Фізикам завжди було цікаво сягнути глибини усіх речей на світі. Матерія, яку вони розглядають вже котре століття, складається із фундаментальних, неподільних на елементи частинок – кварків та лептонів. З кварків утворюються адрони – елементарні частинки; в основі їхньої взаємодії лежить принцип роботи адронного колайдера. З кварків також складається і ядро атома: протони та нейтрони.

Теорія всього для всіх 🤔

Наразі нам відомі чотири типи взаємодій, себто чотири сили, які так чи інакше впливають на частинки: гравітація, електромагнетизм, сильна та слабка ядерні взаємодії. Гравітація відповідає за силу тяжіння між об’єктами. Електромагнетизм – за взаємодію між тілами, що містять електричний заряд. Сильна ядерна взаємодія утримує разом протони й нейтрони в ядрі атома (як і самі кварки), а слабка відповідає за розпад атомів.

Деякі науковці вважають час п’ятою взаємодією.

Увесь процес можна уявити як обмін квантами кожної взаємодії. Наприклад, сильна ядерна взаємодія відбувається завдяки нейтральним частинкам глюонам. Вони, немов фотони в електромагнітній взаємодії, «зліплюють» кварки, утворюючи нейтрони та протони. А слабка ядерна взаємодія переноситься на W- i Z-бозонах.

Отже, всі ці сили взаємодії складають загалом теорію, яка їх усіх описує. На цьому моменті ламається фізика елементарних частинок. На цьому моменті стає незрозуміло, чи є в гравітації своя частка квант, як і в інших взаємодій? За логікою, вона б мала існувати, але її поки не знайшли. Зате дали гіпотетичну назву: гравітон. Утім, сьогодні гравітацію описують у межах загальної теорії відносності, а от квантової теорії ще не створили.

Тож спроба об’єднати всі чотири взаємодії однією теоретичною моделлю – це і є теорія всього.

Сама ідея загальної гравітації існувала ще до Ньютона, проте він був першим, хто зміг математично пов’язати гравітацію та закон руху небесних тіл. Довгий час ньютонівська теорія підтверджувалася спостереженнями, вдало описуючи як траєкторію падіння гарбуза, так і орбіти планет, що рухаються навколо Сонця. Та не так сталося, як гадалося.

1859 року відбувся перший випадок руху небесного тіла, який цілковито ігнорував поняття ньютонівської гравітації. Перигелій – найближча до Сонця точка орбіти планети Меркурій – зсунувся без жодних пояснень. А пояснення були необхідні, адже тогочасне уявлення про гравітацію знову поламалося.

Візуалізація перигелію Меркурія.

На щастя, 1915 року один студент презентував світові власну Загальну теорію відносності, у якій маса об’єктів на кшталт Сонця викривляє простір-час навколо себе, відповідно впливаючи на орбіту найближчих планет. Цим студентом був Альберт Айнштайн.

Спостереження підтвердили практичність загальної теорії відносності Айнштайна, та от єдина проблема – вона аж ніяк не в’яжеться із квантовою механікою.

Утім, подібні приклади поєднань історія все ж бачила: наприкінці ХІХ століття Максвелл об’єднав дві окремі самостійні сили магнетизму та електрики. За сто років по тому американський та пакистанський фізики розроблять Теорію електрослабкої взаємодії, що поєднає електромагнітну та слабку взаємодії як різні прояви однієї сили. Існують гіпотези, ніби щось подібне могло відбуватися під час Великого Вибуху.

Візуалізація чотирьох фундаментальних взаємодій.

Своєю теорією завела й сильна взаємодія, отримавши назву квантової хромодинаміки, хоча й жодного поєднання між попередніми двома немає. Єдина модель, що теоретично описує електромагнітну і сильну та слабку взаємодії називається Теорією Великого Об’єднання. Та все ж цього замало, аби задовольнити ключову мету Теорії всього – поєднати всі взаємодії однією системою.

Один за всіх ⚛️

Власне, науковці завзято досліджують цю тему саме через те, що за умов надвисоких енергій усі взаємодії теоретично об’єднуються в одну. Відповідно, приблизно 13 мільярдів років тому наша новонароджена планета могла стати результатом саме такого поєднання, після чого і гравітація, і електромагнітна, і сильна та слабка взаємодії почали жити окремим життям.

Отже, з огляду на те, що три взаємодії спокійно описуються стандартною моделлю фізики елементарних частинок, себто квантовою теорією поля, гравітація аж ніяк не вписується у цей контекст. Загальна теорія відносності розповідає про поведінку атомів на тлі простору-часу, але у квантовій механіці цього поняття взагалі немає. Загальна теорія відносності також стверджує, що ми не можемо точно передбачити поведінку об’єкта, але квантова механіка говорить лише про ймовірність поведінки об’єкта як єдину точність.

Також квантова механіка працює у мікромасштабах, поза якими перестає бути актуальною. Водночас у загальній теорії відносності йдеться про колосальні швидкості та велетенські маси. Тому дисципліни буквально існують у різних світах. Але…

Є місце, де ці світи перетинаються. Це місце надмасивне, і рівночасно мікроскопічне. Це – чорна діра.

Айнштайн намагався вивести власну об’єднавчу теорію, «примусивши» гравітацію працювати разом з електромагнетизмом. Для цього він спробував додати до трьох просторових вимірів і одного тимчасового – п’ятий простір – але безрезультатно. Утім, сьогодні маємо серйозного кандидата з претензією на Теорію всього – Теорію струн.

Теорія струн 🎻

В основі теорії струн лежить звичайне припущення. На те вона й теорія. Воно поглядає у тім, що найдрібніші частинки нашого всесвіту – не точки, а струни. Точніше, одновимірні протяжні об’єкти, себто квантові струни із 10− 33 см довжиною. Струни натягнуті, немов на скрипці, і можуть вібрувати, задаючи коливаннями властивість матерії. До прикладу: одна частота вібрації видає глюон, інша – кварк, третя – нейтрино. Такий підхід дозволяє поєднати квантову теорію, і водночас глибше зазирнути до світоустрою.

Візуалізація роботи Теорії Струн.

Ба більше, струну можна описати як гіпотетичний гравітон, нарешті приєднавши гравітацію до Теорії всього.

Утім, є нюанс. Теорія струн передбачає від 10 до 26 вимірів, хоча Айнштайн ледве «приклеїв» один. Тому на додачу до теорії струн прийшла теорія петльової квантової гравітації, яка допомагає привезти силу тяжіння і квантову механіку до одного знаменника. Вона уявляє простір-час як сукупність маленьких петельок – квантових осередків простору – які буквально «вплітаються» в класичний простір-час із Загальної теорії відносності.

Підтримайте Токар
50 грн.

10% середньостатистичної статті,
або ж пів дня роботи нашого сервера

Підтримати
Ось вона, нагода стати причетним до розвитку незалежних медіа!
Коменти