100 лет назад, 36-летний Альберт Эйнштейн выступил перед Академией наук в Берлине, чтобы представить свою абсолютно новую теорию о пространстве, времени и гравитации — Общую теорию относительности.
Без всяких сомнений, Общая теория относительности это шедевр Эйнштейна. Теория, раскрывающая работу Вселенной в масштабах звезд и галактик, которая запечатлена в одной красивой и простой формуле, которая описывает всё — начиная с того, почему яблоко падает с дерева, заканчивая искривлением пространства-времени.
1915 год непременно был захватывающим для любого физика — из-за появление двух новых идей, перевернувшие мир физики с ног на голову. Первая идея — Общая теория относительности, вторая — квантовая механика, которая была еще более революционной. Она позволила понять мир на уровне атомов и микрочастиц.
За последние 100 лет эти две идеи полностью изменили наше представление о Вселенной.
«Почему что-то, а не ничего?»
Сейчас в мире физики наступил новый поворотный момент. Следующие несколько лет покажут нам, сможем ли мы и дальше постигать новое, постигать тайны Вселенной, пополняя наши знания.
Или наоборот.
Впервые в истории науки, мы столкнёмся с вопросами, на которые не сможем получить ответ. И не потому, что у нас недостаточно мозгов или технологий, а потому что сами законы физики не позволят нам получить ответ.
Вселенная слишком интересна и это проблема для такого любознательного существа, как человек. Но ведь и относительность, и квантовая механика говорят нам о том, что Вселенная — скучное место. Она смертоносна, темна и безжизненна.
Но когда мы оглядываемся вокруг, мы видим, что во Вселенной много всего интересного — галактики, звезды, планеты, деревья, белки. В конечном итоге, самый животрепещущий вопрос для нас — «Почему что-то, а не ничего?».
Как раз такое противоречие, между тем, что нам говорит наука и что мы видим на самом деле, является главной и острой проблемой фундаментальной физики. И за последующие несколько лет мы сможем узнать — удастся ли нам эту проблему решить.
В основе этой проблемы — два числа. Два чрезвычайно опасных числа.
Они описывают измеримые свойства Вселенной. И если бы их значения хоть чуть-чуть отличались — Вселенная, которую мы знаем, просто не существовала бы.
Бозон Хиггса
Первое из чисел связано с открытием, сделанным благодаря самому грандиозному научному сооружению за всю историю человечества — Большой адронный коллайдер.
БАК разгоняет субатомные частицы до околосветовой скорости по кольцу, протяженностью 27 километров. В определенный момент эти частицы сталкиваются друг с другом и гигантские детекторы частиц улавливают эти столкновения.
4 июля 2012 года, физики, работающие с БАК, объявили об открытии новой фундаментальной частицы, которую обнаружили в результате таких столкновений. Её назвали бозон Хиггса.
Если вы следили за новостями, то наверняка помните, как большинство физиков были действительно взволнованы этим открытием. Ведь эта частица, бозон Хиггса, особенная. Она доказывает существование космического энергетического поля.
Чтобы проще представить себе, что это вообще такое — энергетическое поле — вспомните, какие ощущения вы испытываете, когда подносите один магнитик к другому. Поле Хиггса немного похоже на магнитное, за исключением того, что оно везде и всюду имеет одно постоянное значение. Мы не можем потрогать или почувствовать его, но если бы его не было - не было бы и нас.
Поле Хиггса дает массу фундаментальным частицам, из которых мы состоим. Если бы поля Хиггса не было, эти частицы не имели бы массу и атомы не смогли бы сформироваться.
Но есть кое-что очень загадочное в поле Хиггса.
Относительность и квантовая механика говорят нам о том, что у поля Хиггса есть два состояния, как у выключателя — либо он выключен повсеместно с нулевым значением в пространстве, либо включен, имея невероятно огромное значение.
В обоих этих случаях атомы не должны существовать, как и всё самое интересное в нашей Вселенной. Так говорит нам наука.
В реальности же, поле Хиггса находится в положении «почти выключено». Не на «нуле», но очень близкое к нему. В 10 000 триллионов раз слабее, чем его возможное максимальное значение. Совсем как выключатель, который застрял у положения «выкл.» И это значение имеет особую важность. Если бы оно было иным — во Вселенной не было бы никаких физических структур. И это первое из двух опасных чисел. Число, определяющее силу поля Хиггса.
Ученые потратили десятилетия, пытаясь понять, почему поле Хиггса имеет именно такую тонкую и точную настройку, и они пришли к нескольким теориям. Не будем вдаваться в детали этих теорий, но хотелось бы отметить ключевую особенность — если бы одна из этих теорий смогла объяснить, почему поле Хиггса имеет такое непонятное и тонко настроенное значение, то в БАК мы бы обнаружили, как минимум, еще парочку фундаментальных частиц, наряду с боззоном Хиггса.
Но, к сожалению, таких частиц пока что не обнаружено.
Тёмная энергия
Одно из значимых следствий Общей теории относительности Эйнштейна является то, что Вселенная появилась 13,8 миллиардов лет назад, благодаря Большому Взрыву и последующему расширению пространства и времени. Первые версии теории Большого Взрыва гласили о том, что расширение Вселенной со временем замедляется из-за гравитации.
Но в 1998 году астрономы сделали поразительное открытие — расширение Вселенной со временем только ускоряется, становясь всё сильнее и сильнее, подстёгиваемое загадочной силой, которую назвали темной энергией.
Ученые пока не знают, что из себя представляет темная энергия, но лучшее предположение звучит так: темная энергия — это энергия пустого пространства, энергия вакуума.
Опираясь на квантовую механику, мы можем рассчитать, насколько сильной должна быть тёмная материя. Но на практике, мы получаем невероятный результат — согласно расчётам, темная энергия должна быть 10 в степени 120 раз сильнее, чем то значение, которое мы наблюдаем.
Это число с 120 нулями.
Это настолько невероятно огромное число, что сложно себе его даже представить. Оно в тысячи триллионов триллионов триллионов раз больше, чем число всех атомов во Вселенной.
Если бы тёмная материя обладала реально такой силой, Вселенная не существовала бы и нас здесь не было бы.
Итак, это второе опасное число — сила тёмной энергии.
Но в отличии от поля Хиггса, значение этого числа не поддается никакому понятному объяснению.
Сочетание общей теории относительности, которая объясняет мир на уровне звезд и галактик, вкупе с квантовой механикой, объясняющая как взаимодействует мир на уровне частиц, должно было объяснить значение этих двух чисел.
Но нет.
Проблема теории струн
Сам Эйнштейн потратил последние годы своей жизни в тщетном поиске единой теории физики. Ученые до сих пор в поисках. Лучший претендент для «объяснения всего» является теория струн. Основная её идея состоит в том, что фундаментальные частицы вовсе не частицы, а крошечные вибрирующие струны энергии, где каждая частота вибрации отвечает определённой частице. Почти как музыкальные ноты на гитарной струне.
Это весьма элегантный, почти поэтический способ смотреть на мир. Но у него есть одна огромная проблема — теория струн это не одна теория, это целая коллекция теорий. По оценкам, существует 10 в 500 степени самых разных версий теории струн, каждая из которых описывает разную Вселенную с разными законами физики. Это делает теории струн ненаучной, по мнению её критиков — ведь теорию опровергнуть никак нельзя.
А вот сторонники теории струн воспринимают это как триумф. Что, если все эти 10 в 500 степени различных Вселенных на самом деле существуют где-то там? В одной большой мультивселенной?
Мир мультивселенной
Это может дать объяснение этим двум странно и точно настроенным опасным числам. В большинстве мест в мультивселенной темная энергия настолько сильна, что вселенная разрывается на части или поле Хиггса настолько слабое, что это не даёт атомам сформироваться.
Мы живем в одной из мультивселенных, где эти два числа «настроены» правильно. Мы живем во вселенной Златовласки.
Конечно же, эта мысль крайне противоречива и легко понять почему. Ведь если мы будем следовать этой логике, мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему что-то, а не ничего?» Почему в большей части мультивселенной нет ничего, а мы живем в одном из немногих мест, где законы физики позволяют чему-то быть.
А хуже всего, мы даже не можем проверить теорию о мультивселенной. У нас нет доступа к другим вселенным, поэтому нет возможности узнать — существуют ли другие вселенные.
Другими словами, мы находимся в чрезвычайно печальном положении. И проблема не в том, существует ли на самом деле мультивселенная или нет, а в том, что мы вряд ли когда-нибудь узнаем это наверняка.
Теория о мультивселенной существует уже давно, но в последние несколько лет мы начали получать определенные подсказки, что мультивселенная реальна. Создание Большого андронного коллайдера давало нам надежды на получение новой пищи для новых теорий в фундаментальной физике. Но на деле БАК показал нам бесплодную субатомную пустыню, населенную только одним одиноким бозоном Хиггса.
В итоге, признаков новой физики и близко не видно. Пару лет назад, БАК начал работать с удвоенной силой. И ученые со всего света с отчанием надеются, что в этот раз мы сможем найти признаки новых частиц или микро-черных дыр или хотя бы хоть что-то совершенно иного.
Если это случится - мы продолжим это долгое путешествие, начатое Альбертом Эйнштейном 100 лет назад, к еще более глубокому пониманию законов природы.
Но если через два-три года работы БАК мы не найдем ничего, кроме бозона Хиггса, возможно мы войдем в новую эпоху в физике. В эпоху, когда во Вселенной есть непостижимые для нас тайны, которых мы не можем постичь. В эпоху, когда у нас есть основания полагать, что мы живем в мультивселенной, но это лежит далеко за нашими границами досягаемости.
В эпоху, когда мы не сможем никогда ответить на вопрос: «Почему что-то, а не ничего?».
Original: https://www.ted.com/talks/harry_cliff_have_we_reached_the_end_of_physics
Читайте также:
Три причины колонизировать Марс
Будущее Земли
Самая загадочная звезда нашей Галактики
