притягиваются друг к другу. Мы хорошо знаем этот эффект на нашей Земле, стоит только чуть подпрыгнуть.
Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех. Но за счет гигантской массы нашей планеты, вращения Луны вокруг Земли и нашей планеты вокруг Солнца мы сталкиваемся с ним каждый день и хорошо знаем.
Электромагнитная сила. Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом через электромагнитное поле. Разные заряды притягиваются, одинаковые – отталкиваются.
Это тоже взаимодействие, которое нам очень хорошо знакомо в жизни. Мы крепим магнитик на холодильник. Мы включаем свет, который тоже опосредованно связан с электромагнитной силой.
Слабые ядерные силы. Это взаимодействие, наблюдаемое при так называемом бета-распаде атомного ядра. Когда выделяется электрон или позитрон вместе с нейтральной частицей.
Сильное ядерное взаимодействие. Основа нашего мира.
Вы помните про то, что одинаковые заряды отталкиваются? А вот сильное ядерное взаимодействие собирает одинаково заряженные частицы – протоны – в одно мощное ядро. Без этих сил во Вселенной никогда бы не возникло тяжелых элементов, ведь протоны отталкивались бы друг от друга.
Ученые полагают, что все эти виды силы могут иметь одну природу. И были попытки создать объединенную теорию всех взаимодействий. Это дало бы серьезный импульс всей физике. Но пока у ученых не хватает данных для создания такой теории.
Вряд ли природа делила мир на категории и, как добросовестный менеджер по поставкам, продумывала их логистику:
– Это атомы, на них будут действовать такие-то силы. Назовем их сильными и слабыми ядерными силами. В этом регионе – микромире – они будут формировать все логистические цепочки.
– Это гигантские объекты с огромной массой. Пусть ими управляет гравитация! Всю логистику в мегамире отдадим под ответственность гравитации.
– Добавим к этому электромагнитные силы, пусть они воздействуют на все объекты – и малые, и средние, и крупные. Это важное звено логистической цепочки, пусть отвечает за поставки в макромире.
Очевидно, что такими категориями мыслит человек. У природы все плавно перетекает из одного в другое. Поэтому, вероятнее всего, в основе всех взаимодействий (или сил) лежит один закон. Только вот физикам не удается привести все силы к единому знаменателю.
Квантовая механика смогла объединить оба ядерных взаимодействия с электромагнитным. Но связать их с гравитацией не получается.
Сейчас для трех видов взаимодействий в физике используется так называемая Стандартная модель. Она была принята в 70-е, после открытия кварков. Стандартная модель определяет, какие существуют в природе силы и элементарные частицы, и описывает все. Кроме гравитации.
Сейчас фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной моделью.
Теория относительности изучает большие объекты в масштабе звезд, галактик и Вселенной. Квантовая механика изучает маленькие объекты – те кирпичики, из которых состоит наш мир. И сейчас не совсем понятно, как гравитация влияет на мельчайшие частицы. Равно как и квантовая механика не работает на больших расстояниях и с крупными объектами.
Например, элементарные частицы могут передвигаться скачками – исчезать в одном месте и появляться в другом. Очевидно, что в нашем мире с обычными предметами подобное не происходит, хотя прекрасно подтверждается в экспериментах на микроуровне.
Сложить две теории в одну не получается. Главная проблема в том, что теории «говорят на разных языках».
Основное противоречие лежит в понимании пространства-времени. В квантовой механике все объекты находятся во внешнем пространстве-времени. А в общей теории относительности пространство-время – важные участники событий. Они тесно связаны со всем, что происходит в системе.
Обе теории признаны научным сообществом. И подтверждаются экспериментально. Но их конфликт при описании мира – налицо.
Когда в обычной жизни оба считают себя правыми, истину решает судья, детально разобрав дело и мнения сторон. Осталось только найти такого судью, который разрешит этот главный конфликт современной физики. Давайте посмотрим на наиболее ярких кандидатов на вакансию «физического судьи», который даст путь к новому витку технологического прогресса человечества.
Есть несколько интересных попыток написать теорию квантовой гравитации. Самыми перспективными в современной физике являются две: теория струн и петлевая квантовая гравитация.
Теория струн и петлевая квантовая гравитация
Теория струн гласит, что элементарные частицы состоят из крошечных маленьких струн. Каждая из струн вибрирует по специальной схеме. И у каждой частицы – своя «мелодия».
По сути, все объекты в нашей Вселенной – это симфония струн. Наш мир непрерывно вибрирует. Согласно теории струн, в первые мгновения после Большого взрыва все четыре фундаментальные силы были одной.
Глобально во Вселенной существует два типа элементарных частиц: бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы, через которые осуществляется взаимодействие. Как деньги в нашей обычной жизни. Чтобы получить товар или услугу, вам надо заплатить определенную сумму. Самый яркий пример бозона – фотон. Яркий пример фермионов – это протоны и нейтроны.
Согласно теории струн, в мире существует суперсимметрия, когда для каждого фермиона должен существовать бозон, и наоборот. Все элементарные частицы появляются в результате колебаний ультрамикроскопических квантовых струн. Колебания эти происходят на микромасштабах – на уровне 10 в – 35 степени метра. Согласно этой теории, в нашем мире существует как минимум 10 измерений (9 для пространства и 1 для времени). Представить это рациональным сознанием невозможно: мы все привыкли жить в трехмерном пространстве.
Другие измерения пока экспериментально не открыты и существуют только в математических моделях. Каждое измерение существует отдельно, само по себе. Если координаты в одном измерении поменялись, в другом они могут оставаться неизменными.
Обнаружить присутствие дополнительных измерений можно с помощью гравитации. Она так искривляет пространство-время, что открывает возможность увидеть другие измерения. В этой теории пространство-время предстают как дискретные величины. То есть, грубо говоря, есть некие кванты, порции пространства и времени. Обе теории остро нуждаются в экспериментальных подтверждениях.
Пятая сила природы
Ситуацию могут поменять не только интеллектуальные изыскания физиков-теоретиков, но и новые экспериментальные открытия. В 2021 году американские ученые из лаборатории им. Энрико Ферми объявили, что они, возможно, открыли новую, пятую силу природы. В научном журнале Physical Review Letters ученые рассказали о ходе эксперимента. Открытие еще предстоит подтвердить. Если это случится, то Нобелевка ученым обеспечена: открытие совершит настоящий переворот в современной физике.
В чем же суть открытия и какие перспективы оно сулит?
