Многообразие сил, действующих во Вселенной, как считает современная теория, сводится всего к четырем типам взаимодействия: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Для установления этого факта физикам потребовалось примерно 250 лет. В момент зарождения теоретической физики в 17-ом веке количество сил, привлекаемых для объяснения того или иного процесса, ограничивалось только поэтической фантазией ученого – отсюда сила любви, объясняющая притяжение магнитов, сила эфирных вихрей, приводящих в движение планеты, сила страха пустоты, увлекающая вверх воду в каппилярах, сила порядка, принуждающая тяжелые предметы падать, а легкие пары подниматься вверх и т. д. Первым фундаментальным взаимодействием, которое получило математическую формулировку и стало универсальным, было, конечно, гравитационное. Сила притяжения между точечными массами, выведенная Ньютоном из законов Кеплера не только объясняла законы движения небес, но и связывала их с земными явлениями типа падения яблок. Легенда о «яблоке Ньютона» ошибочно утверждает обратную последовательность событий:

Если про Ньютона и его с Гуком закон всемирного тяготения мы уже говорили выше, то следующим этапом развития теории взаимодействия стал закон Кулона (1785), открытый при измерении сил электростатического взаимодействия двух заряженных металлических шариков. Он стал возможен в первую очередь не за счет изобретения Кулоном крутильных весов, а за счет интенсивности электрического взаимодействия, намного более мощного чем гравитационное. Кавендиш обнаружил этот закон примерно за 11 лет до Кулона, не используя крутильные весы (это стало известно только в 1879 году). Приведенная ниже диаграмма процессов унификации взаимодействий в историческом развитии, поможет нам проследить запутанную вереницу открытий, дат и имен, которые привели нас по пути развития этой программы в сегодняшнее состояние.

Схожесть структуры законов укрепила веру физиков в единство природы:

Следующим внешне малозначительным событием стало случайное наблюдение Эрстеда в 1820 году, приведшее по цепочке Био-Савар-Лаплас-Ампер-Фарадей к уравнениям Максвелла, которые осуществили синтез электрических и магнитных явлений – возникло второе фундаментальное взаимодействие, электромагнитное. Как следствие этого синтеза были открыты электромагнитные волны, а оптические явления стали проявлениями электромагнитной природы света. В 1905 году в попытках согласовать уравнения Максвелла с преобразованиями Галилея, выяснилась приблизительность последних и замена их на преобразования Лоренца – родилась специальная теория относительности Эйнштейна. Обобщив СТО до ОТО, Эйнштейн геометризировал гравитацию и начал разрабатывать новую парадигму – программу геометризации электромагнетизма с прицелом на построение единой теории всей физики.

Однако фокус приложения усилий физиков уже сместился в область атомной и ядерной физики, бурно развивалась квантовая механика, не пересекающаяся с ОТО, и парадигма геометризации была не актуальна. Остро стояла проблема бета-распада атомных ядер, при котором на первый взгляд нарушались законы сохранения энергии и импульса. Ситуацию спас Паули, постулировавший в 1930 году рождение при бета-распаде новой невидимой нейтральной частицы, уносящей энергию и импульс и восстанавливающей законы сохранения. Реально эту частицу – нейтрино – смогли зарегистрировать только в 1956 году, но Ферми, используя её уже в 1934 году, построил первую теорию нового типа взаимодействия, названного «слабым». Такое название взаимодействие получило из-за того, что, хотя оно было сильнее электромагнитного и гравитационного, но было слабее «сильного» (ядерного). В 1935 году Юкава построил первую модель сильного взаимодействия, где переносчиком взаимодействия была новая частица – пи-мезон, обнаружить которую удалось только в 1947 году. Однако надежные и пригодные для предсказаний вычисления удавалось выполнять только для относительно слабых по силе взаимодействий, то есть гравитационного и электромагнитного.

Таким образом, к началу Мировой войны все четыре фундаментальные взаимодействия были обнаружены. Несмотря на огромное значение, которое приобрели ядерные исследования после создания «атомной» бомбы к концу войны, теоретическое осмысление сильного взаимодействия было затруднено из-за обнаружения целого «зоопарка» адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию). Наведение порядка в этом зоопарке, группировка по семействам и исследований их симметрий затянулось на 20 лет. Стало понятно, что адроны – композитные объекты, то есть состоят из более фундаментальных кирпичиков, которые получили название кварков. Теория сильного взаимодействия кварков – квантовая хромодинамика (КХД) – была построена в 70-х годах прошлого века.

Тем временем, развивая калибровочный подход к построению полевых теорий, к 1967 году удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие (теория Вайнберга-Салама-Глэшоу). Группа его симметрии была прямым произведением группы U(1) электромагнитных симметрий и группы SU(2) – симметрий слабого взаимодействия, то есть: SU(2) х U(1). После того как обнаружилось, что КХД можно интерпретировать как калибровочную теорию унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, то есть ввести для них группу SU(3), появилась Стандартная модель (СМ) взаимодействий с группой симметрии, представляющей прямое произведение групп взаимодействий: SU(3)xSU(2)xU(1). Окончательное подтверждение Стандартной модели было получено в 2000 годах, обнаружение бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное подтверждение (никаких наблюдательных фактов, противоречащих ей не обнаружено). Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Да и объединение взаимодействий в СМ чисто формальное, так как группа симметрий получается просто как прямое произведение. Естественно поискать более общую группу Ли, включающую в себя это прямое произведение. Такая модель, получившее название «Теория Великого объединения» (ТВО), была построена Джорджи и Глэшоу уже в 1975 году с помощью наименьшей простой группы Ли содержащей СМ: SU(5)xSU(3)xSU(2)xU(1). Но ни она, ни многие другие группы, предложенные для построения ТВО, не стали общепринятыми. Модели ТВО предсказывают распад протона и существование магнитного монополя (и то, и другое не обнаружено). Все модели ТВО предсказывают, что при высоких энергиях сильные взаимодействия и электрослабые взаимодействия объединяются в одно «электроядерное» взаимодействие. «Константы» всех взаимодействий a_s,a_w,a_e не являются постоянными, а довольно сильно зависят от энергии. Предсказываемая диаграмма сближения констант взаимодействий приведена на графике внизу. Обратные величины констант взаимодействий как функций от энергии с учетом ряда эффектов (экранирования, смешивания и т. п.) приведены в логарифмическом масштабе.

На графике приведены в логарифмическом масштабе изменения обратных величин констант взаимодействий 1/а как функций от энергии с учетом ряда эффектов (экранирования, смешивания и т. п.). Точка Великого объединения, к которой «сбегаются» константы при энергиях 10¹⁵-10¹⁶ Гэв, отвечает единому взаимодействию с а_ТВО = 1/40. Масштабы энергии и соответствующих расстояний близки к планковским и находятся далеко за пределами всех мыслимых наблюдений в обозримом будущем.

Однако вернемся на нашей диаграмме исторического развития парадигмы в 1968 год. Молодой итальянский физик Габриэль Венециано обнаруживает забавный факт, что бета-функция, введённая Эйлером в 1730 году, описывает амплитуду рассеивания пионов в модели взаимодействия адронов. Почти сразу же японские физики Намбу и Гото поняли, что амплитуда Венециано отвечает возникновению между адронами «бесконечно тонкой колеблющейся нити» и строят простейшую классическую релятивистскую модель такой «бозонной струны». Французский физик Пьер Рамон строит модель «фермионной струны», предлагаются иные варианты (Невьё, Шварц, Поляков, …) – начинается новая «струнная ветвь» в развитии рассматриваемой программы объединения. В связи с успехом КХД (конкурирующей со струнной теорией сильного взаимодействия) теория струн временно уходит в тень до начала 80-х годов.

Еще одним узловым событием парадигмы объединения оказалась некоторая абстрактная игра с операторами квантовой теории поля затеянная советскими математиками Гольдфандом и Лихтманом в конце 60-х годов. В 1968 году они построили то что теперь называется «N = 1 супералгеброй». Имела ли данная конструкция хоть какое-то отношение к физике – в тот момент было неясно. Через год к идее новой симметрии независимо и другим путем пришли физики Волков и Акулов, но внимание широкой научной общественности привлекла только публикация в 1974 году в журнале «Nuclear Physics» статьи европейских физиков: Весса и Зумино, не слышавших о предшественниках. Так или иначе, но после их работы довольно быстро произошло осознание важного значения суперсимметрии в физике элементарных частиц, и с 1974 года начинается лавина публикаций, посвященных исследованию и развитию разных сторон суперсимметрии. За последующие тридцать лет было опубликовано несколько десятков тысяч работ, посвященных этому направлению – суперсимметрия вошла в тренд.

Кроме красоты, у идеи суперсимметрии много других достоинств, в частности резкое сокращение числа расходимостей – бича квантовых теорий поля (вклады от бозонных и фермионных степеней свободы взаимно сокращаются). Неудивительно, что идеи суперсимметрии стали активно внедряться в теоретические модели теории поля. Первая реалистичная версия суперсимметричной стандартной модели, получившая название минимальной СМ, была предложена Джорджи и Димопулосом в 1981 году. Фактически это та же СМ со всеми ее симметриями, но к каждой частице добавлен партнер, чей спин отличается от ее спина на 1/2, – бозон к фермиону и фермион к бозону. Еще раньше, в 1978 году (Ньювенхейзен, Шерк, Джулиа,…) локализацией суперсимметричных преобразований построили «корень квадратный» из ОТО – 10-мерную теорию супергравитации.

Однако все затмила теория суперструн, которая после того как Шерк и Шварц в 1974 году обнаружили, что безмассовая частица со спином 2 в теории суперструн может быть гравитоном, получила новое направление приложения – оказалось, что суперструны описывают не сильное взаимодействие, а гравитацию! Настоящий бум в теории суперструн начался после 1984 года, после «первой струнной революции», в ходе которой Грин, Шварц и Шерк доказали, что теория суперструн является конечной и последовательной фундаментальной теорией, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями на планковских масштабах. К концу 80-х годов было установлено, что существует пять вариантов струн: типа I, типа IIA и IIB и два типа гетеротических струн. В 1995 году «вторая струнная революция» завершилась созданием М-теории Виттена, в которой все 5 типов струн оказались объединены в одну многомерную мембрану. История теории струн и мембран и струн продолжается, в ней происходят очередные «революции» (сейчас говорят уже о пятой), но за прошедшие полвека никакой связи теории с экспериментом пока не просматривается. Единственной призрачной нитью, связывающей струны с остальной физикой, является 10-мерная супергравитация, которая оказалась низкоэнергетическим пределом теории, но и ведь и она тоже экспериментально не проверена. Построение ОТВ – Общей Теории Взаимодействий пока задерживается.