Теория всего: можно ли объединить всю физику одной концепцией

Да, именно так. Все, что мы как человечество поняли об устройстве этого мира, нужно «собрать в кучу», сложить в связный логичный текст. Разработать теорию, которая будет непротиворечива и объяснит происхождение и принцип действия всех физических явлений на всех уровнях: от уровня квантов до уровня взаимодействия галактических суперкластеров. Такую гипотетическую пока теорию ученые называют «теорией всего». Над ее созданием трудятся физики всего мира уже много десятков лет. Получается ли у них это? Давайте посмотрим.

«Теория всего» — что это и почему это нужно?

«Теорией всего» называют универсальную теорию всеобъемлющего характера, которая позволила бы связать воедино все гипотетические и достоверно известные, проверенные знания о физике (физических свойствах / явлениях) нашей вселенной. При этом имеется в виду не Вселенная — гигантский космический объект, а вселенная в более широком значении — наш окружающий мир, все существующие физические аспекты нашей реальности.

Попытки упростить и унифицировать мироустройство подобным образом предпринимались всегда. И надо сказать, именно до развития научного знания они были максимально успешными. Теория о Земле, стоящей на трех китах, к примеру, отлично справлялась с задачей — мир был понятен. И даже в XIX веке, когда господствовала ньютоновская механика, все было более-менее ровно: казалось, яблоки падают под деревья и так происходит всегда и везде.

Однако потом «всё сломалось». В начале XX века на свет появились две крупных модели, которые навели суету. Это теория относительности Эйнштейна (применима для изучения движения тел с любыми скоростями в гравитационных полях любой интенсивности) и квантовая механика — абсолютно новая область знания, занимающаяся физикой элементарных частиц. Вдруг выяснилось, что физические законы на микроуровне не соотносятся с законами, принятыми в мире крупных объектов.

И квантовая механика, и теория относительности доказанно работают на своих уровнях, объясняя природу тех или иных явлений и обладая достаточной предсказательной силой. Обе теории самодостаточны: для работы с микро- и макрообъектами можно пользоваться соответствующей областью знаний и горя не знать, данные другой модели не требуются. Именно такая самодостаточность дезориентирует: поставь две теории рядом — и сразу появятся противоречия или несоответствия. «Примерить» одно на другое не выйдет.

Такое, конечно, устраивало не всех. Альберт Эйнштейн говорил: «Интеллект, который жаждет единой теории, не может быть удовлетворен предположением, что существуют два разных поля, совершенно независимых друг друга по своей природе». С начала 20-х годов прошлого века и до конца своей жизни великий ученый пытался скомпоновать все известные на тот момент данные, но не преуспел.

Какие «теории всего» есть?

Не преуспел, к сожалению, не только Эйнштейн. На данный момент не существует общепринятой, утвержденной теории, которая отвечала бы сразу на все вопросы. Хотя есть несколько теорий-кандидатов. Вот самые яркие из них:

• «Теория почти всего», известная также как «стандартная модель». Теория детально прописывает связи электромагнитного взаимодействия, слабого ядерного и сильного ядерного взаимодействий, а также создает «зоопарк» элементарных (субатомных) частиц. В то же время эта теория, являющаяся доминирующей в науке на сегодняшний день, хоть и связывает воедино многое, имеет ряд белых пятен. Она не вписывает гравитацию в систему взаимодействий и не поясняет природу темной материи и энергии.
• Теория струн. Это одна из теорий квантовой гравитации. Ее задача — объединить гравитацию с тремя другими базовыми взаимодействиями (электромагнитным и сильным и слабым ядерными), то есть исправить базовый недочет стандартной модели. Согласно теории струны — это одномерные бесконечные объекты, которые колеблются с разной частотой и их колебания (характеристики колебаний) задают (противоречивые) свойства всей существующей материи. Разработка теории ведется более 40 лет, но пока надежных доказательств ее валидности не получено. Кроме того, модель имеет несколько ответвлений, соревнующихся между собой.
• Теория петлевой квантовой гравитации. Еще одна из теорий квантовой гравитации представляет, что пространство-время одномерно и собрано из небольших дискретных петель или групп петель (гравитационных полей размером 10^-35 м). Представить «базовые строительные элементы вселенной» можно как ткань-сеточку, говорит физик Хорхе Пуллин (Jorge Pullin) из Университета штата Луизиана. Теория является перспективной и активно разрабатывается.
• М-теория. Теория, объединяющая в себе разные версии теории суперструн. Согласно ей, предполагается существование «бран» — двух- или пятимерных объектов, чьи свойства должны объяснять «законы природы». Теорию считают достаточно перспективной (в том числе ее поддерживал Стивен Хокинг), однако доказательств ее пока нет (да и сама теория еще в стадии разработки).

Почему не удается найти универсальное решение?

Будет ли найдена какая-то одна теория, связывающая квантовую и неквантовую механику, неясно. Многие даже думают, что задача может быть либо непосильна для человечества на текущем этапе развития, либо нереалистична по сути. Также есть мнение, что создание единой теории попросту бесполезно.

Невозможность полноты знания

Одним из аргументов против «теории всего» называют теорему Гёделя о неполноте (Gödel’s incompleteness theorem). Австрийский математик Курт Гёдель рассмотрел идею о том, что все теоремы в математике могут быть выведены всего из нескольких предположений (аксиом). Если представить теоремы как воздушные шарики, парящие над землей аксиом, но связанные между собой логическими цепочками, то можно будет увидеть, что существуют теоремы, являющиеся истинными, но не выводимыми из аксиом напрямую — это свободно парящие шарики, никак не связанные с землей. Следовательно, математика неполна. Она ограничена сама собой. Фримен Дайсон писал по этому поводу: «Неважно, как много задач мы решили, всегда будут те задачи, которые не решаются по известным нам правилам».

Стивен Хокинг, известный физик, тоже не исключал, что, возможно, поиск единой «теории всего» будет вечным. «Некоторые люди будут очень разочарованы, если не найдется единой теории, которую можно будет уложить в конечном числе принципов. Раньше я к таким относился, но сейчас изменил свое мнение. Сейчас я рад, что наш поиск понимания никогда не придет к концу. Всегда будет вызов новых открытий», — говорил он.

Никакое познание никогда не заканчивается. Наука может доказать, что теория неверна, способна собрать данные в пользу теории, протестировать и верифицировать предсказания в рамках теории. Но заявить, что вот он — последний наш вариант, точнее и лучше уже ничего не придумаем, — не получится. Это попросту ненаучно.

С другой стороны, есть не только вопрос неполноты знания в целом, но и ограниченность знаний на текущий момент. Нам не только неизвестны все правила, по которым связываются квантовая механика и теория гравитации, нам известно, в принципе, мало что. Список непонятных науке вещей впечатляет: тут и непонимание того, как работает магниторецепция (чем животные «воспринимают» магнитное поле Земли?), и недообъясненность природы сонолюминесценции (возникновения вспышки света при схлопывании пузырьков, произведенных в жидкости ультразвуковой волной), и много-много чего другого.

Неправильно поставленный вопрос

Также физики замечают, что какой-то единой теории может вообще не быть. Вероятно, что разные и, казалось бы, не связанные между собой законы существуют параллельно и никакой конкретной причины их существования именно в таком виде нет, а те сложные формулы, которые мы придумали, чтобы их сочленить, на самом деле — просто порождение нашего человеческого воображения. Ненужные дополнительные сущности, которые не помогают нам описать Вселенную.

Мы полагаем, что мир устроен красиво и элегантно, симметрично с математической точки зрения, но что, если это принципиально не так? По мнению ряда авторов, к примеру Сабины Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований, пытаться искать данные, которые идеально подошли бы к имеющейся концепции, не совсем правильно. «Вся идея «теории всего» стоит на не совсем научном принципе. И это просто не очень хорошая стратегия — разрабатывать теорию, и нет, это не по стандартной методологии. На самом деле, даже наоборот. Идея опираться на красоту теории при ее создании никогда не была хорошей».

Нефальсифицируемость

Еще один «естественный» ограничитель в поиске «теории всего» — тезис о том, что теория должна быть опровергаема и систематически проверяема. Нельзя просто так взять и выдать за теорию то, что нельзя проверить: должна существовать возможность хотя бы гипотетически, в будущем верифицировать то, что придумали авторы. Пока мы не можем на 100% сказать, что все имеющиеся на рассмотрении теории-кандидаты научны, согласно критерию опровержимости.

Сможет ли наука обрести «теорию всего»?

Мы не знаем. И не знает пока никто.