Идея того, что все взаимодействия и частицы, наблюдаемые сегодня, являются проявлениями единой, всеобъемлющей теории, притягательна, но требует дополнительных измерений и кучи новых видов частиц и взаимодействий

Задолго до Эйнштейна у людей, изучавших Вселенную, была мечта найти единое уравнение, охватывающее как можно больше явлений. Вместо того, чтобы для каждого физического свойства Вселенной иметь свой закон, можно было бы объединить их в единую, всеобъемлющую платформу. Все законы электрических зарядов, магнетизма, электрических токов, индукции и прочего были объединены в одну платформу Джеймсом Клерком Максвеллом в середине XIX века. С тех пор физики мечтали о Теории всего: едином уравнении, управляющем всеми законами Вселенной. Какого прогресса мы достигли? Таков вопрос нашего читателя, желающего узнать:

Добилась ли наука прогресса в отношении Теории Великого объединения (ТВО) и Теории всего? Не могли бы вы пояснить, что для нас означало бы, если бы мы нашли объединяющее уравнение?

Да, прогресс достигнут, но до цели мы пока не добрались. Кроме того, нет даже уверенности в том, что Теория всего вообще существует.


Электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия — это четыре известных фундаментальных взаимодействия Вселенной

Законы природы, насколько мы их пока открыли, можно разбить на четыре фундаментальных взаимодействия: силу гравитации, управляемую Общей теорией относительности, и три квантовые силы, управляющие частицами и их взаимодействием — сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие. Самые ранние попытки создания объединённой теории всего начались вскоре после публикации ОТО, ещё до того, как мы узнали фундаментальные законы, управляющие ядерными взаимодействиями. Эти идеи, известные, как теории Калуцы-Клейна, пытались объединить гравитацию и электромагнетизм.


Идея объединения гравитации и электромагнетизма восходит к началу 1920-х и к работам Теодора Калуцы и Оскара Клейна.

Добавление дополнительного пространственного измерения к эйнштейновской ОТО, пятого по счёту (кроме стандартных трёх пространственных и одного временного) дало в результате появление эйнштейновской гравитации, максвелловского электромагнетизма и нового, дополнительного скалярного поля. Дополнительное измерение должно быть достаточно малым, чтобы не мешать законам гравитации, а у дополнительного скалярного поля не должно быть различимого влияния на Вселенную. Поскольку с таким подходом сформулировать квантовую теорию гравитации было никак невозможно, открытие квантовой физики и ядерных сил — которые эта попытка объединения была неспособна учесть — лишило подход популярности.


Кварки, антикварки и глюоны Стандартной модели обладают цветным зарядом, кроме всех остальных свойств, таких, как масса и электрический заряд. Стандартную модель можно записать в виде одного уравнения, но внутри неё взаимодействия не будут объединены.

Однако сильное и слабое ядерные взаимодействия привели к формулировке Стандартной модели в 1968 году, собравшей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие под одним всеохватывающим зонтиком. Были учтены все частицы и их взаимодействия, было сделано несколько новых предсказаний, включая и крупное предсказание насчёт объединения. На высоких энергиях порядка 100 ГэВ (энергия, требуемая для разгона одного электрона до потенциала в 100 млрд вольт) симметрия, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие должна восстановиться. Было предсказано существование новых массивных бозонов, и с открытием бозонов W и Z в 1983 году это предсказание было подтверждено. Четыре фундаментальных взаимодействия свели к трём.


Идея объединения говорит о том, что все три взаимодействия Стандартной модели, и, возможно, даже гравитация, при высоких энергиях объединяются в единую платформу

Объединение уже было интересной идеей, но её стали развивать модели. Люди предположили, что на ещё более высоких энергиях сильное взаимодействие объединится с электрослабым; именно отсюда возникла идея Великих теорий объединения. Кое-кто предположил, что на ещё более высоких энергиях, возможно, в районе планковской шкалы, гравитация также присоединится к остальным; это было одной из главных мотиваций теории струн. Интересной особенностью этих идей является то, что если вам нужно объединение, вам нужно восстановить симметрии на высоких энергиях. А если у Вселенной на высоких энергиях есть симметрии, нарушенные в настоящий момент, это можно перевести в нечто наблюдаемое: новые частицы и новые взаимодействия.


Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные двойники. Этот спектр частиц — неминуемое следствие объединения четырёх фундаментальных взаимодействий в контексте теории струн

Так какие новые частицы и взаимодействия предсказываются? Это зависит от того, какой из вариантов теорий объединения выбрать. Сюда входят:

• Тяжёлые, нейтральные частицы, похожие на тёмную материю.
• Суперсимметричные партнёры частиц.
• Магнитные монополи.
• Тяжёлые, заряженные скалярные бозоны [с нулевым спином / прим. перев.].
• Множество частиц, похожих на частицу Хиггса.
• Частицы-посредники в распаде протона.

Хотя из непрямых наблюдений мы с уверенностью можем утверждать существование тёмной материи, никакие из этих частиц или предсказанных распадов не наблюдались в экспериментах.


В 1982 году в эксперименте под руководством Бласа Кабреры, с восемью петлями провода, было зафиксировано изменение в восьми магнетонах: признак магнитного монополя. К сожалению, во время обнаружения в лаборатории никого не было, и никому с тех пор не удавалось воспроизвести этот эксперимент или найти второй монополь.

А жаль — по многим причинам, поскольку мы очень активно всё это искали. В 1982 году один из экспериментов, искавших магнитные монополи, зарегистрировал единственный положительный результат, благодаря чему у него появилось множество последователей, пытавшихся обнаружить монополи. К несчастью, тот положительный результат был аномалией, и его так никто и не воспроизвёл. Также в 1980-х люди начали строить гигантские цистерны с водой и другими ядрами атомов в поисках свидетельств распада протона. Эти цистерны в итоге переделали под датчики нейтрино, и ни одного распада протона зафиксировано не было. Ограничение времени жизни протона теперь превышает 10³⁵ лет — примерно на 25 порядков больше возраста Вселенной.


Заполненная водой цистерна эксперимента Супер-Камиоканде, установившего самые строгие ограничения на время жизни протона. Позднее подобные детекторы стали прекрасными обсерваториями нейтрино, но не зарегистрировали ни одного распада протона

Это тоже плохо, поскольку Великое Объединение предлагает аккуратный и элегантный способ создания асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной. В раннее время Вселенная была достаточно горячей для того, чтобы произвести пары материя/антиматерия и все частицы, которые только могу быть. В большинстве ТВО две таких существующих частицы — это сверхтяжёлые бозоны X и Y, обладающие зарядами и содержащие пары кварков и лептонов. Ожидается, что асимметрия проявляется в том, как распадаются их версии для материи и антиматерии, что и может привести к преобладанию остатков материи над антиматерией, даже если изначально преобладания не было. К несчастью, опять-таки нам ещё предстоит отыскать свидетельства наличия таких частиц и их взаимодействий.


Симметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X, Y, анти-X, анти-Y) может, при наличии нужных свойств ТВО, породить асимметрию материи/антиматерии, наблюдаемую во Вселенной сегодня

Некоторые физики стоят на том, что во Вселенной обязаны быть такие симметрии, и что их свидетельства просто находятся за пределами доступных на БАК энергий. Другие приходят к менее удобной возможности: вероятно, природа не стремится к объединению. Возможно, не существует ТВО, описывающей нашу физическую реальность; возможно, квантовая теория гравитации не объединяется с другими взаимодействиями; возможно, у проблем бариогенеза и тёмной материи есть иные решения, не следующие из этих идей. Ведь итоговым арбитром того, на что похожа Вселенная, будут не наши идеи об этом, а результаты экспериментов и наблюдений. Мы можем лишь задать Вселенной вопрос о том, какова она; именно нам предстоит прислушаться к ответу и действовать, исходя из него.


Лагранжиан Стандартной модели — единое уравнение, включающее частицы и взаимодействия Стандартной модели. У него есть пять независимых частей: глюоны (1), слабые бозоны (2), взаимодействие материи со слабым взаимодействием и полем Хиггса (3), частицы-духи, устраняющие избыточность поля Хиггса (4) и духи Фаддеева — Попова, влияющие на избыточность слабого взаимодействия (5). Массы нейтрино сюда не входят.

Хотя мы можем записать Стандартную модель в виде одного уравнения, это не теория объединения в том смысле, что разными компонентами Вселенной управляют разные, отдельные, независимые члены. Разные части Стандартной модели не взаимодействуют друг с другом — цветной заряд не влияет на электромагнитные или слабые взаимодействия. Также нет ответа на вопросы по поводу того, почему не происходят взаимодействия типа нарушения СР-инвариантности в сильном взаимодействии, которые должны происходить.


При восстановлении симметрий (на высшем значении потенциала) происходит объединение. Однако нарушение симметрий, в основании холма, соответствует имеющейся у нас сегодня Вселенной, где существуют новые виды массивных частиц

Многие надеются на то, что в объединении содержится ответ на эти вопросы, и что оно решит множество открытых проблем и загадок современной физики. Однако любые виды дополнительных симметрий — симметрий, восстанавливающихся при высоких энергиях, а сегодня нарушенных — ведут к появлению новых частиц, новых взаимодействий и новых физических правил, по которым должна играть Вселенная. Мы пытались провести реверс-инжиниринг некоторых предсказаний, используя те правила, которые нужны для того, чтобы всё работало — однако частицы и объединения, которые мы надеялись увидеть, так и не появились. Объединение не поможет вам вывести такие проявляющиеся свойства, как химия, биология, геология, сознание — но поможет нам лучше понять, откуда и как всё появилось.


Космическая история всей известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света в ней мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва

Конечно, есть и другая возможность: то, что Вселенная может не объединиться. То, что множество разных законов и правил существуют не просто так: изобретённые нами симметрии являются просто математическими особенностями, а не описаниями физической Вселенной. На каждую элегантную, красивую, убедительную физическую теорию найдётся другая, настолько же элегантная, красивая и убедительная физическая теория — но ложная. В этих, как и во всех научных вопросах, задача человечества — задавать правильные вопросы. Ну а задача Вселенной — обеспечить нас ответами. Какими бы они ни были, у нас есть такая Вселенная, какая есть. И мы должны понять, что означают эти ответы.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .