Введение в Теорию всего: просто – о главной цели современной физики

Стандартная модель и ее сводная сестра 

Пробираясь вглубь вещества и пытаясь найти самые фундаментальные, неделимые на составные элементы частицы, лежащие в основе материи, ученые в итоге обнаружили кварки и лептоны. Из кварков строятся адроны (потому Большой адронный коллайдер так называется), к которым относятся, в частности, составляющие ядро атома, ранее считавшегося неделимым, – протоны и нейтроны. Самый известный представитель лептонов – электрон, движущийся в электронном облаке вокруг этого самого ядра. 

На сегодня мы знаем, что все эти частицы взаимодействуют за счет четырех типов сил, четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного. Хотя, возможно, их больше, но другие нам пока не известны. 

Гравитация – сила притяжения между объектами, обладающими массой. Электромагнетизм отвечает за взаимодействие между телами, имеющими электрические заряды. Сильные ядерные силы удерживают вместе протоны и нейтроны в ядре атома, а также кварки в самих протонах и нейтронах, а слабые управляют такими процессами, как радиоактивный распад. 

Действие каждой из этих сил можно представить как обмен частицами-квантами этого взаимодействия. Сильное взаимодействие осуществляется глюонами. Они, можно сказать, «склеивают» кварки, создавая из них протоны и нейтроны. Свое название они получили не просто так: в английском языке glue означает «клей». 

Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. За хорошо известное нам электромагнитное взаимодействие отвечают не менее известные фотоны. Кроме того, все взаимодействия имеют свою теорию, описывающую эти самые взаимодействия. 

На этом так называемая Стандартная модель – теоретическая конструкция в физике элементарных частиц – прерывается. Что же с гравитацией? Есть ли у нее своя частица-квант? 

Если для моделирования основных взаимодействий используются элементарные частицы, то по аналогии можно предположить, что за гравитационное взаимодействие должна отвечать некая элементарная частица. 

Эту частицу пока не нашли, она значится как гипотетическая, но название уже предложили – гравитон. Квантовую теорию гравитации еще не построили. Для описания гравитации сегодня мы используем Общую теорию относительности Эйнштейна. Вот только она так не похожа на все остальные теории, что стоит особняком. Объединить все четыре взаимодействия в одной теоретической модели, то есть создать единую Теорию всего, – давняя мечта физиков. 

От Ньютона – до Эйнштейна, от яблок – до черных дыр 

Яблоня в саду дома, где жил Исаак Ньютон, больше века была музейным экспонатом, к ней водили экскурсии. Но, скорее всего, история о том, как Ньютон открыл свой знаменитый Закон всемирного тяготения после того, как ему на голову упало яблоко, – безобидная придумка. Рассказ о падающем яблоке великий ученый сочинил для своей любимой племянницы, чтобы доступно изложить суть закона. Тем не менее можно сказать, что именно с постулирования этого закона начались попытки системно объяснить окружающий нас мир на языке физики. 

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Но ранее никто не мог ясно и математически убедительно связать Закон тяготения и Законы движения небесных тел. Открытие Ньютона позволило объединить небесную и земную сферы, а ведь прежде они считались несовместимыми. 

Долгое время ньютоновская Теория тяготения полностью подтверждалась наблюдениями. Закон всемирного тяготения подходил для того, чтобы описать траекторию падения яблока, а также чтобы предсказать орбиту движения планет вокруг Солнца. Но, как оказалось, кроме одной. 

Обнаруженное в 1859 году аномальное смещение перигелия Меркурия поставило физиков перед фактом, что ближайшая к Солнцу планета не хотела подчиняться Закону всемирного тяготения. И пусть это было только едва заметное отклонение в движении Меркурия, ему нужно было найти объяснение. Но для этого потребовалось новое понимание гравитации. 

Пересмотреть понимание гравитации удалось только в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн представил миру свою Общую теорию относительности. Солнце, имеющее гигантскую массу, искривляет пространство и время вокруг себя, что, в частности, сказывается на орбите ближайшей к нему 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. 

Но все же она имеет один существенный недостаток – невозможность построения для нее квантово-полевой модели классическим образом. На квантовую механику она совершенно не похожа. Как говорят физики, это другое королевство со своими законами и жителями. 

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. 

Разные королевства 

Однако, если три взаимодействия, объединенные Стандартной моделью, спокойно описываются квантовой механикой, то Теория относительности, которой описывается гравитация, совсем другая. Квантовая механика, рассказывающая нам, как ведут себя элементарные частицы, и Общая теория относительности опираются на разные наборы принципов. Первая формулируется как теория, описывающая временную эволюцию физических систем (тех же атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. Во второй внешнего пространства-времени просто нет – оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нем классических систем. 

И у той, и у другой есть границы применимости, вне которых они перестают работать. Квантовая механика работает на микромасштабах и объясняет структуру и поведение атомов. Общая теория относительности имеет дело с гигантскими массами и скоростями. 

В большинстве случаев они не пересекаются и живут, по сути, в разных мирах. В одних ситуациях можно пренебречь квантовыми эффектами, в других – гравитационными. Однако во Вселенной есть место, где эти миры вынуждены пересечься, – черные дыры. Они очень массивны, но в то же время крайне малы. 

Но и это пока не все, есть еще одна причина несовместимости. Так, Общая теория относительности утверждает, что поведение объекта может быть точно предсказано. Но в квантовой механике все не так: мы можем знать только вероятность того, как будет вести себя тот или иной объект. 

Почти все последние годы жизни Эйнштейн потратил на то, чтобы вывести свою объединительную теорию. Он не разделял принцип неопределенности квантовой механики и хотел создать теорию, которая объединит гравитацию и остальную физику, чтобы все эти квантовые странности оказались вторичными следствиями. В одном из писем приверженцу этого принципа Максу Борну он писал: «Бог не играет в кости». На что получил ответ: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать». 

Основной задачей ученого было заставить гравитацию работать с электромагнетизмом и объединить обе силы в Теории единого поля. Для этого он растянул пространство-время в пять измерений. К трем пространственным и одному временному добавил пятое измерение: оно должно было быть настолько маленьким и свернутым, что мы не смогли бы его видеть. Но такой подход не увенчался успехом. 

Струны, петли и браны 

С тех пор идея создать объединительную теорию владеет умами физиков по всему миру. Идей несколько, некоторые имеют еще и по несколько вариантов. И самый серьезный кандидат на звание Теории всего – это Теория струн. 

В ее основе лежит простое предположение. Самые мельчайшие частички нашего мира вовсе не точечные объекты, как мы их сейчас представляем. Это струны, а если точнее, одномерные протяженные объекты, так называемые квантовые струны. Они очень малы, их длина порядка 10–33 сантиметров. Подобно гитарным струнам, квантовые натянуты и способны вибрировать. Характер их колебаний задает свойства материи: таким образом, воспроизводится все многообразие элементарных частиц. Вибрирует струна с одной частотой – получаем глюон, вибрирует с другой – кварк, с третьей – нейтрино. Причем струны могут быть как замкнутые, так и открытые. 

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. 

В то же время и у нее есть проблемы. Тогда как Теория единого поля Эйнштейна предполагала существование одного дополнительного скрытого измерения, простейшие версии Теории струн нуждаются в двадцати шести. 

Появившаяся в 80-х Теория суперструн, существующая в пяти различных вариантах, обходится десятью измерениями. Но даже их сложно представить, ведь в мире мы наблюдаем только три пространственных измерения. Хотя физики предлагают просто вообразить, что только эти три измерения расширились и стали большими, другие тоже существуют, но остались фантастически маленькими. 

Если Теория струн должна занять свое место над всеми другими теориями, то Теория петлевой квантовой гравитации – недостающее звено квантовой механики. Она предназначена, чтобы просто привести гравитацию к общему квантовому знаменателю, и пытается вывести для нее свою квантовую теорию. 

Общая теория относительности описывает пространство-время классическим образом, что не позволяет «проквантовать» гравитацию привычным для физики элементарных частиц способом. Теория петлевой гравитации пытается решить эту проблему. В ней пространство и время состоят из дискретных частей – маленьких петелек, размеры которых сравнимы с планковской длиной, что составляет примерно 1,6.10−35 метров. 

Эти петли – маленькие квантовые ячейки пространства – определенным образом соединены друг с другом: так, что на малых масштабах времени и расстояния они создают прерывистую, дискретную структуру пространства, а на больших – плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Именно такое, которое описывается в ОТО. 

Однако Теория струн не собирается сдаваться. Выше было отмечено, что ее продвинутая версия уже имела пять вариантов. Но прошло еще десять лет, и в 90-х физики обнаружили, что все они могут быть преобразованы один в другой. Способы описания разные, но суть одна. Так в 1995 году появилась М-теория, иронично называемая «матерью всех теорий струн». 

Она предполагает, что окружающий нас мир имеет 11 пространственно-временных измерений. В нем находятся пространства меньших размерностей, так называемые браны, и Вселенная, в которой мы живем, – всего лишь одна из этих бран. Ее заполняют различные квантовые частицы, которые, на самом деле, струны. 

Концы открытых струн закреплены внутри бран. Покинуть брану такая струна не может. А вот замкнутые струны, напротив, способны мигрировать за пределы бран. Эти «свободные» струны – гравитоны, переносчики гравитационных сил. 

Однако М-теория не подвела нас к сколь-нибудь полезному пониманию Вселенной. Она просто не предлагает существование одной единой Теории всего, а подразумевает существование множества теорий. И каждая из них дает возможность убедительным образом описать Вселенную. Вот только вместе с тем предполагается множество вселенных. Если говорить точнее, их число равняется 10 в 500 степени. Это невообразимое собрание вселенных называется Мультивселенной, и наша Вселенная – всего лишь одна из них.