За всю обширную историю науки изучение устройства и механизмов работы нашей Вселенной продвинулось довольно далеко. Мы умеем объяснять наблюдения как очень малого, так и невообразимо большого, как статичного, так и движущегося с невероятными скоростями.

Специальная теория относительности объясняет взаимосвязь пространства и времени. Общая теория относительности обобщает специальную теорию относительности и уточняет закон Ньютона о всемирном тяготении, давая нам единое описание гравитации как геометрического свойства пространства-времени. Квантовая механика описывает поведение материи и света на уровне атомов и ещё более мелких сущностей. Квантовая теория поля объединяет теорию поля и принцип относительности с идеями квантовой механики.

Однако с этими замечательными теориями есть проблема. Хотя каждая из них довольно хорошо справляется с описанием своей области, их пока не удаётся состыковать друг с другом. Теория относительности расценивает пространство-время как непрерывную гладкую структуру, а квантовая физика описывает фундаментально дискретный мир. Учёные не могут придумать «теорию всего» — красивый набор уравнений, описывающий всё и сразу и отвечающий на все вопросы о том, как работает Вселенная. Но возможно ли в принципе построить такую теорию?

Многие древние культуры, такие как вавилонская и индийская, изучали, как семь классических планет движутся на фоне казавшихся неподвижными звёзд. Они пытались выстраивать связь движений небесных тел с человеческими судьбами, придумав астрологию, с целью предсказать будущие события. Они записывали всё, что происходит, и искали в этом повторяющиеся закономерности.

Пока одни учёные наблюдали за «большой» Вселенной и строили догадки на тему того, имеет ли всё это начало, или же всё повторяется в гигантских циклах рождения и смерти (например, в индуизме есть понятие «калпа» — это единица времени, равная 4,32 миллиарда лет. Она соответствует одному дню в жизни Брахмы, бога-создателя. Соответственно, день и ночь Брахмы длятся 8,64 млрд лет), другие рассуждали об атомизме. Досократовские философы предполагали, что кажущееся разнообразие наблюдаемых явлений обусловлено одним типом взаимодействия, а именно движениями и столкновениями атомов. Концепция «атома», предложенная Демокритом, была ранней философской попыткой объединить явления, наблюдаемые в природе.

Архимед, возможно, был первым философом, который описал природу с помощью аксиом (или принципов), а затем вывел из них новые результаты. Примерно по такой же схеме, как ожидается, и должна работать пресловутая «теория всего». Но она, к сожалению, пока только маячит на горизонте, как мираж.

Приверженцы механистической философии XVII века считали, что все взаимодействия можно свести к силам контакта между атомами, которые тогда представлялись крошечными твёрдыми частицами. Однако после Ньютона и его описания гравитации, действующей на большом расстоянии, стало понятно, что не все силы в природе возникают в результате соприкосновения предметов. Получается, что Ньютон в своей работе «Математические начала натуральной философии» с одной стороны, провёл унификацию, объединив работу Галилея о земном притяжении, законы Кеплера о движении планет и явление приливов и отливов, объяснив всё это законом всемирного тяготения, а с другой — описал взаимодействие нового типа.

В 1814 году по мотивам этих результатов, Лаплас написал:

Интеллект, который в определённый момент знал бы все силы, приводящие природу в движение, и все положения всех предметов, из которых состоит природа, если бы этот интеллект был также достаточно велик, чтобы подвергнуть эти данные анализу, он охватил бы одной формулой движения величайших тел Вселенной и мельчайших атомов; для такого интеллекта ничто не было бы неопределённым, и будущее, как и прошлое, было бы перед его глазами.

Таким образом, Лаплас представлял себе прообраз «теории всего» как сочетание гравитации и механики. Однако и тут есть проблема — современная квантовая механика утверждает, что атомным и субатомным миром правит случайность, и получается, что теперь «теория всего» должна включать в себя как минимум гравитацию и квантовую механику. Даже если не принимать во внимание квантовую механику, теории хаоса достаточно, чтобы гарантировать, что будущее любой достаточно сложной механической или астрономической системы непредсказуемо.

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом, что в итоге привело к очередной унификации в физике в виде теории электромагнетизма за авторством Джеймса Клерка Максвелла. На волне успеха объединить гравитацию с электричеством и магнетизмом в середине 19 века попытался Майкл Фарадей — но безрезультатно. А в конце 1920-х годов новая квантовая механика показала, что химические связи между атомами являются примерами электрических сил.


После 1915 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию гравитации, поиск единой теории поля, объединяющей гравитацию и электромагнетизм, возобновился с новой силой.

В XX веке поиски объединяющей теории были прерваны открытием сильных и слабых ядерных взаимодействий, которые отличаются как от гравитации, так и от электромагнетизма.

Работа над унификацией взаимодействий на протяжении большей части XX века была сосредоточена на понимании трёх сил, описываемых квантовой механикой: электромагнетизма, слабых и сильных сил. Первые две в итоге объединили в электрослабое взаимодействие. Электромагнитное и слабое взаимодействия кажутся разными при низких энергиях, поскольку частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z бозоны, имеют ненулевые массы, а фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие, — безмассовый. Однако при более высоких энергиях W-бозоны и Z-бозоны можно создавать, и тогда проявляется единая природа этих взаимодействий.

Хотя сильные и электрослабые взаимодействия гармонично сосуществуют в рамках Стандартной модели физики частиц, они остаются принципиально разными. Таким образом, поиски теории всего остались безуспешными: ни объединения сильных и электрослабых взаимодействий, ни объединения этих взаимодействий с гравитацией достичь не удалось.

▍ Теория струн

В конце 2-го века физики провели попытку построить «теорию всего», создав для этого теорию струн. Отправной точкой для неё послужила идея о том, что точечные частицы физики частиц можно смоделировать в виде одномерных объектов, «струн». Теория струн описывает, как струны распространяются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. Струна может выглядеть как небольшая петля или отрезок, похожий на привычные нам струны, и она может вибрировать различными способами. На масштабах расстояний, превышающих размер струны, струна будет выглядеть как обычная частица, соответствующая неструнным моделям элементарных частиц, с массой, зарядом и другими свойствами, определяемыми колебательным состоянием струны. Применение теории струн в качестве одной из форм квантовой гравитации предполагает, что колебательное состояние отвечает за гравитон — пока не обнаруженную квантовую частицу, которая, как предполагается, переносит гравитационное взаимодействие.

С 1990-х годов некоторые физики считают, что 11-мерная М-теория — это теория всего. Широко распространённого консенсуса по этому вопросу нет. Примечательное свойство этой теории заключается в том, что для её непротиворечивости требуется семь дополнительных измерений, помимо четырёх измерений нашей Вселенной (трёх пространственных и одного временного). Эти измерения существуют, но «свёрнуты» так плотно, что мы их пока не заметили. Суперсимметричность этой теории заодно позволяет ответить на вопрос о том, почему гравитация намного слабее, чем любая другая сила.

А главная проблема этой теории состоит в том, что число возможных вселенных, где все «дополнительные» измерения свёрнуты, невероятно велико. Маленькие, «свёрнутые» дополнительные измерения можно уплотнить огромным количеством различных способов (по одной из оценок — 10⁵⁰⁰), каждый из которых приводит к различным свойствам низкоэнергетических частиц и сил. Это т. н. ландшафт теории струн, и он слишком огромен для того, чтобы что-то с ним сделать.

За это теорию критикуют, говоря, что за полвека своего существования она так и не смогла сделать полезные (т. е. оригинальные, фальсифицируемые и проверяемые) предсказания, и что она таким образом больше похожа на псевдонауку или некую заумную философию.

▍ Петлевая квантовая гравитация

Петлевая квантовая гравитация — одна из теорий квантовой гравитации, основанная на концепции дискретного пространства-времени и предположении об одномерности физических возбуждений пространства-времени на планковских масштабах. Это попытка разработать квантовую теорию гравитации, основанную непосредственно на геометрической формулировке Альберта Эйнштейна, а не на рассмотрении гравитации как таинственного механизма или силы. Теория постулирует, что структура пространства и времени состоит из конечных петель, сплетённых в чрезвычайно тонкую ткань или сеть. Эти сети петель называются спиновыми сетями. Масштаб этой сети сравним с планковской длиной, примерно 10^-35 м.

Пока эта теория находится в процессе углублённого изучения, и в конечном итоге может сыграть фундаментальную роль в появлении теории всего, хотя это и не является её основной целью.

Человечество может не создать теорию всего. Или же теория всего может существовать в принципе, но человечество может так никогда на неё и не наткнуться. А если всё же наткнётся — даст ли она нам новый рывок развития, или никак не повлияет на нашу повседневную жизнь?

Но, даже если представить, что человечество, в конце концов, откроет «теорию всего», охватывающую все отдельные частицы и силы, объяснительная ценность этой теории для Вселенной в целом, скорее всего, будет незначительной. В течение XX века, даже когда физика частиц раскрыла секреты атомов, стало ясно, что поведение объектов на макроуровне невозможно понять, сосредоточившись исключительно на отдельных микрообъектах.

Вспомним, как муравьи могут объединяться и совместно решать сложные задачи. Со стороны это выглядит так, как будто у них есть какой-то руководитель или коллективный разум — однако на самом деле это просто одинокие муравьи, которые следуют простым неизменным правилам, например, присоединяются к муравьиному мосту, если за ними толкается много особей, и покидают его, если никто не переползает. Сложность общей структуры возникает из-за огромного количества особей, следующих этим правилам. Как сформулировал этот принцип физик Филипп В. Андерсон: «Больше — это другое».

Солнечная система, кажущаяся воплощением предсказуемости часового механизма, по этой причине имеет неопределённое долгосрочное будущее. Одна планета вокруг одной звезды могла бы вращаться по орбите бесконечно долго, но в реальности планет множество, и каждая из них, пусть и очень тонко, подталкивает другую. Со временем серия крошечных толчков может привести к серьёзным изменениям, для предсказания которых потребуется огромное количество расчётов.

В определённой степени компьютеры могут справиться с этой задачей, моделируя коллективный результат путём сложения отдельных влияний. Проблема в том, что симуляции не согласуются друг с другом. Одни предсказывают, что Солнечная система стабильна, несмотря на постоянные подталкивания, а другие предполагают, что через несколько миллиардов лет Меркурий может выйти на курс столкновения с Венерой или даже вылететь в глубокий космос.

Это пример явления, известного как хаос. И если даже Солнечная система в принципе хаотична и непредсказуема, то кажется, что попытки понять всю Вселенную обречены на провал.

Галактики в среднем в десятки миллионов раз больше Солнечной системы и отличаются богатым разнообразием форм, цветов и размеров. Для того чтобы понять, как галактики стали такими разнообразными, необходимо, как минимум, знать, как и где в них образовались звёзды. Однако звёздообразование — это хаотичный процесс, в котором диффузные облака водорода и гелия медленно сгущаются под действием гравитации, и ни один компьютер даже близко не способен отследить все необходимые атомы (только в нашем Солнце их около 10⁵⁷). Даже если бы вычисления были осуществимы, хаос увеличил бы в геометрической прогрессии мельчайшие неопределённости, не позволив нам получить окончательный ответ. Если бы мы строго придерживались традиционных законов физики в качестве объяснения галактик, то зашли бы в тупик.

В конечном счёте, галактики меньше похожи на машины и больше на животных — не совсем понятные, интересные для изучения, но лишь частично предсказуемые. Понимание этого заставляет по-другому взглянуть на Вселенную — менее предсказуемую, зато более богатую на явления и события.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?