Будет ли у нас когда-нибудь «теория всего»?

Квантовая механика

Но и на этом еще не все. С тех пор ученые находили способы делить материю на все меньшие и меньше части, продолжая уточнять наше понимание фундаментальных частиц. К 1960-м годам ученые нашли десятки элементарных частиц, составив длинный список так называемого зоопарка частиц.

Насколько мы знаем, из трех компонентов атома единственной фундаментальной частицей остался электрон. Нейтроны и протоны делятся на крошечные кварки. Эти элементарные частицы подчиняются совершенно другому набору закону, отличному от тех, которым подчиняются деревья или планеты. И эти новые законы — которые были гораздо менее предсказуемыми — испортили физикам все настроение.

В квантовой физике у частиц нет определенного места: их местонахождение немного смазано. Словно у каждой частицы есть определенная вероятность нахождения в определенном месте. Это означает, что мир по своей сути фундаментально неопределенное место. Квантовую механику даже понять сложно. Как сказал однажды Ричард Фейнман, эксперт в квантовой механике, «думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».

Эйнштейн тоже был обеспокоен размытостью квантовой механики. Несмотря на то, что он ее, по сути, частично изобрел, сам Эйнштейн никогда не верил в квантовую теорию. Но в своих чертогах — больших и малых — как общая теория относительности, так и квантовая механики доказали право на безраздельную власть, будучи чрезвычайно точными.

Общая теория относительности предсказала существование черных дыр. Этих массивных звезд, которые коллапсировали сами в себя. Их гравитационное притяжение настолько мощное, что даже свет не может его покинуть.

Проблема в том, что эти две теории несовместимы, поэтому не могут быть верными одновременно. Общая теория относительности гласит, что поведения объектов могут быть точно предсказаны, тогда как квантовая механика говорит, что вы можете знать только вероятность того, что будут делать объекты. Из этого следует, что остаются некоторые вещи, которые физики до сих пор не описали. Черные дыры, например. Они достаточно массивны, чтобы к ним была применима теория относительности, но и достаточно малы, чтобы можно было применить квантовую механику. Если вы не окажетесь близко к черной дыре, эта несовместимость не будет влиять на вашу повседневную жизнь. Но вызывает недоумение у физиков большую часть прошлого века. Именно такая несовместимость заставляет искать теорию всего.

Эйнштейн провел большую часть своей жизни, пытаясь найти такую теорию. Не будучи фанатом случайности квантовой механики, он хотел создать теорию, которая объединит гравитацию и остальную физику, чтобы квантовые странности остались вторичными следствиями.

Его основной задачей было заставить гравитацию работать с электромагнетизмом. В 1800-х годах физики выяснили, что электрически заряженные частицы могут притягиваться или отталкиваться. Потому некоторые металлы притягиваются магнитом. Очевидно, если два вида сил, которые объекты могут оказывать друг на друга, они могут притягиваться посредством гравитации и притягиваться или отталкиваться за счет электромагнетизма.

Эйнштейн хотел объединить две этих силы в «единую теорию поля». Чтобы сделать это, он растянул пространство-время в пять измерений. Вместе с тремя пространственными и одним временным измерениями он добавил пятое измерение, которое должно быть настолько маленьким и свернутым, что мы не смогли бы его видеть.

Это не сработало, и Эйнштейн потратил 30 лет на пустые поиски. Он умер в 1955 году, и его единая теория поля не была раскрыта. Но в следующем десятилетии появился серьезный соперник для этой теории: теория струн.

Научные результаты

Результаты, полученные в институте и оказавшие наибольшее влияние на современную физику, включают:

• теоретическое описание эффекта резонансных осцилляций нейтрино в веществе (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, MSW), являющегося ключевым для понимания энергетической зависимости регистрируемого на Земле потока солнечных нейтрино;
• детектирование нейтрино от основной термоядерной реакции в Солнце (pp-нейтрино) и измерение их потока в эксперименте SAGE на Баксанской нейтринной обсерватории под руководством В. Н. Гаврина. Помимо подтверждения осцилляций нейтрино, это стало первым прямым экспериментальным доказательством того, что источником энергии Солнца являются термоядерные реакции;
• разработка (М. А. Марков, И. М. Железных) и первая практическая реализация в экспериментах на озере Байкал (Г. В. Домогацкий) концепции детектирования астрофизических нейтрино высоких энергий с использованием больших объёмов природной воды или льда. На ней основана работа крупнейших современных (IceCube, Baikal-GVD, ANTARES) и будущих (IceCube-Gen2 и KM3NeT) нейтринных телескопов;
• теоретическое предсказание обрезания спектра космических лучей сверхвысоких энергий из-за взаимодействия частиц с реликтовым излучением (эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина, GZK);
• теоретическое описание электрослабого бариогенезиса в ранней Вселенной (В. А. Кузьмин, В. А. Рубаков, М. Е. Шапошников);
• теоретическая концепция больших дополнительных пространственных измерений, в которых наблюдаемые частицы локализованы на трёхмерном многообразии (В. А. Рубаков, М. Е. Шапошников).

Кроме того, многие сотрудники института участвуют в работе крупных международных экспериментов, расположенных за пределами России (в том числе CMS, LHCb, ALICE в ЦЕРН, T2K в Японии, Telescope Array в США и др.) и входят в коллективы авторов всех сделанных там открытий.

История ИЯИ РАН

Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН, ранее ИЯИ АН СССР) образован постановлением Президиума Академии наук Союза ССР от 24 декабря 1970 года № 1051 на основе решения Правительства, принятого по инициативе Отделения ядерной физики, в целях создания современной экспериментальной базы и развития исследований в области физики элементарных частиц, атомного ядра, физики космических лучей и нейтринной астрофизики.

Академик М. А. Марков, совместно с выдающимися советскими физиками лауреатом Нобелевской премии академиком И. М. Франком, академиком Н. Н. Боголюбовым и др. сыграл в создании Института ядерных исследований РАН решающую роль. Благодаря его влиянию в институте сформировались два направления исследований: физика микромира — физика малых расстояний и больших энергий, а также астрофизика — физика больших расстояний, наука о жизни Вселенной.

Институт был образован на базе трёх лабораторий ядерного профиля Физического института АН СССР, у истоков которой стоял академик В. И. Векслер:

• лаборатория атомного ядра, возглавляемая лауреатом Нобелевской премии академиком И. М. Франком;
• лаборатория фотоядерных реакций, под руководством Л. Е. Лазаревой;
• лаборатория «Нейтрино», широко известная благодаря трудам академиков Г. Т. Зацепина и А. Е. Чудакова.

При создании Институту были поставлены задачи сооружения в Научном центре академии наук в г. Троицке Московской области мезонной фабрики на основе сильноточного линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода на энергию 600 МэВ. А также создания в Баксанском ущелье в Приэльбрусье комплекса подземных низкофоновых лабораторий с нейтринными телескопами.

С 1980 года в Институте развиваются работы по глубоководному детектированию мюонов и нейтрино на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе.

С 1980 года при ИЯИ начала работу Научная Артёмовская нейтринная станция в Донецкой области.

Структура и численность ИЯИ РАН

В настоящее время ИЯИ РАН является одним из ведущих ядерно-физических научных центров. Его подразделения находятся в Москве, в городском округе Троицк (Москва), БНО РАН (Эльбрусский р-он, КБР), на озере Байкал, нейтринные установки расположены в Артёмовске (Украина) и Гран Сассо (Италия).

В ИЯИ РАН 12 научных отделов и лабораторий, в том числе, Баксанская нейтринная обсерватория, Байкальская нейтринная обсерватория, Научно-образовательный центр, включающий 3 профилирующие кафедры и 2 совместные с университетами лаборатории, аспирантуру по направлению подготовки 03.06.01 «Физика и астрономия».

В Институте работает 1025 человек, из них 55 докторов наук, 137 кандидатов наук. В том числе 3 академика РАН (В. А. Матвеев, В. А. Рубаков, И. И. Ткачёв) и 6 членов-корреспондентов РАН (В. Н. Гаврин, Д. С. Горбунов, Г. В. Домогацкий, Л. В. Кравчук, О. Г. Ряжская, С. В. Троицкий), 4 профессора РАН, 2 заслуженных деятеля науки и техники, 11 профессоров, 2 Заслуженных профессора Московского университета; лауреат Ленинской и 3 лауреата Государственной премий, 3 лауреата Премии Правительства РФ; лауреат Премии Правительства Москвы для молодых учёных; лауреат Премии Президента Российской Федерации для молодых учёных; лауреат Золотой медали и 6 лауреатов премий Российской академии наук имени выдающихся учёных; 13 лауреатов Золотых медалей с премией для молодых учёных Российской академии наук; лауреат Демидовской премии; 19 лауреатов различных международных премий и др.

Институт уделяет большое внимание, подготовке высококвалифицированных научных кадров, обучая студентов на базовых кафедрах «Фундаментальные взаимодействия и космология» МФТИ и «Физика частиц и космология» МГУ, на других кафедрах МГУ, МИФИ, КБГУ, Южного федерального университета и в аспирантуре.

В Институте существует Научно-образовательный центр, координирующий обучение и научную работу студентов и аспирантов, действует Совет по защите диссертаций Д 002.119.01

Институт сотрудничает с ведущими научными центрами России и мира: ФИАН, ИФВЭ, ПИЯФ, ИТЭФ, МФТИ, МИФИ, НИИЯФ МГУ, ИГУ, ИФВД, ИК РАН, НИЦ КИ, ОИЯИ, ЦЕРН; INFN (Италия); DESY, GSI, BJO-OD, KIT (Германия); ORNL, LANL, BNL, FERMILAB (США); TRIUMF (Канада); J-PARC, KEK (Япония) и многими другими.

Прозрение Ньютона

По словам Джона Кондуитта, помощника Ньютона, при виде яблока, падающего на землю, Ньютону пришла мысль, что гравитационная сила «не была ограничена определенным расстоянием от земли, а простирается гораздо дальше, чем считалось обычно». По мнению Кондуитта, Ньютон задался вопросом: а почему аж не до Луны?

Вдохновленный своими догадками, Ньютон разработал закон всемирного тяготения, который одинаково хорошо работал и с яблоками на Земле, и с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Все эти объекты, несмотря на различия, подчиняются одним законам.

Проблема в том, что Ньютон знал, что в его работе зияют бреши.

К примеру, гравитация не объясняет, как небольшие объекты удерживаются вместе, поскольку эта сила не так уж и велика. Кроме того, хотя Ньютон мог объяснить, что происходит, он не мог объяснить, как это работает. Теория была неполной.

Была проблема и побольше. Хотя законы Ньютона объяснили наиболее распространенные явления во Вселенной, в некоторых случаях объекты нарушали его законы. Эти ситуации были редкими и обычно включали высокие скорости или повышенную гравитацию, но они были.

Одной из таких ситуаций стала орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты. Как и любая другая планета, Меркурий вращается вокруг Солнца. Законы Ньютона можно было применить для расчета движений планет, но Меркурий не хотел играть по правилам. Что более странно, его орбита не имела центра. Стало понятно, что универсальный закон всемирного тяготения был не так уж и универсален, да и не закон вовсе.

Более двух веков спустя Альберт Эйнштейн пришел на помощь со своей теорией относительности. Идея Эйнштейна, которой в 2015 году исполняется 100 лет, предоставила более глубокое понимание гравитации.

Теория струн

Как и струны на гитаре, эти петли находятся под напряжением. Значит, вибрируют на разных частотах в зависимости от размера. Эти колебания определяют, какой сорт «частицы» будет представлять каждая струна. Вибрация струны одним способом даст вам электрон. Другим — что-нибудь другое. Все частицы, открытые в 20 веке, представляют собой одни виды струн, просто вибрирующих по-разному.

Довольно сложно сразу понять, почему это хорошая идея. Но она подходит для всех сил, действующих в природе: гравитации и электромагнетизма, плюс еще двух, открытых в 20 веке. Сильные и слабые ядерные силы действуют только в пределах крошечных ядер атомов, поэтому их долго не могли обнаружить. Сильная сила удерживает ядро вместе. Слабая сила обычно ничего не делает, но если набирает достаточно силы, разбивает ядро на части: поэтому некоторые атомы радиоактивны.

Любой теории всего придется объяснить все четыре. К счастью, две ядерные силы и электромагнетизм полностью описываются квантовой механикой. Каждая сила переносится специализированной частицей. Но нет ни одной частицы, которая переносила бы гравитацию.

Некоторые физики думают, что она есть. И называют ее «гравитоном». У гравитонов нет массы, особый спин и они движутся со скоростью света. К сожалению, их пока не нашли. И здесь на сцену выходит теория струн. Она описывает струну, которая выглядит точно как гравитон: имеет корректный спин, не обладает массой и движется со скоростью света. Впервые в истории теория относительности и квантовая механика нащупали общую почву.

В середине 1980-х годов физики были восхищены теорией струн. «В 1985 году мы поняли, что теория струн решает кучу проблем, которые мучили людей последние 50 лет», — говорит Барроу. Но и у нее оказались проблемы.

Во-первых, «мы не понимаем, чем является струнная теория, в нужных деталях», говорит Филип Канделас из Оксфордского университета. «У нас нет хорошего способа ее описать».

Кроме того, некоторые прогнозы выглядят странно. В то время как теория единого поля Эйнштейна полагается на дополнительное скрытое измерение, простейшие формы теории струн нуждаются в 26 измерениях. Они нужны, чтобы увязать математику теорию с тем, что мы уже знаем о Вселенной.

Более продвинутые версии, известные как «теории суперструн», обходятся десятью измерениями. Но даже это не стыкуется с тремя измерениями, которые мы наблюдаем на Земле.

Из-за этих и других проблем, многие физики не любят теорию струн. И предлагают другую теорию: петлевая квантовая гравитация.

Петлевая квантовая гравитация

Почему эти теории до сих пор обсуждаются? Возможно, мы просто не знаем достаточно. Если обнаружатся крупные явления, которых мы никогда не видели, мы можем пытаться понять крупную картину, а недостающие части головоломки доберем потом.

Есть и другая проблема. Эти теории сложно проверить, в значительной степени потому, что у них крайне жестокая математика. Канделас пытался найти способ проверить теорию струн в течение многих лет, но так и не смог.

При всем этом теория струн остается многообещающей. «На протяжении многих лет люди пытались объединить гравитацию с остальной физикой, — говорит Канделас. — У нас были теории, которые хорошо объясняли электромагнетизм и другие силы, но не гравитацию. С теорией струн мы пытаемся их объединить».

Реальная проблема заключается в том, что теорию всего может быть просто невозможно идентифицировать.

Когда теория струн стала популярной в 1980-х годах, было на самом деле пять ее версий. «Люди начали беспокоиться, — говорит Барроу. — Если это теория всего, почему их пять?». В течение следующего десятилетия, физики обнаружили, что эти теории могут быть преобразованы одна в другую. Это просто разные способы видения одного и того же. В результате появилась выдвинутая в 1995 году М-теория. Это глубокая версия теории струн, включающая все ранние версии. Что ж, мы по крайней мере вернулись к единой теории. М-теория требует всего 11 измерений, что намного лучше 26. Однако М-теория не предлагает единую теорию всего. Она предлагает миллиарды их. В общей сложности М-теория предлагает нам 10^500 теорий, все из которых будут логически последовательны и способны описать Вселенную.

Это выглядит хуже, чем бесполезно, но многие физики полагают, что это указывает на более глубокую истину. Возможно, наша Вселенная — одна из множества, каждая из которых описывается одной из триллионов версий М-теории. И это гигантское собрание вселенных называется «мультивселенная».

В начале времен мультивселенная была как «большая пена из пузырей разных форм и размеров», говорит Барроу. Каждый пузырь затем расширился и стал вселенной.

В каждой вселенной-пузыре действуют одни и те же физические законы. Потому в нашей вселенной все ведет себя одинаково. Но в других вселенных могут быть другие законы. Отсюда рождается странный вывод. Если теория струн действительно лучший способ объединить теорию относительности и квантовую механику, то обе они одновременно и будут, и не будут теорией всего.

С одной стороны, теория струн может дать нам совершенное описание нашей вселенной. Но она также неизбежно приведет к тому, что каждая из триллионов других вселенной будет уникальна. Серьезным изменением в мышлении будет то, что мы перестанем ждать единую теорию всего. Может быть множество теорией всего, каждая из которых будет верной в своем роде.