В 1925 году Эйнштейн отправился на прогулку с молодой ученицей по имени Эстер Саламан. Когда они блуждали, он разделял свой основной руководящий интеллектуальный принцип: «Я хочу знать, как Бог создал этот мир. Меня не интересует то или иное явление, спектр того или иного элемента. Я хочу знать Его мысли; остальное - просто детали ».
Фраза «мысли Бога» является восхитительно подходящей метафорой для конечной цели современной физики, которая заключается в том, чтобы развить совершенное понимание законов природы - то, что физики называют «теорией всего» или ОО. В идеале ОО должен отвечать на все вопросы, не оставляя ничего без ответа. Почему небо голубое? Покрытые. Почему существует гравитация? Это тоже покрыто. Если говорить более научным образом, то ОО в идеале объяснил бы все явления с помощью единой теории, единого строительного блока и единой силы. На мой взгляд, поиск ОО может занять сотни или даже тысячи лет. Чтобы понять почему, давайте подведем итоги.
Нам известны две теории, которые, взятые вместе, дают хорошее описание окружающего нас мира, но обе являются световыми годами от ОО.
Вторая теория называется Стандартной моделью, которая описывает субатомный мир. Именно в этой области ученые достигли наиболее очевидного прогресса в теории всего.
Если мы посмотрим на мир вокруг нас - мир звезд и галактик, пуделей и пиццы, мы можем спросить, почему вещи обладают свойствами, которые они имеют. Мы знаем, что все состоит из атомов, и эти атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.
И в 1960-х годах исследователи обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками, а электрон входит в класс частиц, называемых лептонами.
Поиск мельчайших строительных блоков - это только первый шаг в разработке теории всего. Следующим шагом является понимание сил, которые управляют взаимодействием строительных блоков. Ученым известны четыре фундаментальные силы, три из которых - электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные силы - понимаются на субатомном уровне. Электромагнетизм связывает атомы и отвечает за химию. Сильная сила удерживает ядро атомов и удерживает кварки внутри протонов и нейтронов. Слабая сила ответственна за некоторые виды ядерного распада.
Каждая из известных субатомных сил имеет связанную частицу или частицы, которые несут эту силу: глюон несет сильную силу, фотон управляет электромагнетизмом, а бозоны W и Z управляют слабой силой. Существует также призрачное энергетическое поле, называемое полем Хиггса, которое пронизывает вселенную и дает массу кваркам, лептонам и некоторым несущим силу частицам. Взятые вместе, эти строительные блоки и силы составляют Стандартную модель.
Используя кварки и лептоны и известные несущие силу частицы, можно построить атомы, молекулы, людей, планеты и, действительно, всю известную материю вселенной. Это, несомненно, огромное достижение и хорошее приближение к теории всего.
И все же это действительно не так. Цель состоит в том, чтобы найти единый строительный блок и единственную силу, которая могла бы объяснить материю и движение вселенной. Стандартная модель имеет 12 частиц (шесть кварков и шесть лептонов) и четыре силы (электромагнетизм, гравитация и сильные и слабые ядерные силы). Кроме того, не существует известной квантовой теории гравитации (то есть наше текущее определение охватывает только гравитацию, включающую в себя вещи, которые больше, чем, например, обычная пыль), поэтому гравитация даже не является частью Стандартной модели. Итак, физики продолжают искать еще более фундаментальную и основополагающую теорию. Для этого им нужно уменьшить количество как строительных блоков, так и сил.
Найти меньший строительный блок будет сложно, потому что для этого требуется более мощный ускоритель частиц, чем когда-либо строили люди. Временной горизонт для новой ускорительной установки, которая будет введена в эксплуатацию, составляет несколько десятилетий, и эта установка обеспечит лишь относительно незначительное постепенное улучшение по сравнению с существующими возможностями. Поэтому ученые должны вместо этого порассуждать о том, как может выглядеть меньший строительный блок. Популярная идея называется теорией суперструн, которая утверждает, что наименьший строительный блок - это не частица, а небольшая и вибрирующая «струна». Точно так же, как виолончельная струна может сыграть более одной ноты, разные модели вибрации - это разные кварки и лептоны. Таким образом, один тип строки может быть основным строительным блоком.
Проблема в том, что нет эмпирических данных о существовании суперструн. Кроме того, ожидаемая энергия, необходимая для их просмотра, называется энергией Планка, которая в квадриллион (в 10 раз увеличена до 15-й степени) выше, чем мы можем генерировать в настоящее время. Очень большая энергия Планка тесно связана с так называемой длиной Планка, невероятно крошечной длиной, за пределами которой квантовые эффекты становятся настолько большими, что буквально невозможно измерить что-то меньшее. Между тем, они становятся меньше, чем длина Планка (или больше, чем энергия Планка), и квантовые эффекты гравитации между фотонами или легкими частицами становятся важными, и теория относительности больше не работает. Это делает вероятным, что это масштаб, в котором будет понята квантовая гравитация. Это, конечно, все очень умозрительно, но это отражает наш текущий лучший прогноз. И, если это правда, суперструны должны будут оставаться спекулятивными в обозримом будущем.
Изобилие сил также является проблемой. Ученые надеются «объединить» силы, показав, что это просто разные проявления единой силы. (Сэр Исаак Ньютон именно так и сделал, когда он показал, что сила, которая заставляет вещи падать на Землю, и сила, которая управляла движением небес, были одним и тем же; Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество и магнетизм - это действительно разные действия объединенной силы называется электромагнетизм.)
В 1960-х годах ученые смогли показать, что слабая ядерная сила и электромагнетизм на самом деле были двумя различными аспектами объединенной силы, называемой электрослабой силой. Теперь исследователи надеются, что электрослабая сила и сильная сила могут быть объединены в так называемую великую объединенную силу. Затем они надеются, что великая объединенная сила может быть объединена с гравитацией, чтобы создать теорию всего.
Однако физики подозревают, что это окончательное объединение также будет иметь место при энергии Планка, опять же, потому что это энергия и размер, при которых квантовые эффекты больше нельзя игнорировать в теории относительности. И, как мы видели, это гораздо более высокая энергия, чем мы можем надеяться достичь в ускорителе частиц в ближайшее время. Чтобы дать ощущение пропасти между текущими теориями и теорией всего, если мы представили энергии частиц, мы могу определить как ширину клеточной мембраны, энергия Планка является размером Земли. Хотя вполне возможно, что кто-то с глубоким пониманием клеточных мембран может предсказать другие структуры внутри клетки - такие вещи, как ДНК и митохондрии, - немыслимо, чтобы они могли точно предсказать Землю. Насколько вероятно, что они могли предсказать вулканы, океаны или магнитное поле Земли?
Простой факт заключается в том, что при таком большом разрыве между достижимой в настоящее время энергией в ускорителях частиц и энергией Планка, правильное создание теории всего кажется невероятным.
Это не значит, что все физики должны уйти в отставку и заняться пейзажной живописью - предстоит проделать значительную работу. Нам все еще нужно понимать необъяснимые явления, такие как темная материя и темная энергия, которые составляют 95% известной вселенной, и использовать это понимание для создания более новой, более всеобъемлющей теории физики. Эта более новая теория не будет ОО, но будет постепенно лучше, чем текущая теоретическая структура. Нам придется повторять этот процесс снова и снова.
Разочарованный? Я тоже. В конце концов, я посвятил свою жизнь попыткам раскрыть некоторые тайны космоса, но, возможно, некоторые перспективы в порядке. Первое объединение сил было достигнуто в 1670-х годах с помощью теории универсальной гравитации Ньютона. Второй был в 1870-х годах с теорией Максвелла об электромагнетизме. Электрослабое объединение было относительно недавно, всего полвека назад.
Учитывая, что с момента нашего первого большого успешного шага в этом путешествии прошло 350 лет, возможно, не менее удивительно, что путь впереди нас еще длиннее. Представление о том, что у гения будет понимание, которое приведет к полностью развитой теории всего в ближайшие несколько лет, является мифом. Нас ждет долгая схватка - и даже внуки современных ученых не увидят конца этого.
Но какое это будет путешествие.
Дон Линкольн - исследователь физики в Fermilab, Он является авторомБольшой адронный коллайдер: экстраординарная история бозона Хиггса и других вещей, которые поразят ваш разум"(Johns Hopkins University Press, 2014), и он выпускает серию научных исследований видео, Следуй за ним в Фейсбуке, Мнения, высказанные в этом комментарии, принадлежат ему.
Дон Линкольн внес эту статью в Live Science's Голоса экспертов: Op-Ed & Insights, Первоначально опубликовано на живой науке.
