CC BY
61
Иванов К.К.1, Ващенко И.А.2 ©
1Студент, кафедра информационных систем управления;
2студент, кафедра информационной безопасности, Дальневосточный федеральный университет
Научный руководитель - Гордеев С.И.
Профессор, кандидат технических наук, кафедра информационной безопасности
ТЕОРИЯ ВСЕГО. СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ И ПРОБЛЕМЫ ОПИСАНИЯ
Аннотация
В статье исследуются общие требования к построению унифицированной теории всего, рассматриваются отдельные фундаментальные взаимодействия и теории, объединяющие их, а также наиболее известные кандидаты на роль теории всего.
Ключевые слова: теория всего, теория струн, петлевая квантовая гравитация, теория Калуцы-Клейна, гравитация, электромагнетизм, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поле Хиггса.
Keywords: theory of everything, string theory, loop quantum gravity, Kaluza-Klein theory, gravity, electromagnetism, strong interaction, week interaction, Higgs field.
Ни для кого не секрет, что окружающий нас мир является крайне сложным физическим объектом. Каждый ощущает на себе действие гравитации, всячески пользуется благами электромагнитных волн, а сам состоит из элементарных частиц, подчиняющихся определенным законам. Подобные взаимодействия тщательно изучаются физиками по всему миру в течение многих лет. Для таких взаимодействий построены и развиваются свои физические теории и законы, подтверждаемые многочисленными экспериментами. Однако описать все подобные взаимодействия и существующие частицы в одной признанной всеми теории пока не удалось. Эту теорию называют теорией всего или единой теорией поля. Но в чем же проблема? Почему величайшим умам планеты так и не удалось прийти к единому мнению насчет данного вопроса?
Рассмотрение стоит начать с требований, предъявляемых к теории всего. В первую очередь, она должна описывать все фундаментальные взаимодействия, которых на данный момент известно пять. Это гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия, а также открытое относительно недавно поле Хиггса. Вообще Вселенная состоит из двух типов объектов: поля, которое является носителем энергии, и физических объектов, которые обладают структурой, поддерживаемой полем. Вселенная бесконечна в своем проявлении, но конечна в объектах и процессах [2].
Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех представленных. Человечество долго подходило к его открытию. Сначала многие ученые пытались объяснить движение планет. Во втором веке до нашей эры древнегреческий ученый Клавдий Птолемей, полагая, что Земля является центром Вселенной, выдвинул гипотезу, что остальные планеты движутся вокруг Земли по особому кругу. Позднее, в начале шестнадцатого века, Николай Коперник представил миру теорию, согласно которой все планеты вращались вокруг Солнца, а положение планет относительно Земли также зависело от суточного вращения нашей планеты. Эта теория, казавшаяся многим в то время лишь догадкой, была подтверждена спустя век благодаря установленным законам движения планет. Разработал эти законы немецкий математик, астроном, механик и оптик Иоганн Кеплер. Ему удалось прийти к этим законам, обработав огромное число наблюдений известного астронома эпохи Возрождения
© Иванов К.К., Ващенко И. А., 2016 г.
Тихо Браге. В частности, один из законов установил, что планеты движутся по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце [1]. На основании этих законов английский физик сэр Исаак Ньютон выработал закон всемирного тяготения, заключающийся в том, что между двумя телами действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная массам этих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Казалось, что все секреты гравитации раскрыты, однако теория Ньютона, например, не могла объяснить странной орбиты Меркурия. Решение пришло с разработанной Альбертом Эйнштейном теорией относительности, которая представила мир в виде «пространственно-временного континуума», имеющего четыре измерения: длину, ширину, высоту и время. Согласно теории Эйнштейна тела с огромной массой искривляют пространство и время. Это заставляет гравитацию притягивать объекты, а также объясняет влияние искривления на орбиту Меркурия. В конце прошлого года учеными были также обнаружены гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном. Они в очередной раз подтвердили теорию этого величайшего физика.
Вторым взаимодействием является электромагнитное. Оно порождается электрическими зарядами: положительными и отрицательными. Причем заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков - притягиваются. Взаимодействие осуществляется через поле и переносится безмассовым фотоном. Электромагнитные силы намного сильнее гравитационных, однако они также ослабевают с расстоянием. Благодаря им существует атомы и молекулы, обуславливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Наибольший вклад в развитие теории электромагнитного взаимодействия внесли Ханс Кристиан Эрстед, Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.
Третьим взаимодействием является сильное, также называемое ядерным. Название отражает саму суть этого взаимодействия - оно происходит внутри атомного ядра. Оно примерно в сто раз сильнее электромагнитного. Сильное взаимодействие отвечает за связь кварков в андронах (крупные элементарные частицы) и притяжение нуклонов внутри ядра. Силы притяжения между протонами и нейтронами также называются ядерными. Для них характерны короткодействующий эффект, зарядовая независимость (неэлектрическая природа), насыщение (способность каждого нуклона взаимодействовать только с определенным числом нуклонов), зависимость от ориентации спинов [1]. Также ядерные силы не являются центральными. Первую модель взаимодействия нуклонов в 1935 году построил японский физик-теоретик Хидэки Экава.
Следующим на очереди стоит слабое взаимодействие. Оно названо так по причине того, что является намного менее интенсивным, чем электромагнитное или сильное, однако все равно сильнее гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим и отвечает за распад массивных частиц на более легкие (слабый распад), за процесс Р-распада [1], а также обуславливает протекание термоядерных реакций в звездах. В 1960-х годах благодаря трудам американских физиков Шелдона Ли Глэшоу и Стивена Вайнберга, а также пакистанского физика АбдальГани АсСалами, слабое взаимодействие было объединено с электромагнитным в единое электрослабое. За это они получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году.
Последним является открытое относительно недавно поле Хиггса, названное в честь британского физика Питера Хиггса. Это поле определяет частица, именуемая бозоном Хиггса. Эта частица была найдена благодаря Большому андронному коллайдеру в 2012 году. Суть взаимодействия заключается в нарушении симметрии электрослабых взаимодействий. Стандартная модель физики элементарных частиц, объединившая электромагнитное и слабое взаимодействие, базируется на поле Хиггса.
Все эти пять вышеперечисленных взаимодействий порождают каждое свою теорию, но так как природа едина, то физики всячески пытаются объединить их в одну унифицированную теорию всего. На этом пути возникает целый ряд проблем, однако даже
решение этих неразрешенных вопросов еще не гарантирует образования общей теории всего. На данный момент известно пять таких проблем [4].
Первая проблема связана с объединением общей теории относительности и квантовой механики в единую теорию квантовой гравитации. Дело в том, что согласно общей теории относительности поведение объектов можно точно предсказать, пространство и время могут изменяться согласно этой теории. В квантовой же механике объекты рассматриваются на фоне внешних пространства и времени, а определить то, что будет происходить с объектами, можно только с некоторой вероятностью. Устранение этих принципиальных различий и установление единой теории квантовой гравитации будет очень большим шагом на пути к теории всего.
Второй проблемой является само описание квантовой механики. Оно имеет много вопросов и парадоксов (например, кот Шредингера). По этой причине возникает необходимость в сознательном наблюдателе, причем этот наблюдатель в квантовой механике не может быть отделен от объекта наблюдения, то есть реальности, окружающей его [5].
К третьей проблеме относится объединение всех сил и частиц. Стандартная модель физики элементарных частиц успешно объединила электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействие, однако с гравитацией возникли проблемы. В первую очередь, по причине того, что непонятно, какие частицы являются переносчиками гравитационного взаимодействия. Условно такие частицы называют гравитонами, однако пока они остаются исключительно гипотетическими.
В стандартной же модели физики элементарных частиц, в свою очередь, также имеется большая проблема, связанная с большим количеством констант. Заключается она в том, что нет четкого объяснения того, каким образом выбираются данные константы. Да, конечно, их определение происходит экспериментальным путем, но, тем не менее, в их основе лежит какое-то явление, просто игнорируемое в рассматриваемых ситуациях.
Последняя же проблема связана с темной материей и темной энергией. Установлено, что мы можем увидеть всего лишь десятую часть Вселенной, а остальная часть представляет из себя темную материю. Доказательством этого является притяжение разных частей Вселенной друг к другу, а также более быстрое вращение галактик, чем предсказанное. Проблема же заключается в том, что непонятно, что именно из себя представляет темная материя и темная энергия. Ответ на этот вопрос раскроет огромную тайну мироздания.
Было много попыток составления единой теории всего. Альберт Эйнштейн до конца своей жизни пытался объединить свою общую теорию относительности с квантовой механикой, но успеха в этом вопросе, к сожалению, не добился (этот вопрос, как описано выше, до сих пор остается первой проблемой теории всего). Однако некоторым удалось сделать большие шаги в данном направлении. Так была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая слабое и электромагнитное взаимодействие в качестве одного проявляющегося по-разному взаимодействия (как было указано выше), а также квантовая хромодинамика, объяснившая сильное взаимодействие на квантовом уровне. Все это отлично, но что насчет полноценной теории всего? На сегодняшний день есть три основных кандидата на этот пост: теория струн, петлевая квантовая гравитация и теория Калуцы-Клейна. Не каждая из них является идеальной унифицированной теорией, однако серьезно приближает нас к этому. Разберем эти теории немного подробнее.
Теория Калуцы-Клейна позволяет объединить гравитацию и электромагнетизм вместе за счет введения дополнительного пятого измерения к уже имеющимся четырем известным (три измерения пространства и время). Выдвинул эту теорию в 1921 году немецкий ученый Теодор Калуца, а обоснование невидимого пятого измерения в 1926 году предложил шведский физик Оскар Клейн. К этой теории очень долгое время относились скептически, однако она получила свое применение и дальнейшее развитие в теории струн.
В основе теории струн лежит довольно простая идея: частицы представляют из себя крошечные «струны» [3]. По причине их малого размера они и кажутся точками. Различные колебания струн определяют различные частицы. Эта теория позволяет описать тот самый
гипотетический гравитон, представив его в виде струны с коротким спином, не имеющей массы и движущейся со скоростью света. Однако у этой теории есть свои проблемы. Они связаны, в первую очередь, с необходимостью вести расчеты в двадцати шести измерениях вместо четырех, сформированных в общей теории относительности. Даже несмотря на то, что эта теория была усовершенствована в теория суперструн, ей все равно необходимы целых десять измерений. Предполагается, что только видимые нами три измерения расширились, а остальные является ничтожно малыми, однако доказательств этого пока нет.
Многие физики отдают предпочтение теории петлевой квантовой гравитации, однако ее нельзя считать полноценной теорией всего. Она, как и теория Калуцы-Клейна, позволяет сделать только шаг к единой теории, но очень большой и важный шаг. Этот шаг заключается в объяснении квантовой гравитации. Согласно этой теории пространственно-временной континуум разделен на небольшие кусочки, состоящие из множества объединенных между собой петельками точек. Сплетение этих петелек объясняет гравитацию, однако этой теории присуща та же самая проблема, что и теории струн - нет никаких экспериментальных подтверждений.
В заключение хотелось бы отметить, что велика вероятность того, что однажды единая теория всего будет построена. Человечество все больше знает о мире, углубляясь в познание известных частиц и взаимодействий. Отдельные теории не стоят на месте и всячески развиваются, а также строятся и доказываются теории, объединяющие в себе сразу несколько взаимодействий и элементарных частиц. Из всего этого можно сделать далеко идущий вывод, что однажды нам удастся раскрыть все тайны природы и прийти к единому пониманию мира.
Литература
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 560 с.
2. Волошина, В.Н. Единые физические процессы (творение мира) / В.Н. Волошина, С.И. Гордеев. -Владивосток, 2009. - 155 с.
3. Будет ли у нас когда-нибудь "теория всего"? // Hi-News.ru. URL: http://hi-news.ru/science/budet-li-u-nas-kogda-nibud-teoriya-vsego.html (дата обращения: 30.04.2016).
4. Смолин, Ли. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует / Ли Смолин. - Лондон: Издательство «Penguin Book», 2007.
5. Липкин А.И. Миф об особой роли сознания наблюдателя в квантовой механике. // Электронный ресурс. URL: https://mipt.ru/education/chair/philosophy/publications/works/lipkin/philsci/a_3vzyrl.php (дата обращения: 30.04.2016).
