Ученые: поиск ответа на вопрос Эйнштейна о «мыслях Бога» может занять тысячелетия

pixabay.com

В 1925 году во время прогулки с молодой ученицей по имени Эстер Саламан Эйнштейн рассказал ей о самом главном вопросе, который его беспокоил: «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» удивительно точно называет конечную цель современной физики, которая заключается в том, чтобы в совершенстве понять все законы природы или, как говорят физики, «теорию всего», (TOE). В идеале TOE должна отвечать на все вопросы. Если выражаться более научно, то она объяснила бы все явления с помощью единой теории, единого строительного блока и единой силы. По мнению ученых, поиск этой теории может занять сотни или даже тысячи лет.

Сегодня у нас есть две теории, которые, вместе взятые, хорошо описывают окружающий нас мир, однако все еще далеки от ТОЕ.

Первая — это теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию и поведение звезд, галактик и Вселенной в самых больших масштабах. В частности, согласно физику, гравитация представляет собой буквальное искривление пространства и времени. Эта гипотеза была подтверждена многократно, особенно с открытием гравитационных волн в 2016 году.

Вторая теория называется Стандартной моделью, которая описывает субатомный мир. Именно в этой области ученые больше всего приблизились к ТОЕ.

Мы знаем, что все окружающие нас вещи состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов.

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 самых маленьких строительных блоков — это только первый шаг в разработке ТОЕ. Следующим шагом является понимание сил, которые управляют взаимодействием строительных блоков. Ученым известны четыре фундаментальные силы, три из которых относятся к электромагнетизму, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия, изученные на субатомном уровне. Электромагнетизм связывает атомы и отвечает за химию. Сильное взаимодействие удерживает вместе ядра атомов, а также кварки внутри протонов и нейтронов. Слабое взаимодействие ответственно за некоторые виды ядерного распада.

Каждая из известных субатомных сил имеет связанную частицу или частицы, которые несут эту силу: глюон (элементарная безмассовая частица) является переносчиком сильного взаимодействия, фотон управляет электромагнетизмом, а бозоны W и Z управляют слабым взаимодействием. Существует также призрачное энергетическое поле, называемое полем Хиггса, которое пронизывает Вселенную и дает массу кваркам, лептонам и некоторым несущим силу частицам. Все вместе эти строительные блоки и силы составляют Стандартную модель.

Однако основная цель физиков — найти один строительный блок и одну силу, которая могла бы объяснить материю и движение Вселенной, но сделать это будет довольно сложно, поскольку для этого требуется очень мощный ускоритель частиц, которого у нас пока нет.

По предварительным оценкам создание такой установки займет несколько десятилетий. Тем не менее, с ее помощью физикам удастся продвинуться относительно недалеко. Таким образом, пока ученым остается лишь выдвигать разные гипотезы о том, как этот самый маленький строительный блок может выглядеть.

Одной из популярных теорий является теория суперструн, утверждающей, что самая маленькая частица — вовсе не частица, а небольшая и вибрирующая «струна». Точно так же, как с помощью струны виолончели можно получить не одну, разные типы вибрации — это разные кварки и лептоны. Таким образом, один тип струны может быть основным строительным блоком.

Проблема в том, что на сегодняшний день нет никаких эмпирических данных о том, что суперструны действительно существуют. Кроме того, энергия, необходимая для того, чтобы их увидеть (энергия Планка), должна быть в квадриллион раз выше, чем мы можем в настоящее время генерировать.

С другой стороны, множество сил также являются проблемой. В конечном итоге ученые надеются «объединить» их, доказав, что это просто разные проявления единой силы. Ранее, например, Исаак Ньютон показал, что сила, заставляющая вещи падать на Землю, и сила, которая управляет движением небес, на самом деле одна и та же; Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество и магнетизм — это разные действия также одной силы под названием электромагнетизм.

В 1960-х годах ученым удалось показать, что слабая ядерная сила и электромагнетизм на самом деле были двумя различными аспектами электрослабого взаимодействия. Теперь исследователи надеются убедиться, что электрослабое и сильное взаимодействия могут быть составляющим единого великого взаимодействия.

Однако физики подозревают, что это окончательное объединение также будет иметь место при энергии Планка, опять же потому, что речь идет об энергии и размере, при которых квантовые эффекты больше не могут игнорироваться в теории относительности.

Тем не менее, факт заключается в том, что при таком большом разрыве между достижимой в настоящее время энергией в ускорителях частиц и энергией Планка правильное создание ТОЕ кажется невероятным.

Это не значит, что все физики должны уйти на пенсию и заняться живописью, просто человечеству предстоит проделать значительную работу. Мы должны понять необъяснимые явления, такие как темная материя и темная энергия, которые составляют 95% известной Вселенной, и использовать это понимание для создания более новой, более всеобъемлющей физической теории. Эта теория не будет ТОЕ, но сможет объяснить больше, чем текущая теоретическая основа. Повторять этот процесс нам придется снова и снова.

Материал подготовила Татьяна Артюхова

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: