Девяти лет от роду он решил создать Общую Теорию Всего на Свете, и ничто уже не могло этому помешать.
В современной физике известно существование четырёх различных фундаментальных взаимодействий элементарных частиц и составленных из них тел: электромагнитного, гравитационного, сильного и слабого.
Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. До этого считалось, что электричество и магнетизм представляют собой две отдельные и самостоятельные силы.
Основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное (атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек). Это означает, что большинство сил в природе — это различные проявления электромагнитного взаимодействия.
Одно из исключений составляет сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой. Таким образом, к началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.
В 1915 году Эйнштейн предложил теорию, описывающую гравитационное поле. Она почему-то получила название Общая теория относительности (ОТО), хотя не совсем понятно причём тут относительность.
После опубликования ОТО, Эйнштейн большую часть своей жизни посвятил безрезультатным попыткам объединить тяготение и электромагнетизм в единую теорию. По аналогии с объединением электрического и магнитного полей в теории Максвелла.
Однако теория Максвелла основывалась на экспериментальных данных опытов Эрстеда, Ампера и Фарадея. А вот экспериментов, указывающих на связь электромагнетизма и гравитации, не было и нет до сих пор. Т. е. какие-либо изменения электрического и магнитного полей не приводят к изменениям гравитационного поля.
По примеру Эйнштейна в течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки объединить тяготение и электромагнетизм в единую теорию, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было.
В 1921 году математиком Теодором Калуцей, была опубликована теория в которой гравитационные уравнения Эйнштейна - Гильберта были представлены в 4-х мерном пространстве. С учётом времени получалась 5-мерная матрица.
Теперь система состояла не из 10, а из 15 уравнений, что значительно усложнило без того сложные исследования тензорного анализа пятимерной метрики пространства-времени.
Тензоры кривизны для полных уравнений Калуцы были вычислены с использованием компьютерной системы только в 2015 году.
Обоснование ненаблюдаемости четвёртого пространственного измерения было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году. Поэтому теория получила название теории Калуцы — Клейна.
Полученные результаты давали уравнения как общей теории относительности, так и электродинамики и закон для силы Лоренца. В них также обнаружилось, что электрический заряд отождествляется с движением в четвёртом измерении.
Эта теория была, возможно, одной из самых интересных попыток объединения. Однако в ней не была выявлена зависимость электромагнитного и гравитационного взаимодействий друг от друга, и поэтому теория не привела к экспериментально подтвержденным открытиям.
Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также необходимостью квантования теории.
В 1967 году Вайнберг, Глэшоу и Салам предложили математическую теорию, в которой постулируется, что электромагнитное и слабое взаимодействия — различные проявления одной силы. Она получили название Теория электрослабого взаимодействия. Однако при обычных энергиях теория не работает. Только при энергиях выше энергии объединения (100 ГэВ) два взаимодействия согласно данной теории могут соединиться в единое электрослабое взаимодействие.
Физический же смысл объединения этих взаимодействий не определён. Относительная интенсивность (по отношению к гравитационному) электромагнитного взаимодействия 1036 , а слабого - 1025 . Электромагнитное в сто миллиардов раз сильнее! Электромагнитное взаимодействие дальнодействующее, а слабое действует только на расстояниях менее 10-18 м и ни при каких энергиях не становится дальнодействующим.
В чём же тогда объединение? Неужели только в названии.
Была такая старая шутка: «Если скрестить ужа и ежа, то получится метр колючей проволоки.» Тут примерно то же самое.
В физике элементарных частиц была создана целая группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. В них предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях (выше 1014 эВ) все три взаимодействия объединяются. Эти модели получили общее название - Теория Великого объединения. Остаётся только добавить, что такие энергии частиц пока не достижимы не только для экспериментальной проверки, но и вообще не отмечены в природе.
Поэтому и стали появляться фантастические гипотезы, о том что сразу после большого взрыва были возможны такие большие энергии при которых все три взаимодействия были объединены в одно.
Красиво звучит — Великое объединение после Большого взрыва! Которого вообще говоря, вовсе никогда не было.
Кроме того, Теория Великого объединения предсказывала распад протонов и существование совсем загадочных частиц — магнитных монополей. Сотни экспериментаторов бросились на поиски этих монополей и распадающихся протонов. Но многолетние попытки так и не дали экспериментальных подтверждений Теории Великого объединения. Постепенно интерес к ней стал пропадать.
До сих пор, уже более ста лет физики-теоретики всего мира пудрят мозги друг другу не только весьма сомнительными теориями относительности (СТО и ОТО), но и попытками создания единой теории поля, т. е. такой теории которая объединит все четыре известные фундаментальные взаимодействия в одно. Иногда её в шутку называют Теорией всего ((англ. theory of everything).
В Большой Советской Энциклопедии дано следующее определение: «Единая теория поля, физическая теория, задачей которой является единое описание всех элементарных частиц (или хотя бы группы частиц), выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую «первоматерию», различные состояния которой и соответствуют различным частицам.»
Таким образом, к требованиям Теории всего добавляется ещё и единое описание всех элементарных частиц.
Был создан целый раздел теоретической физики - квантовая теория поля, в рамках которой и ведут поиски единой теории.
В отличие от квантовой механики, где исследуют свойства волновой функции «микрочастиц» как неких неуничтожимых объектов, в КТП основными объектами исследования являются квантовые поля.
В классической физике принята полевая концепция взаимодействий, т. е. взаимодействия осуществляются посредством соответствующего поля. В КТП взаимодействия рассматриваются как обмен энергией между частицами, который осуществляется частицами-переносчиками взаимодействия. Частицы-переносчики называют калибровочными бозонами.
Примечание: Вообще говоря, бозонами называются все частицы, с нулевым и целым значением собственного момента импульса (спина), выражаемого в единицах приведённой постоянной Планка (h/2π = 1,05*10-34 Дж·c). Такие частицы подчиняются квантовой статистике Бозе — Эйнштейна. В отличие от частиц с полуцелым спином (фермионов), которые подчиняются статистике Ферми — Дирака.
В 2000-е годы была завершена теоретическая конструкция, получившая название Стандартная модель. Её иногда даже называют «Теорией почти всего». В этой теории для моделирования взаимодействий используются элементарные частицы. На сегодняшний день Стандартная модель является доминирующей в науке, несмотря на то, что имеет ряд недостатков.
Стандартная модель не включает в себя гравитационное взаимодействие. Кроме того, приведенная там систематика элементарных частиц (кварки, лептоны, нейтрино и калибровочные бозоны) включает в себя W±- и Z0-бозоны, которые распадаются на другие частицы и значит не являются элементарными.
Также существуют различные теории являющиеся расширениями Стандартной модели через суперсимметрию.
В основе суперсимметрии лежит очень странная гипотеза, которая заключается в том, что законы природы на самом глубоком уровне не меняются при замене фермионов бозонами и наоборот. То есть, если природа и в самом деле суперсимметрична, то уравнения окончательной теории не изменятся даже при такой замене частиц.
Суперсимметрия предполагает удвоение числа известных элементарных частиц за счёт наличия суперпартнёров. Однако, несмотря на продолжительные поиски, эти гипотетические частицы так и не были найдены.
Можно считать, что несмотря на огромное количество публикаций, это ещё одна попытка создания непроверяемой теории.
Последовательная и непротиворечивая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия, пока не сформулирована. За всё время было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не была без противоречий, и ни одна не смогла пройти экспериментальную проверку.
Часто неудачи в создании Теории всего связывают с тем, что все взаимодействия различны по своей природе. Особенно отличается гравитационное взаимодействие, которое на 40 порядков слабее сильного и на 36 порядков слабее электромагнитного взаимодействия. Следует также учитывать то, что слабое и сильное взаимодействия применимы только для описания микромира и действуют на очень малых расстояниях. А тяготение применимо исключительно к макромиру и квантовые свойства его экспериментально не выявлены.
Таким образом возникает ещё одна «фундаментальная» задача для теоретиков - создание квантовой теории гравитации. Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого ещё не построена непротиворечивая квантовая теория.
Возможно, проблема заключается в том, что в качестве исходной теории гравитации используется ОТО, в которой причиной тяготения является искривление пространства-времени. При этом ни пространство, ни время не являются дискретными. Вот и не получается квантование пространства-времени, особенно искривлённого. А отказаться от парадигмы ОТО теоретики не решаются.
Одна из основных теорий квантовой гравитации — Теория струн. Разработка теории ведется более 40 лет, она имеет несколько ответвлений, соревнующихся между собой. Однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в эксперименте.
А может ли Теория всего вообще существовать? Нужно ли объединять различные по своей природе взаимодействия?
У природы нет принципиальных причин, которые заставляют физику работать по одному общему механизму. Возможно следует не объединять различные по своей сути природные явления, а наоборот, разъединять их.
Физика давно разделилась на две совершенно различные части. Одна описывает квантовые явления, а другая работает на макроуровне. И это не гипотеза - это экспериментально установленный факт.
Эти две физики во многом не соответствуют друг другу, при этом обе они самодостаточны: для работы с макро и микро объектами можно пользоваться соответствующей областью знаний.
Это хорошо видно на примере взаимодействия видимого света с материей. В обычной физике свет ведёт себя как электромагнитная волна со всеми волновыми свойствами. В квантовой физике свет проявляет свойства частицы или кванта энергии. В обоих случаях это хорошо подтверждается экспериментально. Двойственность природы света принято называть корпускулярно-волновым дуализмом. Можно также отметить, что и частицы в некоторых опытах проявляют волновые свойства.
Законы квантовой физики работают только на расстояниях порядка 10-18 метра и меньше. А действие законов физики макромира на этих расстояниях практически неизвестно.
Этим можно объяснить интересные эффекты популярных в последнее время нанотехнологий. Приставка нано означает 10-9, т. е. нанотехнологии проявляются точно посередине между двумя различными физиками. (1 м и 10-18 метра).
В этом диапазоне возможно совместное проявление законов обеих физик, что и приводит к новым неизвестным свойствам.
Объекты (частицы), которые оказываются меньше стандартного размера живут в своем мире и именуются квантовыми. Они подчиняются другим закономерностям, которые не проявляются в макромире, т. е. в обычной классической физике. А классическая физика теперь неприменима к квантовому миру и многие законы Максвелла и Ньютона для него не годятся.
Так электроны, которые вращаются вокруг ядра атома должны излучать энергию и в итоге упасть на ядро. Но этого не происходит. Впрочем, нельзя с уверенностью сказать, что они вообще вращаются. Мы принципиально никогда не сможем увидеть это, поскольку длина волны видимого света значительно больше чем размеры частиц.
Важно понимать, что квантовая физика и классическая физика макромира не противоречат друг другу, а просто описывают различные типы природных явлений. В одних ситуациях можно пренебречь квантовыми эффектами, в других – гравитационными и электромагнитными.
Вольфганг Паули, лауреат Нобелевской премии 1945 года, после нескольких лет бесплодных попыток создания единой теории поля, высказал такое мнение по этому поводу: «Человеку не дано объединить то, что разделил господь!»
Если слово «господь» заменить словом «природа», то как раз получится ответ тем, кто ещё верит в возможность создания Теории всего.