[Прелесть физики] Зачем нам теория всего?

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть физики":
  "Я знаю, что ничего не знаю"
  Метрология и Международная система единиц СИ. Часть I
  Метрология и Международная система единиц СИ. Часть II
  Постигая Вселенную: опасности на пути к звездам
  Большой адронный коллайдер – спасение современной физики

Современная физика описывает наш мир через огромное множество законов и теорий, однако главной все же недостает. Много лет ученые со всего мира пытаются отыскать теорию, способную описать все явления, что существуют в нашей Вселенной, – теорию всего. Почему в ней так нуждается наука? Почему все еще не сформулирована настоящая теория всего? И куда же движется физика? Ответы на все эти вопросы может дать только она сама.

Природные явления

В физике классификация явлений основана на типах взаимодействий, участвующих в этих физических явлениях. В свою очередь, взаимодействия делятся на \(4\) основных класса:

\(1\). Гравитационные взаимодействия возникают между телами, обладающими некой массой, которая притягивает их друг к другу.
\(2\). Электромагнитные взаимодействия – взаимодействия, возникающие между заряженными частицами.
\(3\). Сильные ядерные взаимодействия являются главой мельчайшего мира – квантового.
\(4\). Слабые ядерные взаимодействия – взаимодействия, обеспечивающие превращения одних частиц в другие.

Два столба физики

Сейчас мы, люди, еще не обладаем настоящей полной теорией всего. Однако есть две наиболее близкие теории, описывающие практически все: стандартная модель и общая теория относительности. Первая теория описывает весь квантовый мир, когда как вторая – “большой слой” мироздания.

Сформулированная Альбертом Эйнштейном в далеком \(1915\) году, общая теория относительности объясняет только гравитационные взаимодействия. Здесь гравитация не сила, а результат искривления пространства и времени. Тела стремятся двигаться по прямым, но так как прямые искривлены вместе с пространственно-временной тканью, создается иллюзия сближения тел. По своей геометрии данный феномен схож с поведением прямых на поверхности шара: если на нем начать вести \(2\) параллельные прямые, то через какое-то время они сойдутся. Кажется, что это противоречит математике, но следует помнить, что в таком искривленном пространстве обычная геометрия уже не работает – здесь бал правит Неевклидова геометрия.

На данный момент это наиболее полное представление о гравитации, которое у нас имеется. Но не стоит забывать, что помимо гравитации, описанной общей теорией относительности, существует еще три вида физических взаимодействий, которые несомненно тоже нужно описать.

С этой задачей отлично справилась стандартная модель. Она сумела описать строение вещества, фундаментальные частицы и взаимодействия между ними на уровне квантов, при этом сохраняя контекст огромного мира физических явлений. В стандартной модели существуют частицы материи (фермионы) и частицы, переносящие взаимодействия (бозоны). На уровне мельчайших квантов поистине фантастическим считается рождение пар частиц. Для каждой частицы, будь то бозон или фермион, существует “двойник-близнец” (античастица), обладающая равной массой и спином, но отличающаяся по заряду. Так, например, известный антиблизнец электрона – позитрон, а кварка – антикварк. Причина существования античастиц до сих пор остается неясной, однако есть одно интересное явление, связанное с ними. Чтобы описать это явление, нам понадобится коробка с вакуумом. Вселенная почему-то не любит пустоту, поэтому иногда она берёт немного энергии “в долг” и из этой энергии создаёт пару близнецов частица-античастица. Пролетая какое-то расстояние, эта пара все-таки сталкивается, в итоге полностью превращаясь в то же количество энергии, из которой они были образованы.

Такие спонтанные рождения пар частиц необыкновенны не только по своей природе, но и по сложности вопросов, которые они вызывают: как объединить стандартную модель и общую теорию относительности? В любом месте Вселенной рождения пар происходят часто и хаотично, причем образованные частицы и античастицы могут случайно соединиться с другими элементарными частицами, образовывая более сложные структуры, такие как протоны, нейтроны и даже простейшие атомы (водород, гелий). Из-за подобного хаоса рождения и исчезновения колеблется не только количество самих частиц, но и искривление всего пространства.

В космических масштабах рождение пар частиц не приносит больших изменений. Взглянем на участочек вакуума на орбите Земли: даже здесь происходят постоянные рождения и исчезновения частиц. Для планеты это явление не играет никакой роли, ведь частицы крохотны, особенно в сравнении с космическими телами. Поэтому, появись или исчезни 10 миллиардов частиц, многого не изменится – этого количества будет недостаточно, чтобы сформировать хотя бы один воздушный шарик.
На субатомном уровне, однако, все иначе. В масштабах квантов силу обретает принцип неопределённости Гейзенберга: из-за хаотичных, но существенных изменений гравитации, вызванными парами частиц, невозможно определить скорость и позицию всех частиц с достаточной точностью. Получается, существуют частицы, которые могут неожиданно появиться и исчезнуть, а также способны двигаться в неопределенном направлении с какой-то вероятностью, но это даже невозможно вычислить. Тем временем теория относительности не подразумевает работы с вероятностями в принципе. Выходит, что само явление рождения пар частиц не позволяет описать гравитацию с помощью теории относительности.

Частицы-двойники и гравитация – камень преткновения, не дающий объединить теорию относительности и стандартную модель в единую теорию всего.

За рамки теорий: сингулярность и черные дыры

Десятилетиями существование черных дыр оставалось лишь теорией, пока весной \(2019\) года не появилась первая фотография черной дыры, сделанная при помощи сети телескопов со всего мира – Телескопа горизонта событий (англ. “Event Horizon Telescope”). В сущности, известное изображение черной дыры является отображением лишь аккреционного диска – закручивающихся разогретого газа и пыли, которые падают в черную дыру. Что находится внутри дыры мы не знаем.

Всё, что находится внутри черной дыры за горизонтом событий, остается теоретическим вопросом. Горизонт событий представляет собой “поверхность” черной дыры, через которую не может пройти даже свет. Так как скорость света является максимальной скоростью во Вселенной, мы не можем получить какую-либо информацию о “внутренностях” черной дыры. Тем не менее теория относительности предсказывает, что за горизонтом событий существует сингулярность – точка бесконечной плотности, в которой сосредоточена вся масса черной дыры. Физика не предназначена для работы с бесконечностями, поэтому именно в сингулярностях ломаются все ее законы.

Черные дыры стали еще одной причиной, почему две фундаментальные теории не могут быть объединены в одну. Существование сингулярности внутри черной дыры было предсказано теорией относительности, а стандартная модель, напротив, исключает её. Почему сингулярность так противоречива? В сингулярности необъятное количество частиц, имеющих одинаковую скорость, находится в одной точке одновременно. В квантовом мире подобное поведение частиц невозможно согласно принципу запрета Паули.

Принцип запрета Паули – один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому одновременно два и более фермиона не могут иметь и одинаковое положение, и одинаковую скорость.

Физические законы рушатся не только в сингулярности, но и за ее пределами. Однако, для людей неизвестность отчасти не так уж и плоха. Мы не можем узнать, что находится внутри черной дыры, а значит сингулярность не может информационно повлиять на наш мир. Таким образом, теория относительности и квантовая теория всё ещё могут описывать Вселенную, несмотря на крах физических теорий в сингулярности. Так, горизонт событий “защищает” Вселенную от сингулярности, оставляя возможность описать поведение черной дыры вне зависимости от ее внутреннего содержимого. Получается, можно ненадолго забыть о стандартной модели и довольствоваться описанием только внешней части черных дыр через общую теорию относительности. Но что делать, если вся Вселенная является такой сингулярностью?

Большой взрыв

Как вся Вселенная может стать сингулярностью? Достаточно сжать её до микроскопических размеров, а остальное сделает гравитация. Около \(13.8\) миллиардов лет назад Вселенная как раз и была сжата до размеров точки, пока не случился он – Большой Взрыв. В этот момент начался наш мир. Понятия пространства “вне этой точки” в прямом смысле не было, поэтому Большой взрыв уж точно не обычный взрыв, а скорее… воздушный шарик, который начали надувать. Воздух представляет Вселенную, которая расширяется, верно? Не все так просто. На самом деле, поверхность шарика – ткань пространства-времени, на которой находятся все объекты. В действительности шарик и Вселенная похожи! Если мы откачаем воздух из шарика и сожмем его, то площадь поверхности станет равна нулю. Таким же образом в момент Большого взрыва объем Вселенной, сжатой в одну точку, был равен нулю. Ничего не напоминает? Это еще одна сингулярность, чья температура куда выше температуры черной дыры. Но уже в момент Большого взрыва Вселенная начала стремительно расширяться, и через какое-то время некогда бесконечная плотность начала уменьшаться, позволив свету озарить все вокруг. Вселенная вспыхнула!

Удивительно, но отголоски той далёкой вспышки можно увидеть даже сейчас. Заглянув в микроволновый телескоп, вы заметите практически одинаковое микроволновое излучение, окружающее пространство со всех сторон – реликтовое излучение. Оно светит больше \(13\) миллиардов лет с самого момента рождения Вселенной.

Описать состояние молодой Вселенной почти невозможно нынешними теориями физики. В те моменты огромной плотности и высоких температур силы переплетались между собой, образуя бесконечные значения в уравнениях. А как мы помним, физика не работает с бесконечностями: если они появляются, значит уравнения теории неверны или в самой теории есть ошибка. Поэтому человечеству нужно что-то совершенно новое, большое, способное охватить, пожалуй, все.

Задача физики последних лет

Создание единой теории, объединяющей теорию относительности и стандартную модель, является одной из главных задач современной физики. Чтобы создать Теорию всего, мы ищем гравитацию для малого (квантовую гравитацию), а не законы субатомного мира для макромира. А почему не наоборот?

Как можно было заметить, когда дело доходит до огромных масс, все начинает сжиматься в малый объём, когда ядерные взаимодействия имеют достаточную силу и влияние. Тогда нельзя уже обойтись какой-то одной частной теорией.

Напротив, на расстояниях больше атомов, ядерные взаимодействия слишком слабы и практически равны нулю, поэтому не имеет смысла пытаться расширить стандартную модель до размеров, с которыми мы можем работать.

Таким образом, попытки объединить две основополагающие теории, описывающих весь мир, заводят нас все глубже в чащу противоречий и загадок Вселенной.

Будущее физики

Стандартная модель и Теория относительности прекрасно справляются с описанием большей части нашего мира. Все же, что-то они да упускают, что-то большое и фундаментальное, но прячущееся в сокровенных уголках Вселенной подальше от человеческих глаз. Чтобы наконец понять, как устроена Вселенная, нам и нужна теория всего. Она способна описать все физические явления, открывая тайны мироздания, скрытые за завесой сингулярностей. Может показаться, что объединение взаимодействий завершит цикл описания явлений нашего мира, который был начат еще Ньютоном, когда он сформулировал теорию всемирного тяготения. В самом деле, теория всего не только ответит на многие вопросы физики, но и даст новый толчок к ее развитию. И то, что было скрыто от наших глаз, наконец-то откроется для новой физики новых теорий.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова