Введение в Теорию всего: просто – о главной цели современной физики
В основе слова «физика» – древнегреческое φύσις, что означает «природа». Изучение природы, объяснение наблюдаемых в ней явлений и предсказание еще не известных событий – цели физики.
Еще в IV веке до нашей эры Аристотель заложил основы физики как науки в своем трактате «Физика». С тех пор нам открылись многие тайны природы. Но чем больше мы узнавали, тем больше у нас возникало вопросов. И, пожалуй, главный из них: как найти общее объяснение всем явлениям? Чтобы ответить на него, нужно создать Теорию всего.
Стандартная модель и ее сводная сестра
Пробираясь вглубь вещества и пытаясь найти самые фундаментальные, неделимые на составные элементы частицы, лежащие в основе материи, ученые в итоге обнаружили кварки и лептоны. Из кварков строятся адроны (потому Большой адронный коллайдер так называется), к которым относятся, в частности, составляющие ядро атома, ранее считавшегося неделимым, – протоны и нейтроны. Самый известный представитель лептонов – электрон, движущийся в электронном облаке вокруг этого самого ядра.
На сегодня мы знаем, что все эти частицы взаимодействуют за счет четырех типов сил, четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного. Хотя, возможно, их больше, но другие нам пока не известны.
Гравитация – сила притяжения между объектами, обладающими массой. Электромагнетизм отвечает за взаимодействие между телами, имеющими электрические заряды. Сильные ядерные силы удерживают вместе протоны и нейтроны в ядре атома, а также кварки в самих протонах и нейтронах, а слабые управляют такими процессами, как радиоактивный распад.
Действие каждой из этих сил можно представить как обмен частицами-квантами этого взаимодействия. Сильное взаимодействие осуществляется глюонами. Они, можно сказать, «склеивают» кварки, создавая из них протоны и нейтроны. Свое название они получили не просто так: в английском языке glue означает «клей».
Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. За хорошо известное нам электромагнитное взаимодействие отвечают не менее известные фотоны. Кроме того, все взаимодействия имеют свою теорию, описывающую эти самые взаимодействия.
На этом так называемая Стандартная модель – теоретическая конструкция в физике элементарных частиц – прерывается. Что же с гравитацией? Есть ли у нее своя частица-квант?
Если для моделирования основных взаимодействий используются элементарные частицы, то по аналогии можно предположить, что за гравитационное взаимодействие должна отвечать некая элементарная частица.
Эту частицу пока не нашли, она значится как гипотетическая, но название уже предложили – гравитон. Квантовую теорию гравитации еще не построили. Для описания гравитации сегодня мы используем Общую теорию относительности Эйнштейна. Вот только она так не похожа на все остальные теории, что стоит особняком. Объединить все четыре взаимодействия в одной теоретической модели, то есть создать единую Теорию всего, – давняя мечта физиков.
От Ньютона – до Эйнштейна, от яблок – до черных дыр
Яблоня в саду дома, где жил Исаак Ньютон, больше века была музейным экспонатом, к ней водили экскурсии. Но, скорее всего, история о том, как Ньютон открыл свой знаменитый Закон всемирного тяготения после того, как ему на голову упало яблоко, – безобидная придумка. Рассказ о падающем яблоке великий ученый сочинил для своей любимой племянницы, чтобы доступно изложить суть закона. Тем не менее можно сказать, что именно с постулирования этого закона начались попытки системно объяснить окружающий нас мир на языке физики.
Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Но ранее никто не мог ясно и математически убедительно связать Закон тяготения и Законы движения небесных тел. Открытие Ньютона позволило объединить небесную и земную сферы, а ведь прежде они считались несовместимыми.
Долгое время ньютоновская Теория тяготения полностью подтверждалась наблюдениями. Закон всемирного тяготения подходил для того, чтобы описать траекторию падения яблока, а также чтобы предсказать орбиту движения планет вокруг Солнца. Но, как оказалось, кроме одной.
Обнаруженное в 1859 году аномальное смещение перигелия Меркурия поставило физиков перед фактом, что ближайшая к Солнцу планета не хотела подчиняться Закону всемирного тяготения. И пусть это было только едва заметное отклонение в движении Меркурия, ему нужно было найти объяснение. Но для этого потребовалось новое понимание гравитации.