Таємниця Ейнштейна і Гокінга. Що таке теорія всього і чому вона така важлива для науки

Коротко:

чому сучасна фізика зайшла в глухий кут

— що не встигли дослідити Ейнштейн і Гокінг

як об'єднати квантову механіку і загальну теорію відносності

За допомогою інтернету можна дізнатися все, — від устрою двигуна внутрішнього згоряння до швидкості розширення Всесвіту. Але є питання, відповідей на які не знає не тільки Google, але навіть найбільші вчені сучасності.

Якщо вам раптом пощастить поговорити з останніми лауреатами Нобелівської премії з фізики — не питайте у них про екзопланети і темну матерію, вони й так говорили про це сотні разів.

Запитайте краще, чому різні об'єкти в нашому світі підпорядковуються різним законам фізики. Наприклад, чому планети, зірки та інші великі об'єкти взаємодіють один з одним, дотримуючись певних законів, а частки на найменшому рівні, на кшталт атомів, підпорядковуються тільки самі собі.

Таке питання поставить у безвихідь обивателя, а освічена людина, відповідаючи на нього, розповість, чому сучасна наука зайшла в глухий кут, у чому різниця між Стандартною моделлю фізики і загальною теорією відносності (далі — ЗТВ), а також чому значення бозонів Хіггса і теорії струн насправді переоцінене.

Незважаючи на ці пояснення, ніхто, включно з воскреслим Альбертом Ейнштейном, не зможе вам пояснити різну природу фізичних явищ на мікро- і макрорівнях. Якщо ж ви самі можете вирішити цю проблему — вітаємо, ви — перший автор теорії всього, найбільший мозок в історії людства, лауреат усіх можливих премій і батько (або мати) засновник нової фізики.

Але, перш ніж представити світу революційне відкриття, краще розібрати, що означає теорія всього, на які питання вона мусить відповісти, і хто найбільше наблизився до її відкриття.

Теорія всього — це об'єднання двох найвідоміших концепцій сучасної фізики — ЗТВ Альберта Ейнштейна і квантової механіки. Перша теорія описує все, що нас оточує у вигляді простору-часу, а також взаємодія всіх об'єктів у Всесвіті за допомогою однієї лише гравітації. Квантова механіка, натомість, описує взаємодію елементарних частинок за допомогою одразу трьох показників — електромагнітної, і сильної/слабкої ядерної взаємодії.

Таким чином, ОТО — це про гравітацію і великі об'єкти типу планет і зірок, а квантова механіка — про елементарні частинки та їхню електромагнітну і слабку/сильну ядерну взаємодію. Повернемося до цього дещо пізніше.

Спадкоємець Ньютона

Фото: wallsdesk.com

Вперше ЗТВ озвучив Альберт Ейнштейн. Тоді ще молодий співробітник австрійського патентного бюро доповнив класичну теорію тяжіння Ньютона і описав у ній усі невідомі. Зокрема, завдяки цьому відкриттю люди дізналися, що таке гравітація насправді, і як вона визначає взаємодію не тільки між яблуком і Землею, а й між Сонцем і всіма планетами в Сонячній системі.

Ейнштейн припустив, що простір і час пов’язані між собою і формують єдиний просторово-часовий континуум — основу для виникнення сил тяжіння всіх об'єктів. На відміну від теорії Ньютона, цей континуум (або простір-час) — гнучкий і може змінювати свою форму в залежності від маси об'єктів і, відповідно, їхньої енергії.

Здогади Ейнштейна підтвердили на практиці тільки кілька років тому, коли помітили, як світло — і, відповідно, простір-час, — викривляється, проходячи біля масивного об'єкта — Сонця — через вплив гравітації. Навіть без цих доказів, ЗТВ давно стала основою для сучасної фізики, і поки ніхто не зміг запропонувати більш обґрунтоване пояснення гравітації тіл і полів у просторі.

Незважаючи на це, сам простір-час досі залишається маловивченим, і вчені не знають, як він формується і з чого складається. Відповіді на ці питання тільки починають шукати у квантовій механіці — теоретичному розділі фізики, який описує природу фізичних явищ на рівні молекул, атомів, електронів, фотонів та інших дрібних частинок.

Квантова механіка

Фото: Sarah Grillo/Axios

Відповідно до теорії Ейнштейна, впливу гравітації мають піддаватися абсолютно всі об'єкти у Всесвіті. Але, одночасно з відкриттям ЗТВ, інші вчені досліджували, як взаємодіють об'єкти на субатомному рівні.

Виявилося, що гравітація в таких масштабах зовсім марна. Натомість, визначальними стали електромагнітна і слабка/сильна ядерна взаємодія. За допомогою цих сил між собою взаємодіють найдрібніші частинки — фотони, глюони і бозони.

Але, вченим досі невідомо, за якими саме принципами взаємодіють ці частинки, адже вони можуть мати надзвичайно високу щільність енергії, і все одно не піддаються впливу гравітації. Звідси — такі незрозумілі явища як корпускулярно-хвильовий дуалізм (прояви часткою властивості хвилі), а також ефект спостерігача з наслідками у вигляді живого і мертвого кота Шредінгера..

Через це лобами зіткнулися два світи фізики — ейнштейнівський, де всі об'єкти мають певні властивості, піддаються впливу гравітації, можуть бути описані і передбачувані, і квантовий, де вирує зовсім інше, непередбачуване життя, в якому все постійно змінюється і нівелює поняття простору-часу як такого.

Що потрібно зробити, щоб об'єднати ці два світи? Ми говорили про гравітацію в ЗТВ і про електромагнітну, сильну/слабку ядерну взаємодію у Стандартній моделі фізики. Так от, гравітація — практично ідеальна, вона дозволяє нам зрозуміти майже все, що нас оточує, але вона не враховує ту саму незрозумілу поведінку частинок на найменшому рівні. Електромагнітна і сильна/слабка ядерна взаємодія — це альтернативна частина фізики, яка приховує нові відкриття і становить величезний пласт для досліджень, але не враховує гравітаційних законів ЗТВ.

Останнім етапом досліджень і життя Альберта Ейнштейна було створення теорії квантової гравітації, яка дозволила б об'єднати всі можливі взаємодії об'єктів на макро- і мікрорівнях, а також пояснити, чому вони поводяться по-різному. Ейнштейн так і не зміг знайти відповіді на ці питання, а після нього можливе об'єднання ЗТВ і квантової механіки стали називати теорією всього.

Теорія всього

Фото: medium.com

У пошуках теорії всього вчені досліджували одні з найбільш незвичайних об'єктів у Всесвіті — чорні діри. Вони настільки важкі, що піддаються впливу гравітації, і настільки стиснуті, що при потраплянні в чорну діру теоретично можна спостерігати квантові ефекти. Але, на жаль, поки що, окрім випромінювання Хокінга, що суперечить квантовій механіці, та недавнього фото горизонту подій, чорні діри мало в чому допомогли сучасній науці. Навіть якщо вони й існують, досягти їх — практично неможливе завдання для людини.

Теорію всього стали шукати на Землі за допомогою різних уявних експериментів і властивостей квантової механіки і ЗТВ, які потенційно могли б доповнити один одного.

На сьогодні, мабуть, найпопулярним і найнаближенішим до істини варіантом теорії всього є теорія струн. У ній йдеться, що будь-яка частка — це одномірна струна, яка вібрує в 11-мірній реальності, і, в залежності від цих вібрацій, визначається її маса і заряд.

Серед інших, головною властивістю струни є те, що вона може передавати гравітацію на квантовому рівні. Якби така теорія була підтверджена на практиці — струни могли б стати першим кроком до об'єднання квантової механіки із ЗТВ. Але, на жаль, поки ніхто не зміг її довести і заявити, що струни — це носій гравітації на субатомному рівні. Рівно як і нещодавно виявлений бозон Хіггса не став бажаним гравітоном.

Так, ми досі не знаємо, звідки береться маса багатьох елементарних частинок і за яким принципом вони взаємодіють між собою, але це не заважає сучасним фізикам пропонувати все нові й нові «теорії всього».

Нещодавно, наприклад, фізики з Китаю, Німеччини і Канади перевіряли теорію квантового дарвінізму Войцеха Зурека, яка нібито пояснює, як квантові частинки залишають свої сліди в доступному нам макросвіті. Але навіть у разі підтвердження перебування частинок у двох станах одночасно — це лише підтвердження взаємодії квантової механіки ЗТВ, а ніяк не пояснення цього.

Інший американський фізик-теоретик з Університету Меріленд Браян Свінгл і зовсім взявся описати природу виникнення простору-часу і вирішив, що квантова заплутаність може формувати континуум Ейнштейна. Свінгл припустив, що чотиривимірна структура простору-часу (довжина, ширина, глибина і час) може бути закодована у тривимірній квантовій фізиці (з тими ж вимірами, тільки без часу). На думку фізика, гравітацію і ЗТВ варто пояснювати через властивості квантової механіки, а ніяк не навпаки, що зробило цей експеримент досить суперечливим.

Існують ще десятки подібних складних і навіть непогано аргументованих теорій, але жодну з них поки не можна назвати теорією всього. Можливо, це і добре, оскільки людина намагається зрозуміти, як взаємодіють атоми і зірки тільки останнє сторіччя, а Всесвіт існує вже майже 14 млрд років.

Найвідоміший сучасний дослідник теорії всього — Стівен Гокінг — до кінця свого життя дійшов висновку, що її неможливо знайти. Але, це не стало для нього розчаруванням, а, як він заявив пізніше, навпаки, привело до розуміння того, що людина буде розвиватися постійно: «Тепер я радий, що наш пошук розуміння ніколи не закінчиться, і що ми завжди будемо відчувати нові відкриття. Без цього ми б стояли на місці».

Теги: Теорія всього Стивен Хокинг Альберт Ейнштейн Квантова фізика

Другие Новости:

Температура в Австралії побила історичний рекорд - Світ
У четвер, 19 грудня, температура в Австралії побила історичний рекорд. Водночас в найбільш густонаселеному …
У будинку біля барселонського собору Саграда Фамілія сталася пожежа: 26 постраждалихКИЇВ. 19 грудня. Щонайменше 26 людей постраждали в четвер в результаті пожежі в будівлі неподалік від храму Святого Сімейства (Саграда Фамілія) в Барселоні. Про це повідомили в Twitter міські пожежні, пише з посиланням на місцеве видання El Periodico.

" />

КИЇВ. 19 грудня. Щонайменше 26 людей постраждали в четвер в результаті пожежі в будівлі неподалік від храму Святого Сімейства (Саграда Фамілія) в Барселоні. Про це повідомили в Twitter міські пожежні, пише з посиланням на місцеве видання El Periodico.

Біатлон Ансі—Підручний на Кубку світу в спринті увійшов в ТОП-20
Краще за всіх пристосувався до французької трасі чемпіон світу 2017 року німець Долль
Потап показав, як привітав сина від Горової з Днем Миколая
Потап виставив кумедне фото з сином Андрієм, а фанати залишилися в захваті
Надя Дорофєєвапохизувалася стильним луком - Шоу-бізнес
Надя Дорофєєва – справжня модниця. Вона любить демонструвати шанувальникам свої стильні повсякденні …
У Харкові знесли пам'ятник Максиму Горькому
Скульптуру навряд чи відновлять
Збірна Харківщини зі скелелазіння здобула медалі чемпіонату України – undefined
У Нікополі відбулися чемпіонат та Кубок України з виду скелелазіння «болдеринг»
"Побічний ефект" ігроманії може перекреслити всі позитиви від легалізації - експерт
Ігнорування у законопроекті про легалізацію грального бізнесу питання захисту від лудоманії може звести нанівець усі потенційні переваги процесу легалізації.