантові ефекти сили тяжіння між фотонами або світловими частинками стають важливими, а відносність вже не працює. Це робить імовірним, що це масштаб, в якому буде зрозуміла квантова гравітація. Це, звичайно, дуже спекулятивно, але це відображає наше найкраще прогнозування. І, якщо це правда, суперстриги повинні будуть залишатися умоглядними в осяжному майбутньому.
Безліч сил також є проблемою. Вчені сподіваються "об'єднати" сили, показавши, що вони просто різні прояви єдиної сили. (Сер Ісаак Ньютон зробив саме це, коли показав силу, яка змусила речі падати на Землю, і сила, яка керувала рухом неба, були одними і тими ж; Джеймс Клерк Максвелл показав, що електрика і магнетизм насправді відрізняються поведінкою об'єднаної сили називається електромагнетизмом.)
У 1960-х роках вчені змогли показати, що слабка ядерна сила та електромагнетизм насправді є двома різними гранями об'єднаної сили, що називається силою електрослаблення. Тепер дослідники сподіваються, що сила слабкої електроенергії та сильна сила можуть бути об'єднані в те, що називається великою об'єднаною силою. Тоді вони сподіваються, що велика об'єднана сила може бути об'єднана із силою тяжіння, щоб зробити теорію всього.
Однак фізики підозрюють, що це остаточне об'єднання відбудеться також за енергією Планка, знову ж таки тому, що це енергія та розміри, при яких квантові ефекти більше не можна ігнорувати в теорії відносності. І, як ми бачили, це набагато більша енергія, ніж ми можемо сподіватися досягти всередині прискорювача частинок. Щоб дати відчуття прірви між сучасними теоріями і теорією всього, якби ми представляли енергії частинок, які ми може Визначте, як ширина клітинної мембрани, енергія Планка - це розмір Землі. Незважаючи на те, що хтось із ретельним розумінням клітинних мембран може передбачити інші структури всередині клітини - такі речі, як ДНК та мітохондрії - немислимо, що вони могли б точно передбачити Землю. Наскільки ймовірно, що вони могли передбачити вулкани, океани чи магнітне поле Землі?
Простий факт полягає в тому, що при такому великому розриві між досяжною в даний час енергією у прискорювачах частинок та енергією Планка, правильне складання теорії про все здається малоймовірним.
Це не означає, що фізикам варто відмовитися і зайнятися пейзажним живописом - ще належить зробити значну роботу. Нам ще потрібно зрозуміти незрозумілі явища, такі як темна речовина і темна енергія, які складають 95% відомого Всесвіту, і використовувати це розуміння для створення нової, більш всебічної теорії фізики. Ця нова теорія не буде TOE, але буде на крок кращою, ніж існуюча теоретична база. Нам доведеться повторювати цей процес знову і знову.
Розчарований? Так само я. Зрештою, я присвятив своє життя намаганням розкрити деякі секрети космосу, але, можливо, якась перспектива в порядку. Перше об'єднання сил було здійснене в 1670-х роках теорією загальної сили тяжіння Ньютона. Другий був у 1870-х роках з теорією Максвелла про електромагнетизм. Об'єднання електрослаби було відносно недавно, лише півстоліття тому.
Зважаючи на те, що минуло 350 років з часу нашого першого успішного кроку в цій мандрівці, можливо, це не менш дивно, що шлях, що передує нам, ще довший. Думка про те, що геній буде мати розуміння, що призводить до всебічно розробленої теорії всього в найближчі кілька років, є міфом. Ми чекаємо довгого гасла - і навіть онуки сьогоднішніх вчених не побачать цього кінця.
Але яка це буде подорож.
Дон Лінкольн - дослідник фізики в Фермілаб. Він автор "Великий адронний колайдер: надзвичайна історія бога Хіггса та інших речей, які підірвуть ваш розум"(Johns Hopkins University Press, 2014), і він виробляє серію наукових досліджень відео. Слідуйте за ним на Фейсбуці. Думки, висловлені в цьому коментарі, є його.
Дон Лінкольн внесли цю статтю у "Живу науку" Голоси експертів: Op-Ed & Insights. Оригінально опубліковано на Live Science.
