«Святой Грааль» физики — это «теория всего»: одно уравнение, описывающее всю Вселенную. Но может быть, такой теории просто не существует?

Когда большинство из нас думает о науке, мы нечасто задумываемся о базовой вещи для этого предприятия: о том, в чём на самом деле заключается его цель. Реальность — это сложное явление, и единственные инструменты, которые у нас есть, чтобы понять, что она собой представляет и как работает, — это сочетание того, что мы можем наблюдать, измерять и исследовать. Когда мы суммируем весь набор этих наблюдательных и экспериментальных знаний, мы получаем запись всех явлений, о существовании которых мы знаем. Таким образом, наука стремится понять всё это и объяснить как можно проще и убедительнее: максимально увеличить нашу способность предсказывать явления природы с помощью минимального количества предположений, параметров и переменных – только таких, которые абсолютно необходимы.

Мы продвинулись невероятно далеко в нашем понимании Вселенной и можем точно описать все частицы и взаимодействия, которые описывают все, что мы можем непосредственно обнаружить и измерить. Стандартная модель элементарных частиц точно и безошибочно описывает электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные взаимодействия, а общая теория относительности описывает гравитацию для всех форм материи и энергии. Инфляционный Большой взрыв описывает происхождение нашей Вселенной. А современные загадки, такие как тёмная материя, тёмная энергия и загадка бариогенеза, намекают на то, что Вселенная гораздо богаче, чем мы себе представляем.

Можно ли решить все эти вопросы, разработав «теорию всего»? Хотя эта идея по-прежнему привлекает многих, против неё есть веские аргументы. И вот почему теории всего может просто не быть.

Современная идея теории всего восходит к более чем 100-летней давности, к началу развития общей теории относительности. Начиная с 1915 года, Эйнштейн смог успешно описать наблюдаемое явление гравитации как следствие кривизны нашего четырёхмерного пространства-времени. Наличие, распределение и движение материи и энергии через пространство-время определяли кривизну и эволюцию этой пространственно-временной структуры, а затем кривизна этой пространственно-временной структуры определяла будущие траектории и судьбы каждой частицы, существующей в этом пространстве-времени. Проще говоря, общая теория относительности взяла идею специальной теории относительности и объединила её с идеей гравитации, создав мощную структуру, которую многие считают величайшим научным достижением Эйнштейна.

Однако до Эйнштейна существовала другая теория, которая:

• считала скорость света предельной скоростью, с которой может двигаться любое тело,

• описывала частицы и взаимодействия с точки зрения полей и зарядов,

• была релятивистски инвариантна при ускорении и переносе,

• и, кроме всего прочего, сохраняла энергию и импульс.

Это была (классическая) теория электромагнетизма Максвелла, объединившая ранее разные понятия электричества и магнетизма в единую схему.

Прошло всего четыре года с момента публикации общей теории относительности Эйнштейна, как кто-то решил попробовать объединить её с электромагнетизмом Максвелла — это сделал Теодор Калуца в своей замечательной статье в 1919 году.

Во многих отношениях это была первая современная попытка создать теорию всего. Общая теория относительности Эйнштейна уже была четырёхмерной теорией (требующей 10 независимых степеней свободы), а электромагнетизм Максвелла требовал четырёх отдельных степеней свободы (скалярного электрического потенциала и трёхмерного векторного магнитного потенциала) в дополнение к этому, что означало, что тех же четырёх измерений, которые использовались в теории Эйнштейна, было бы недостаточно, чтобы объединить общую теорию относительности и электромагнетизм в единую систему.

Решение Калуцы, впоследствии повторённое многими другими, заключалось в спекулятивном скачке в пятое измерение, что позволило объединить общую теорию относительности и электромагнетизм в том, что стало известно как теория Калуцы-Клейна.

Но у теории Калуцы-Клейна была одна очевидная проблема, которая бросалась в глаза всем, кто с ней знакомился. Конечно, было невероятно, что можно было записать одно уравнение, содержащее в себе всю общую теорию относительности и весь электромагнетизм; это было плюсом. Но минусов было три:

1. Пятое измерение не могло влиять на что-либо в нашем четырёхмерном пространстве-времени; оно должно было каким-то образом «исчезать» из всех уравнений, влияющих на физические наблюдаемые величины.

2. Уже в 1919 году мы знали, что Вселенная не просто подчиняется классическому электромагнетизму Максвелла, но требует (по крайней мере) квантового описания электромагнетизма.

3. Кроме того, теория Калуцы требовала дополнительного поля, чтобы сделать его пятимерную структуру самосогласованной: скалярного поля, известного как дилатон, которое также должно «исчезать», поскольку не играет никакой физической роли в электромагнетизме, гравитации или взаимодействии между ними.

Этот последний момент часто упускается из виду, когда люди говорят о концепции теории всего, но, возможно, сейчас он даже более важен, чем 100 лет назад: если вы пытаетесь объединить Вселенную в более грандиозную, всеобъемлющую структуру, это часто требует добавления новых явлений — частиц, полей, взаимодействий и т. д. — существование которых уже либо исключено, либо сильно ограничено наблюдениями, измерениями и экспериментами, результаты которых нам уже известны. Если существует пятое измерение и если существует дилатон, то это измерение должно быть настолько крошечным, а эффекты дилатона настолько слабыми, что они должны согласовываться с полным набором данных, которые мы собрали и которые не показывают никаких доказательств их существования, а только ограничения на то, где и как они не могут влиять на нашу физическую реальность.

Неудивительно, что вместо пути объединения и поиска теории всего, приведшего к огромным достижениям в физике в XX веке, развитие этой области произошло благодаря достижениям в ядерной физике, квантовой физике и физике элементарных частиц. Сочетание новых экспериментальных результатов и новых теоретических разработок помогло нам понять весь набор частиц, существующих во Вселенной, правила, по которым они связываются между собой, и поведение сил, которые ими управляют. Если мы перенесёмся в настоящее время, то получим Стандартную модель элементарных частиц, которая одновременно проста и, как ни парадоксально, полна сложностей.

Вещество, из которого состоит знакомая нам материя — атомы — это не просто протоны, нейтроны и электроны, как большинство из нас учили в школе. Скорее, электрон — это лишь самый лёгкий из трёх поколений заряженных лептонов: наряду с мюоном и тау-лептоном. Существуют их античастицы, а также вид нейтрино (и антинейтрино), который является соответствующим «незаряженным лептоном» для каждого из заряженных лептонов. Протоны и нейтроны, между тем, являются не фундаментальными, а составными частицами, состоящими из кварков и глюонов. Существует три поколения кварков, причём верхние и нижние кварки (составляющие первое поколение) имеют в качестве более тяжёлых аналогов кварки очаровательные и странные, а затем кварки верхние и нижние.

Между тем, существует восемь безмассовых глюонов (посредников сильного ядерного взаимодействия), один безмассовый фотон (посредник электромагнитного взаимодействия) и три очень массивных W- и Z-бозона (посредники слабого ядерного взаимодействия), а также бозон Хиггса, завершающий Стандартную модель. Каждый проведённый эксперимент с частицами и каждый детектор, установленный для наблюдения за частицами, когда-либо созданный, обнаружил только доказательства существования этих частиц и только этих частиц, со свойствами, присущими им в рамках нашей Стандартной модели. Эти частицы и силы могут казаться очень разрозненными, но между ними существуют чрезвычайно сильные взаимосвязи.

Кварки и заряженные лептоны — это частицы со спином ½, где у каждого кварка или заряженного лептона измеренный в любом направлении спин будет равен +½ или -½, в зависимости от того, в каком направлении ориентирован его внутренний угловой момент. Но для нейтрино — незаряжённых лептонов — их статус частиц со спином ½ немного иной.

• У всех нейтрино спин всегда равен +½, что означает, что если вы направите левый большой палец в направлении движения нейтрино, пальцы вашей левой руки укажут вам направление его спина. Вы никогда не увидите правостороннего нейтрино со спином -½.

• У всех антинейтрино спин всегда равен -½, что означает, что вы должны направить правый большой палец в направлении движения антинейтрино, чтобы пальцы указали вам в направлении спина антинейтрино. Вы никогда не увидите левостороннее антинейтрино со спином +½.

Это фундаментальная асимметрия природы: так же, как природа асимметрична в том смысле, что существуют электрические заряды (положительные и отрицательные), но не существует магнитных зарядов (северных и южных магнитных монополей). Даже когда мы объединили электромагнитную силу со слабой ядерной силой, электрослабые взаимодействия по-прежнему демонстрируют эту фундаментальную асимметрию, и по-прежнему не существует таких вещей, как магнитные монополи (или заряды). Это важная особенность природы, которая снова и снова подтверждается экспериментами и наблюдениями, и она должна быть сохранена, чтобы наши теории, описывающие реальность, действительно соответствовали измеренной физической реальности.

Многие стремились — и по-прежнему стремятся — к дальнейшему объединению наших теорий физики в единое описание. Идея о том, что сильное взаимодействие в какой-то момент объединяется с электрослабым взаимодействием, является примером теории великого объединения, и многие работали над ней с 1970-х годов. Идея о существовании теории всего, включающей гравитацию, является отличительной чертой теории струн и, в последнее время, новой области исследований, позитивной геометрии. Многие другие идеи в теоретической физике стремятся добавить дополнительные симметрии, дополнительные измерения, дополнительные частицы или дополнительные рамки объединения. Они популярны, и на то есть веские причины: математический путь к теории всего, в целях самосогласованности, неизбежно должен проходить по этим маршрутам.

Но когда мы сталкиваемся с этими идеями в реальности, мы начинаем испытывать огромные трудности. Все эти идеи требуют добавления некоторых дополнительных ингредиентов в нашу реальность: ингредиентов, которые, если мы просто запишем их в общем виде, могут привести к новым взаимодействиям или распадам частиц, о которых мы уже знаем. Поскольку у нас есть такие точные данные о том, как известные (Стандартной модели) частицы уже взаимодействуют и распадаются (а также о том, как им запрещено взаимодействовать или распадаться), мы должны крайне осторожно создавать «Теорию всего» — так, чтобы она не противоречила уже существующим данным, особенно данным, полученным в экспериментах по физике частиц.

Обычно, пытаясь расширить известную физику, мы рассматриваем самые простые и минимальные дополнительные сценарии. Итак, если вы:

• Хотите сделать свою Вселенную лево- и правосторонне симметричной? Теоретически это возможно, но тогда вам нужно будет избавиться от всех правосторонних нейтрино (и левосторонних антинейтрино) и соответствующих слабых взаимодействий, которые они допускают, а также объяснить отсутствие четвёртого цветового заряда сильного взаимодействия.

• Хотите объединить сильное ядерное взаимодействие с электрослабым взаимодействием? Опять же, теоретически это возможно, но дополнительные частицы, которые появляются вместе с ним (бозоны с дробным зарядом), допускают распад протонов, поэтому вам нужно найти способ подавить или устранить этот момент, чтобы всё соответствовало нашим наблюдениям.

• Хотите ввести дополнительную симметрию, такую как суперсимметрия, чтобы объяснить, почему частицы Стандартной модели имеют именно такие массы? Тогда вам придётся объяснить, почему существует только один бозон Хиггса (а не несколько, как предсказывает суперсимметрия), почему нет суперпартнёров с массой, приблизительно равной массе верхнего кварка, обнаруженного в БАК, и почему в природе нет нейтральных токов, изменяющих аромат (т. е. смены поколений кварков или лептонов, сохраняющих электрический заряд), поскольку предсказания суперсимметрии противоречат имеющимся наблюдениям.

Самым простым сценарием с лево- и правосторонней симметрией является модель Пати-Салама, в которой не было бы нарушения чётности; но нарушение чётности наблюдается постоянно. Самой простой силой, объединяющей сильное взаимодействие с электрослабым взаимодействием, является модель Георги-Глэшоу, которая предсказывает распад протона в течение примерно 10³⁰ лет, но срок жизни протона уже установлен как минимум в 10³⁴ года. И не только простейшая модель суперсимметрии, но и все модели суперсимметрии предсказывают существование нескольких других бозонов Хиггса, а не только одного (и единственного), который мы обнаружили на Большом адронном коллайдере.

Все эти схемы, как представляется, противоречат тому, что уже известно о Вселенной. И всё же большинство людей, интересующихся теорией всего, пытаются решить эту проблему не путём поиска альтернативного подхода, который не имеет этих противоречащих реальности черт. Вместо этого они экстраполируют дальше, создавая:

• более крупные, грандиозные схемы объединения,

• которые навязывают ещё больше симметрий, не отражённых в природе,

• вводят большее количество ненаблюдаемых параметров (поля, частицы, степени свободы, дополнительные измерения, новые симметрии и т. д.),

• а затем утверждают, что каким-то образом — без введения какого-либо механизма, объясняющего, как это происходит — все посторонние, нежелательные особенности чудесным образом подавляются,

в конечном итоге приводя ко Вселенной со значительной асимметрией, которую мы наблюдаем сегодня.

Именно такой подход используется в теории струн (и позитивной геометрии). Вместо одного дополнительного измерения они вводят множество измерений: от шести аж до 22, в дополнение к тем четырём, о которых мы точно знаем. Вместо магнитных монополей, дополнительных секторов Хиггса, сверхтяжёлых бозонов, допускающих распад протонов, и лево-правых симметричных свойств, у них есть всё это и многое другое. Вместо пространства есть суперпространство; есть супергравитация; есть не только традиционная версия суперсимметрии «для каждой частицы Стандартной модели есть суперпартнерская частица», но и в общей сложности четыре новые суперсимметрии и сотни дополнительных новых частиц.

Можно подумать, что добавляя всё больше и больше ингредиентов, которые не проявляют себя в нашей наблюдаемой и измеряемой физической реальности, мы можем каким-то образом решить, а не усугубить загадки, с которыми сталкиваемся сегодня, когда речь заходит о Вселенной.

Важный вопрос, который можно было бы задать: «Как можно взять эту огромную, унифицированную структуру, содержащую сотни лишних компонентов, которые необходимо устранить и подавить, чтобы восстановить Вселенную, которую мы действительно наблюдаем?», никогда не получает ответа, когда речь заходит об этих попытках создать теорию всего. Именно поэтому я описал эти попытки как неправдоподобную разбитую коробку или, в последний раз, как «пазл, в котором ребёнок раскрасил все кусочки независимо друг от друга». Если хотя бы один из этих дополнительных ингредиентов (или кусочков головоломки) не будет в достаточной степени устранён или подавлен, эта попытка теории окажется обречённой на провал, поскольку она будет противоречить наблюдениям, экспериментам и измерениям, которые уже установили, что «это не соответствует реальности».

И это самое главное, к чему всегда нужно возвращаться: соответствуют ли наши теоретические идеи реальности? Когда мы формулируем попытки создания Теории всего, должны ли мы вернуться к самому началу, где мы говорили о целях науки, работая «над максимальным увеличением нашей способности предсказывать явления природы с минимальным количеством предположений, параметров и переменных, которые абсолютно необходимы»?

Наши нынешние великие научные загадки заставляют нас продолжать поиск истины о Вселенной, поскольку есть много аспектов реальности, которые мы пока не можем полностью объяснить. Но полагаться на неточные, поверхностные аналогии и математические домыслы более чем неудовлетворительно; это подход, который теряет фундаментальную связь с научным подходом, связь с наблюдаемой, измеримой реальностью. Возможно, одна или несколько идей, которые мы имеем в отношении теории всего, в конечном итоге окажутся правильными. Но если это так, то именно связь с реальностью закрепит и утвердит их, а не просто аргументы о том, что возможно с математической точки зрения.