Четыре фундаментальных взаимодействия
Всё многообразие сил в природе сводится к четырём базовым взаимодействиям:
- Гравитационное — притяжение масс. Самое слабое, но действует на всё и на любых расстояниях.
- Электромагнитное — между заряженными частицами. Держит атомы и молекулы, отвечает за свет, химию, электричество.
- Сильное — связывает кварки в протоны и нейтроны, а их — в ядро. Самое мощное, но короткодействующее.
- Слабое — отвечает за некоторые виды радиоактивного распада и работу Солнца.
Мечта физики — показать, что все четыре силы суть проявления одного-единственного взаимодействия. Это и есть теория всего.
Что уже объединено: Стандартная модель
Большой прогресс достигнут. В 1960-х электромагнитное и слабое взаимодействия объединили в электрослабое. Затем к нему добавили сильное — получилась Стандартная модель, описывающая три из четырёх взаимодействий и все известные элементарные частицы. Она блестяще подтверждена опытами, вплоть до открытия бозона Хиггса в 2012 году.
Но в Стандартной модели нет гравитации. Именно она выпадает из стройной картины.
Стоит подчеркнуть, насколько Стандартная модель успешна сама по себе. Она предсказала существование частиц задолго до их открытия и сходится с опытом порой до десятого знака после запятой — это одна из точнейших теорий в истории науки. Тем удивительнее, что такая мощная теория всё же неполна: она не объясняет гравитацию, не включает тёмную материю и не выводит массы частиц. То есть теория всего нужна не вместо Стандартной модели, а как её более глубокое продолжение, частным случаем которого она должна стать.
Почему гравитацию так трудно встроить
Три взаимодействия Стандартной модели описаны на языке квантовой теории поля: они квантуются, у них есть частицы-переносчики (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны). Гравитацию же лучше всего описывает Общая теория относительности — но это классическая теория искривлённого пространства-времени, а не квантовая. Попытки «проквантовать» гравитацию прямолинейно дают бессмысленные бесконечности. Эта несовместимость — главное препятствие.
Кандидаты на теорию всего
- Теория струн — частицы считаются не точками, а крошечными колеблющимися «струнами». Естественно включает гравитон и убирает бесконечности, но требует 10–11 измерений и пока не имеет экспериментальных подтверждений.
- Петлевая квантовая гравитация — квантует само пространство-время, делая его «зернистым» на планковском масштабе. Хорошо работает с гравитацией, но пока слабо объединяет остальные силы.
Ни одна не стала общепринятой: нет экспериментов, которые однозначно бы их подтвердили. Разные частицы в теории струн, например, соответствуют разным модам колебания одной и той же струны — красивая идея, но проверить её на опыте пока нечем.
Почему теории всего до сих пор нет
Главная причина — масштаб. Объединение сил, по теории, проявляется при энергиях планковского порядка — это в триллионы раз выше того, что достижимо на самых мощных ускорителях. Природа прячет ответ за энергетическим барьером, недоступным нашим приборам. Поэтому теория всего остаётся одной из величайших нерешённых задач физики.
Почему физики верят, что объединение возможно
Главная подсказка — история самой физики. Раньше электричество и магнетизм считали разными явлениями, пока Максвелл не объединил их в электромагнетизм. Затем электромагнетизм слили со слабым взаимодействием. Каждый раз объединение открывало новое понимание и новые предсказания. Более того, при высоких энергиях силы взаимодействий, похоже, сближаются по величине — будто на заре Вселенной все они были одним. Эта тенденция и питает надежду, что финальное объединение возможно.
Чем теория всего отличается от Теории великого объединения
Эти названия часто путают. Теория великого объединения (ТВО) — более скромная цель: слить три квантовых взаимодействия (электромагнитное, слабое, сильное) в одно, не включая гравитацию. Теория всего — более амбициозная: добавить к ним и гравитацию. То есть теория всего = теория великого объединения + гравитация. Именно последний шаг и оказывается самым трудным.
«Теория всего» — не про всё на свете
Название может ввести в заблуждение. Даже полная теория всего описывала бы лишь фундаментальные взаимодействия частиц. Она не предсказала бы погоду, биологию или поведение человека — сложные системы подчиняются своим законам поверх фундаментальных. Это «теория всех взаимодействий», а не буквально всего.
