Точные науки развиваются на протяжении сотен лет. Физика прошла путь от философских опытов Аристотеля до квантового понимания мира и теории относительности. Мы очень многое узнали о мире, но уже более 80 лет наши знания упёрлись в один барьер: мы не можем связать квантовую механику с теорией относительности!
Чтобы объяснить весь объем проблемы, нужно обсудить все три мира физики - мир микрочастиц (атомов, электронов, протонов и т.д.), классическую механику - привычный для нас мир с дорогами, машинами и природой, и релятивистскую физику - космос, где действует теория относительности и где самый минимальный объект в тысячи раз тяжелее нас с вами!
1. Классическая механика
Этот раздел - самый лёгкий для понимания. В качестве объектов выступаем мы с вами, а также многие другие - грузовики, облака, жуки, асфальт, ваши кошка с собакой и многие другие - те, которые мы видим каждый день!
Даже все физические формулы и законы здесь понятны. К примеру, вам нужно узнать скорость объекта. Вы берете секундомер, измеряете расстояние, которое он прошел, и делите расстояние на время и получаете его скорость!
Ускорение, силу, мощность, работу, энергию, вес, давление - все эти параметры легко определимы для классического мира!
Но когда вы начнёте применять законы классической механики на другие разделы физики, начнется ужас...
2. Релятивистская физика
Когда вы рассматриваете движение планет и звёзд, вы не можете применять законы классической механики. Почему? Потому что в ваших экспериментальных данных появится ошибка, которую нельзя объяснить классическими законами. Это пытались сделать до начала XX века, а потом несколько физиков, среди которых был Альберт Эйнштейн, пришли и сказали:
"Классические законы не работают в космосе. Кроме трёх пространственных измерений также есть четвертое - временное, которое влияет на все ваши измерения. Чем больше скорость объекта и чем больше масса, тем время для объекта будет идти медленнее".
Теория относительности Эйнштейна говорит, что при движении массивных объектов и на скоростях, приближенных к скорости света, изменяется сама ткань пространства-времени. Мы можем наблюдать за сверхбыстрым космическим кораблем в течение десятков лет, а человек, летящий на нем, постареет всего на несколько месяцев. В обычном мире это просто невообразимо - как можно двигаться на околосветовой скорости на нашей планете?
Если мы будем считать параметры тела в релятивистской механике, мы должны учитывать эффект замедления времени - для него либо для нас. Тогда и только тогда ваши измеренные результаты совпадут с теоретическими.
3. Квантовый мир
Ранее мы выяснили: чем больше масса и скорость объекта, тем медленнее течет для него время. А теперь представьте, что вы - фотон, летящий на скорости света. Знаете, что будет со временем? Оно остановится! Вы будете летать сколько угодно тысяч лет, но для вас это время пройдет мгновенно!
Но если это более-менее понятно, тогда как представить себе суперпозицию - состояние, при котором у объекта наблюдаются два противоположных свойства? К примеру, вы будете одновременно живы или мертвы, либо же будете одновременно вращаться по часовой стрелке и против неё.
Сложно себе это представить? Но в квантовом мире именно такие законы! Там нет частиц, ведь все они настолько мало и движутся с такими большими скоростями, что проявляют свойства волн! Но при этом это все ещё отдельные частицы, то есть это одновременно и волна, и частица!
Загвоздка ещё в том, что если мы не будем наблюдать на квантовым объектом, то он ведёт себя как волна, а если будем - то как частица!
Как вообще применять законы классической механики для этого мира? Как применять релятивистскую физику? Получается, нужна ещё одна, третья система законов и расчетов?
Да. И вот тут наступает все самое сложное - в физике фактически есть три отдельные физики, практически ничем не связанные между собой. А как придумать закон, который одновременно описывал бы суперпозицию фотонов и электронов, классическую походку человека и замедление времени космического корабля?
4. Как разработать Единую Теорию Всего?
Учёные всего мира пытаются связать все три системы в одну. Зачем? Потому что физика - универсальная наука, и её законы должны быть применимы к любой системе! А получается, что не к любой.
Теория Всего нужна ещё затем, чтобы объяснить поведение пяти фундаментальных сил - слабого и сильного ядерного взаимодействия, электромагнитного взаимодействия, гравитации и поля Хиггса. И если четыре из них прекрасно работают между собой и действуют только на мельчайших расстояниях, то гравитация стоит особняков и действует вообще на все тела! Как так то?
Теорию Всего искали многие учёные, среди которых Стивен Хокинг. К сожалению, на сегодняшний день наши знания не позволяют сформировать фундаментальный закон природы, описывающий всё на свете. Ситуацию усугубляет то, что во Вселенной помимо обычных частиц есть тёмная материя и тёмная энергия - куда девать их??
И ещё: что, если Теорию Всего не получается создать, потому что всё наше представление о мире, о науке, о физике в корне неверно? На протяжении всей истории мы во многом заблуждались - и место старым гипотезам уступали новые. Быть может, мы и в этот раз ошибаемся?
Понравилось? Тогда ставьте палец вверх и подписывайтесь на мой канал - там вы найдёте занимательные и увлекательные статьи на темы физики, химии, космоса, изобретений и многого другого!
