Поиск единой теории

Эйнштейн пытался разрешить  одну из величайших загадок современной  науки, загадку настолько сложную, что сегодня тысячи физиков, используя  последние достижения науки, все  еще пытаются ее разрешить. Альберт  Эйнштейн последние 20 лет своей жизни  неустанно искал единую теорию, настолько  мощную, чтобы описать все во Вселенной. Даже в конце жизни у Эйнштейна  был под рукой блокнот, чтобы  быстро записывать возникающие в  его голове уравнения того, что  стало позднее называться «теорией всего». Убежденный в том, что он находится у порога самого важного  открытия в науке, Эйнштейн ушел из жизни, не осуществив свою мечту. 
 Единая теория должна сформулировать закон, который описывал бы, по возможности, всё в известной нам Вселенной с помощью одной единственной идеи, одного основного уравнения. Теория всего - гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий[1]. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе. В научной литературе вместо термина «теория всего» используется термин «единая теория поля», тем не менее следует иметь в виду, что теория всего может быть построена и без использования полей, несмотря на то, что научный статус таких теорий может быть спорным.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов. Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения. Квантовая механика в основном используется для описания микромира, а общая теория относительности применима к макромиру. СТО (Специальная теория относительности) описывает явления при больших скоростях, а ОТО является обобщением ньютоновской теории гравитации, объединяющей её со СТО и распространяющей на случай больших расстояний и больших масс. Непосредственное совмещение квантовой механики и специальной теории относительности в едином формализме (квантовой релятивистской теории поля) приводит к проблеме расходимости — отсутствия конечных результатов для экспериментально проверяемых величин. Для решения этой проблемы используется идея перенормировки величин. Для некоторых моделей механизм перенормировок позволяет построить очень хорошо работающие теории, но добавление гравитации (то есть включение в теорию ОТО как предельного случая для малых полей и больших расстояний) приводит к расходимостям, которые убрать пока не удаётся. Хотя из этого вовсе не следует, что такая теория не может быть построена. Объединение теорий – вот главная идея. И задолго до Эйнштейна поиск единой теории начался самым известным происшествием в истории науки. Однажды в 1665 году Исаак Ньютон сидел под деревом, как неожиданно на него упало яблоко. После падения этого яблока Ньютон совершил революцию в нашем представлении о Вселенной. В смелом для своего времени предположении он провозгласил, что сила, притягивающая яблоко к земле, и сила, удерживающая Луну на орбите вокруг Земли, на самом деле, являются одной и той же силой. Ньютон объединил небеса и Землю в одной единой теории, которую он назвал законом всемирного тяготения, а силу – гравитацией. Объединение небесных материй с земными – одни и те же законы управляют движением планет, приливами, и падением фруктов на землю. Это было фантастическим объединением представлений о природе. Гравитация была первым научно описанным взаимодействием, за открытием которого позднее последовало открытие еще трех. Несмотря на то, что Ньютон открыл закон тяготения более трех столетий назад, его уравнения, описывающие данное взаимодействие, дают настолько точные предсказания, что мы до сих пор можем ими пользоваться. Ученым не требовалось ничего, кроме уравнений Ньютона, чтобы начертить движение ракеты, которая доставила людей на Луну. Имелась все же проблема. Несмотря на то, что его законы описывали силу тяготения с большой точностью, у него не было даже понятия о том, каким образом возникает тяготение. 
 В течение почти 250-ти лет ученые предпочитали отворачиваться в сторону от этой загадки. Но в начале 1900-х неизвестный клерк, работавший в швейцарском патентном бюро, полностью изменил их представления. Альберт Эйнштейн размышлял о поведении света. Он даже не подозревал, что его размышления о свете приведут его к разгадке тайны гравитации. В возрасте 26 лет Эйнштейн сделал потрясающее открытие: скорость света является своего рода космическим лимитом скорости, скоростью, которую ничто во Вселенной не может превысить. Но, как только Эйнштейн опубликовал эту идею, ему пришлось столкнуться с отцом гравитации. Проблема в том, что эйнштейновская идея о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, резко противоречила ньютоновской картине гравитации. Чтобы понять этот конфликт, нужно проделать несколько экспериментов. Представьте себе космическую катастрофу – неожиданно Солнце испаряется и полностью исчезает. Согласно Ньютону, после исчезновения Солнца планеты немедленно слетят со своих орбит и устремятся в космос. Ньютон полагал, что тяготение является силой, которая действует мгновенно на любом расстоянии, так что мы бы мгновенно почувствовали эффект исчезновения Солнца. Но Эйнштейн видел большую проблему ньютоновской теории, проблему, возникавшую в связи с его работами, посвященными свету. Эйнштейн знал, что свет не распространяется мгновенно. На самом деле, солнечным лучам требуется около восьми минут, чтобы пересечь 150 миллионов километров, отделяющих Землю от Солнца. А поскольку он показал, что ничто, даже тяготение не может быть быстрее света, каким образом Земля могла сойти с орбиты, прежде чем темнота от исчезновения Солнца достигла бы наших глаз? Для Эйнштейна что-либо быстрее света было невозможно, и это означало, что 250-летняя ньютоновская картина тяготения неверна. Если Ньютон не прав, тогда почему планеты остаются на своих орбитах? Потому что триумф ньютоновских уравнений связан с поиском теории движения планет и звезд и, в частности, с проблемой, почему у планет именно такие орбиты, какие у них есть. С помощью уравнений Ньютона можно рассчитать траекторию движения планет. Эйнштейну предстояло разрешить эту дилемму. 
 Когда Эйнштейну было почти тридцать, ему необходимо было предложить новую картину Вселенной, в которой тяготение не превышает космический лимит скорости. Спустя почти десять лет непрерывного мозгового напряжения он нашел ответ в объединении нового типа. Эйнштейн пришел к мысли, что три измерения пространства и единственное измерение времени связаны единой тканью пространства-времени. Он надеялся, что понимание геометрии этого четырехмерного пространства-времени позволит ему говорить о движении объектов как о перемещении вдоль поверхностей тканей этого пространства-времени. Подобно поверхности батута, объединяющая ткань искривлена и натянута массивными объектами, такими как планеты и звезды. Именно это искривление пространства-времени создает то, что мы ощущаем как тяготение. Планета, такая как Земля , удерживается на своей орбите не потому , что Солнце вытягивается и мгновенно хватает его, как в ньютоновской теории, а просто потому что она следует тем кривым в пространстве ткани, которые обусловлены присутствием Солнца. Имея это новое понимание гравитации, давайте снова представим себе космическую катастрофу. Что теперь произойдет, когда Солнце исчезнет? Возникающее гравитационное возмущение примет форму волны, которая начнет движение вдоль пространственной ткани, подобно тому, как брошенный в пруд камешек создает рябь на поверхности воды. Таким образом, мы не почувствуем изменения нашей орбиты до тех пор, пока эта волна не достигнет Земли. Более того, Эйнштейн подсчитал, что эти ряби гравитации путешествуют со скоростью, в точности равной скорости света. Таким образом, с помощью этого нового подхода Эйнштейн решил конфликт с Ньютоном по поводу того, с какой скоростью распространяется гравитация. Эйнштейн дал миру новое представление о том, что на самом деле представляет собой гравитация. Это искривление ткани пространства-времени. Эйнштейн назвал эту новую картину «общей теорией относительности», а спустя всего несколько лет его имя стало всемирно известным. Несмотря на все свои достижения, Эйнштейн не был удовлетворен. Он сразу устремил свой взор в сторону более высокой цели – объединение нового представления о гравитации с единственным другим известным тогда взаимодействием – электромагнетизмом. 
 Электромагнетизм претерпел объединение всего за несколько десятилетий до открытия Эйнштейном общей теории относительности. В середине 1800-х электричество и магнетизм возбуждали интерес ученых. Казалось, эти взаимодействия обладали любопытной взаимосвязью, которой пользовались изобретатели, такие как Самюэль Морзе, в построении новомодных в то время устройств, например, телеграфа. Электрический импульс, посланный по телеграфному проводу на магнитное устройство, находившееся в тысячах миль, производил знакомые точки и тире азбуки Морзе, что позволяло отправлять сообщения через весь континент всего за долю секунды. Несмотря на то, что телеграф стал сенсацией, фундаментальная наука, лежащая в его основе, оставалась тайной. Шотландскому ученому Джеймсу Максвеллу, тем не менее, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом была настолько очевидной по природе, что требовала объединения. Если вы бывали когда-нибудь на вершине горы во время грозы, у вас уже есть представление о том, как электричество и магнетизм тесно взаимосвязаны. Когда возникает поток электрически заряженных частиц, как, например, в молнии, он создает магнитное поле. Увлеченный этой взаимосвязью, Максвелл был полон решимости объяснить ее на языке математики. Решая данную проблему новым способом, Максвелл придумал систему четырех уравнений, которые объединили электричество и магнетизм в одном взаимодействии, которое называется «электромагнетизм». Подобно тому, что сделал до него Исаак Ньютон, Максвелл посредством этого объединения приблизил науку еще на один шаг ближе к разгадке кода Вселенной. Эйнштейн полагал, что это один из триумфальных моментов во всей истории физики и безмерно восхищался Максвеллом за его достижения. 
 Спустя примерно пятьдесят лет, после того как Максвелл объединил электричество и магнетизм, Эйнштейн был уверен в том, что если он сможет объединить свою новую теорию с открытием Максвелла, он сформулирует основное уравнение, которое описывало бы всё, всю Вселенную. Скорость гравитации равна скорости света, таким образом, это указывает на потенциальную основополагающую симметрию. Но как только Эйнштейн начал пытаться объединить тяготение с электромагнетизмом, он обнаружил, что различия между этими взаимодействиями превосходят сходства. Мы привыкли считать, что тяготение является мощным взаимодействием, ведь именно эта сила удерживает нас на Земле, но по сравнению с электромагнетизмом, она ужасно слаба. Элетромагнитная сила в миллиарды раз сильнее гравитационной. Это кажется немного странным, ведь именно гравитация притягивает наши ноги к земле, удерживает Землю на орбите вокруг Солнца, однако, фактически ей это удается только потому, что она действует на чудовищно большие конгломераты материи – на людей, небесные тела. Но на уровне отдельных атомов гравитация является невероятно слабым взаимодействием. Эйнштейну предстояла тяжелая битва за объединение этих двух взаимодействий с чудовищно различными силами. Но едва ли он начал, как стремительные изменения в мире физики оставили его не у дел. Эйнштейн столь много достиг за годы, предшествовавшие 1920-м, что, естественно, он ожидал, что сможет продолжить те же теоретические игры и достичь еще больших успехов. Но он не смог. В 1920-х и 1930-х годах оказалось, что природа ведет себя совсем по-другому, и те удивительные теории и инструментарий, который имел в своем распоряжении Эйнштейн, и которые были баснословно успешными, просто больше не работали. 
 В 1920-х годах группа молодых ученых перехватили пальму первенства у Эйнштейна, когда они предложили новый удивительный способ получения представлений о природе. Их видение Вселенной было настолько странным, что Эйнштейновский поиск единой теории был поставлен с ног на голову. Во главе с датским физиком Нильсом Бором эти ученые открывали совершенно новую область Вселенной. Атомы, которые долгое время считались мельчайшими компонентами Вселенной, оказались состоящими из еще более мелких частиц : известное теперь ядро состояло из протонов и нейтронов, а вокруг него на орбитах находились электроны. Теории Эйнштейна и Максвелла оказались бессильны объяснить необычное поведение и взаимодействие этих крошечных частиц материи внутри атома. Когда ученые начали изучать атом в различных аспектах, они не знали как учесть все эти особенности, то есть поведение частиц внутри ядра. Старые теории были абсолютно неадекватны в отношении этой задачи. Гравитация ни при чем, она слишком слаба, а электричества и магнетизма было недостаточно. Не имея теории, объясняющий это странный новый мир, ученые потерялись в незнакомой атомной местности, и нащупывали хоть какие-то узнаваемые вехи. 
 В конце 1920-х годах все резко изменилось. В течение тех лет ученые разработали новую теорию, названную «квантовой механикой», и эта теория смогла дать описание микроскопической области Вселенной с большим успехом. Но квантовая теория настолько радикальная теория, что она совершенно отказалась от всех предшествующих способов описания Вселенной. Теории Эйнштейна требуют, чтобы вся Вселенная была упорядоченной и предсказуемой. Но Нильс Бор был не согласен. Он вместе со своими коллегами провозгласил, что на уровне атомов и частиц мир является игрой случая. На атомном или квантовом уровне правит неопределенность. Лучшее, что можно сделать, согласно квантовой механике, - это предсказать шанс или вероятность того или иного исхода. И эта странная идея легла в основу новой тревожной картины реальности. Она была настолько тревожной, что, если бы странные особенности квантовой механики проявились в нашем повседневном мире, вы могли бы подумать, что потеряли рассудок. Законы квантового мира очень сильно отличаются от законов, к которым мы привыкли. Наши повседневные впечатления абсолютно отличаются от того, что мы увидели бы в квантовом мире. Квантовый мир сумасшедший, вероятно, так лучше всего его можно описать. 
 В течение почти восьмидесяти лет квантовая механика успешно утверждала, что странные и необычные вещи типичны для нашей Вселенной на чрезвычайно малых масштабах. В масштабе повседневной жизни мы не ощущаем непосредственно сверхъестественность квантовой механики. Чтобы понимать квантовую механику, нужно научиться отказываться от тех предположений, которые есть у людей относительно мира. Например, существует вероятность того, что частицы пройдут сквозь стены и барьеры, которые кажутся непреодолимыми. 
 Эйнштейн никогда не терял веру в то, что Вселенная ведет себя определенным и предсказуемым образом. Идея состоящая в том, что все, что мы можем сделать, - это подсчет шансов тех или иных исходов, была глубоко неприятна Эйнштейну. Он обычно говорил: «Бог не играет в кости». 
 Тем не менее эксперимент за экспериментом показывал, что великий ученый неправ, и что квантовая механика – единственный способ понять мир на атомном уровне, как бы это не противоречило интуиции. Квантовая механика фантастически точна – не было еще ни одного ее предсказания, которое бы противоречило наблюдениям. 
 К 1930-м годам поиск Эйнштейном единой теории все больше заходил в тупик, в то время как квантовая механика открывала секреты атома. Ученые обнаружили, что гравитация и электромагнетизм не единственные взаимодействия во Вселенной. Исследуя структуру атома, они обнаружили еще два. Одно, названное сильным ядерным взаимодействием, похоже на суперклей, скрепляющий ядро любого атома, связывающий протоны и нейтроны. Другое, названное слабым ядерным взаимодействием, позволяет нейтронам превращаться в протоны, испуская при этом излучение. На квантовом уровне гравитация, наиболее знакомое нам взаимодействие, полностью заслоняется электромагнетизмом и этими новыми двумя взаимодействиями. Сильное и слабое ядерное взаимодействие могут показаться туманными вещами, но в одном проявлении мы все же знакомы с их мощью.  
 В 5:29 16 июля 1945 года эта мощь была приведена в действие, что изменило ход истории. В центре пустыни в Нью-Мехико, на вершине стальной башни, была взорвана первая атомная бомба. Она была всего 1,5 метра в диаметре, но несла в себе заряд, эквивалентный примерно 20000 тоннам тротила. Этим мощным взрывом ученые освободили сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает нейтроны и протоны крепкой связью внутри атома. В результате разрыва связи этого «клея» и расщепления атома на части, огромные, по настоящему невероятные объемы разрушительной силы были освобождены. С помощью счетчика Гейгера все еще можно обнаружить последствия этого взрыва посредством слабого ядерного взаимодействия, поскольку оно ответственно за радиоактивное излучение. 
 Итак, хотя по сравнению с электромагнетизмом и гравитацией ядерные силы действуют на очень малых масштабах, их влияние на повседневную жизнь огромно. А как насчет гравитации, общей теории относительности Эйнштейна? Куда она встраивается на квантовом уровне? Квантовая механика говорит нам, каким образом работают в природе на микроскопическом уровне все взаимодействия, кроме гравитации. Никто не смог выяснить, каким образом работает гравитация, когда речь идет об атомном и ядерном уровне. То есть никто не смог выяснить, как соединить общую теорию относительности и квантовую механику в одной теории. В течение десятилетий любая попытка описать гравитацию на том же языке, что и остальные силы, на языке квантовой механики оканчивалась провалом. Гравитация – первое взаимодействие, которое действительно понятно, хорошо количественно описано, но оно все еще остается отщепленным и сильно отличается от остальных взаимодействий. 
 В 1933 году, оставив нацистскую Германию, Эйнштейн поселился в Принстоне, Нью Джерси. Работая в одиночестве, он упорно продолжал объединение гравитации и электромагнетизма. В свои последние годы великий ученый отстранился от общего научного процесса в физике, прекратил читать статьи коллег. Он продолжал работу над все той же проблемой, над которой начал работать еще молодым. Эйнштейн решил не обращать внимания на ту физику, которая возникла в результате экспериментов с квантовой механикой, ее законы не играли никакой роли в его исследованиях. 
 С тех пор физики разделились на два лагеря: одни используют общую теорию относительности для изучения больших и массивных объектов, таких как звезды, галактики и Вселенная в целом, а другие используют квантовую механику для изучения мельчайших объектов, таких как атомы и частицы