Теория всего

Тео́рия всего́ — всеобщая теория, которая позволяет объединить все физико-математические фундаментальные взаимодействия, полагающиеся на гипотетических и достоверно известных знаний о физике. При изучении теории понятие «Вселенная» берётся не как гигантский космический объект, а вселенная, которая нас окружает, как все физические аспекты вокруг нас. Со временем этот термин закрепился в квантовой физике для объединения четырёх основных фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

Основная проблема создания «теории всего» заключается в том, что общая теория относительности и квантовая механика имеют разные области применения и изучения. Если квантовая механика основывается на изучении микромира, то общая теория относительности изучает законы макромира. На протяжении долгих лет в течение ХХ века было много предложено множество «Теорий всего», но ни одна из них не прошла экспериментальную проверку, или для такой проверки существуют значительные трудности.

Теория всего должна быть применима ко всему во Вселенной, поэтому она имеет всеобщий характер. Однако на данный момент Теория всего остается гипотетической и не до конца разработанной, также не была экспериментально подтверждена.

Основные положения

Теории всего и другим альтернативным теориям до сих пор не были найдено подтверждения опытными данными, которые бы однозначно подтверждали или опровергали эти теории. Некоторые аспекты этой теории могут быть подтверждены экспериментально, но полная верификация или опровержение пока не достигнуто. Однако, с развитием научных методов и технологий, возможно, в будущем будут найдены новые данные, которые помогут установить, является ли теория всего или другие альтернативные теории умозрительными построениями или имеют эмпирическую основу.

Специальная теория относительности описывает явления различных объектов на высокой скорости, а общая теория относительности обобщённо описывает теорию Ньютона о гравитации, объединяющей её с специальной теорией относительности на случай больших скоростей и масс. Объединение квантовой механики и специальной теории относительности в единой формулировке зачастую приводит к расходимости ответов — отсутствию конечного ответа для экспериментально проверяемых величин. Для того, чтобы решить эту проблему, используется идея перенормировки. Но не смотря на устоявшиеся версии, теория, объединяющая квантовую механику и специальную теорию относительности, может существовать.

Гравитационное взаимодействие

Самым слабым из всех фундаментальных взаимодействий является гравитационное, не смотря на то, что человечество так долго шло к его открытию. С самых далеких времен человечество пыталось объяснить движение планет. Ещё во II веке до нашей эры древнегреческий ученый Клавдий Птолемей выдвинул свою гипотезу о том, что Земля является центром вселенной и все остальные планеты движутся вокруг неё. Позже, в начале XVI века Николай Коперник основал другую теорию, в которой говорилось о том, что все планеты движутся вокруг солнца, а положение планет относительно Земли зависит от суточного вращения планеты. Теория, которая изначально считалась догадкой, была доказана через век благодаря наблюдению за движениям планет. На основании законов Иоганна Кеплера, знаменитого математика, физика, и астронома, Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, заключающийся в том, что между всеми телами действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная массам этих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие — это второй тип взаимодействия, возникающий в результате взаимодействия электрических зарядов — положительных и отрицательных. Заряды одного знака отталкиваются, а разных — притягиваются. Взаимодействие осуществляется через поле и переносится посредством фотона, который является безмассовой частицей. Силы электромагнитного взаимодействия намного превосходят гравитационные, однако они также ослабевают с увеличением расстояния между зарядами. Именно благодаря электромагнитным силам возможно существование атомов и молекул, обусловленное взаимодействием между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Вклад в развитие теории электромагнитного взаимодействия внесли такие ученые, как Ханс Кристиан Эрстед, Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Слабое взаимодействие

Следующей на очереди идет слабое взаимодействие, которое получило свое название из-за его низкой интенсивности по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействием, но всё же превышающей гравитационное. Слабое взаимодействие является короткодействующим и отвечает за распад массивных частиц на более легкие (так называемый слабый распад), процесс Р-распада и играет важную роль в термоядерных реакциях, происходящих в звёздах. В 1960-х благодаря работам американских физиков Шелдона Ли Глэшоу, Стивена Вайнберга, а также пакистанского физика АбдальГани Ассалами, слабое взаимодействие было объединено с электромагнитным в единую теорию электрослабого взаимодействия, за что им была присуждена Нобелевская премия по физике в 1979 году.

Мощное взаимодействие

Заключительным видом взаимодействия является мощное, также известное как ядерное взаимодействие. Название само по себе отражает суть этого вида взаимодействия — оно происходит внутри атомного ядра. Мощное взаимодействие является примерно сто раз сильнее электромагнитного. Оно отвечает за связь кварков в андронах, то есть крупных элементарных частиц, а также за притяжение нуклонов внутри ядра. Силы притяжения между протонами и нейтронами также называются ядерными. Для таких частиц характерны короткодействующий эффект, зарядовая независимость, то есть неэлектрическая природа, а также насыщение, или же способность каждого нуклона взаимодействовать только с определенным числом других нуклонов. Силы также зависят от ориентации спинов. Ещё одной особенностью ядерных сил является то, что они не являются центральными. Первую модель взаимодействия нуклонов в 1935 году предложил японский физик-теоретик Хидэки Юкава.

Основная проблема интеграции фундаментальных взаимодействий заключается в том, что существующие теории (такие как квантовая механика и общая теория относительности) успешно описывают только определенные аспекты природы, но не объединяют все взаимодействия в одну общую теорию. Например, квантовая механика описывает поведение частиц на микроуровне, в то время как общая теория относительности описывает гравитацию на космологических масштабах. Попытки объединить эти две теории приводят к математическим противоречиям и несовместимостям. Кроме того, существует проблема с включением сильного и слабого ядерных взаимодействий в общую теорию, так как они имеют различные характеристики и поведение. Таким образом, основная проблема интеграции фундаментальных взаимодействий заключается в том, что существующие теории не могут быть легко объединены в единую и универсальную теорию всего.

Альтернативные теории

В настоящее время в качестве основных конкурентов на роль «теории всего» можно выделить теорию струн, петлевую теорию и теорию Калуцы — Клейна.

Теория струн

Теория струн, основанная на бета-функции Эйлера, исследует колебания струн. Согласно этой теории, электроны и другие элементарные частицы состоят из энергии, точнее говоря, из маленьких нитей, которые вибрируют. Современное оборудование позволяет наблюдать эти «нити» как частицы. Однако, для того чтобы увидеть их, необходимо преодолеть длину Планка. Название «струны» происходит от вибраций, которые порождают частицы с массой и зарядом.

Петлевая теория

Петлевая квантовая гравитация — это теория, которая стремится представить современную теорию гравитации, то есть общую теорию относительности в формате квантования. Суть этой теории заключается в том, чтобы рассматривать пространство-время как набор дискретных элементов. Многие ученые считают петлевую квантовую гравитацию наиболее органично разработанной теорией после теории струн.

Теориия Калуцы — Клейна

В начале XX века появились гипотезы о том, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временное. Важный вклад в эту теорию внесла теория Калуцы—Клейна, которая показала, что добавление дополнительного измерения в общую теорию относительности приводит к появлению уравнений Максвелла.

Благодаря идеям Калуцы и Клейна мы можем создавать теории, оперирующие с большим количеством измерений. Использование дополнительных измерений позволило объяснить, почему гравитация проявляется слабее, чем другие виды взаимодействий. Принято считать, что гравитация существует в этих дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослаблено.

Значимость «теории всего»

В научном сообществе физиков продолжаются дискуссии о том, является ли «теория всего» основным законом Вселенной. Существует точка зрения, известная как строгий редукционизм, которая утверждает, что «теория всего» является фундаментальным законом Вселенной, а все остальные теории, описывающие её, являются следствиями или предельными случаями. Другой подход основан на законах, названных Стивеном Вайнбергом законами «свободного плавания», которые определяют поведение сложных систем. Однако критики этой точки зрения указывают на то, что такая формулировка «теории всего» нарушает принцип бритвы Оккама.