Що б ви не говорили, не помиляйтеся: фізика не померла. У жодному значенні цього слова.
Хоч би як далеко ми просунулися у своїх спробах зрозуміти світ, що нас оточує, і Всесвіт, - а просунулися ми вражаюче далеко, - абсолютно нечесно прикидатися, що ми розгадали й зрозуміли світ, що нас оточує, у якомусь задовільному сенсі.
У нас є дві теорії, які неймовірно добре працюють: за всі роки, що ми їх перевіряли, не знайшлося жодного спостереження і жодного експериментального виміру, які суперечили б загальній теорії відносності Ейнштейна або передбаченням Стандартної моделі на основі квантової теорії поля.
Якщо ви хочете дізнатися, як працює гравітація або який її вплив на будь-який об'єкт у Всесвіті, загальна теорія відносності ще не підводила нас. Від настільних експериментів з атомним годинником до небесної механіки і гравітаційного лінзування великої космічної павутини, її успіх становить 100%.
Аналогічно, для будь-якого мислимого експерименту з фізики частинок або взаємодії, опосередкованої сильними, слабкими або електромагнітними силами, передбачення Стандартної моделі завжди узгоджуються з результатами.
У своєму полі загальна теорія відносності і Стандартна модель можуть претендувати на звання найуспішнішої теорії фізики всіх часів.
Але в основі обох теорій лежить величезна фундаментальна проблема: вони просто не працюють разом. Якщо ви хочете, щоб ваш Всесвіт був несуперечливим, то така ситуація просто неможлива. Ось базове протиріччя, що лежить в основі фізики 21 століття.
З одного боку, загальна теорія відносності, наша теорія гравітації, була радикальною концепцією, коли тільки-но з'явилася: настільки радикальною, що багато хто нападав на неї як із філософських, так і з фізичних позицій. Так тривало протягом багатьох десятиліть.
- Може, простір і час не є абсолютними величинами? як вони можуть бути різними для кожного спостерігача і залежати від конкретних властивостей того, хто їх спостерігає?
- Як може гравітація не бути миттєвою між будь-якими двома об'єктами, що притягуються? як може ця взаємодія поширюватися тільки з кінцевою швидкістю, що дорівнює швидкості світла?
- Як гравітація може впливати не тільки на масу, а й на всі форми енергії, включно з безмасовими об'єктами, такими, як світло?
- І навпаки, як могли всі форми енергії, а не тільки маса, впливати на те, як всі інші об'єкти у Всесвіті відчувають вплив гравітації?
- І як у Всесвіті може існувати геометрія, яка визначає рух об'єктів?
Як би хто не ставився до нової картини, яку принесло з собою найбільше досягнення Ейнштейна - загальна теорія відносності - поведінка фізичних об'єктів не обманює нас.
Ґрунтуючись на цілій низці експериментів і спостережень, ЗТВ виявилася напрочуд успішним описом Всесвіту, досягаючи успіху в усіх експериментах, які ми змогли перевірити. Водночас жодна інша альтернатива повноцінно не працює.
ЗТВ говорить нам, що матерія та енергія у Всесвіті - зокрема, густина енергії, тиск, густина імпульсу та напруга зсуву, які є присутніми в усьому просторі-часі, - визначають кількість і тип викривленості простору-часу, яка є присутнім в усіх чотирьох вимірах: трьох просторових і часі.
Унаслідок викривлення простору-часу всі його сутності, включно (але не обмежуючись) з масивними і безмасовими частинками, рухаються не обов'язково прямими лініями, а, скоріше, геодезичними лініями: найкоротшими шляхами між будь-якими двома точками, які визначаються викривленим простором між ними, а не уявним плоским простором.
Там, де просторова кривизна велика, відхилення від прямолінійних шляхів великі, і швидкість, з якою проходить час, також може значно збільшитися.
Експерименти і спостереження в лабораторіях, у нашій Сонячній системі, а також у галактичних і космічних масштабах - усе це підтверджує передбачення загальної теорії відносності, що дає їй додаткову підтримку.
Тільки така картина Всесвіту, принаймні поки що, підходить для опису гравітації. Простір і час розглядаються як безперервні, а не дискретні сутності, і така геометрична конструкція має слугувати "фоновим" простором, де форсуються всі взаємодії, включно з гравітацією.
З іншого боку, існує Стандартна модель фізики частинок. Спочатку сформульована в припущенні, що нейтрино є безмасовими сутностями, Стандартна модель заснована на квантовій теорії поля, де існують:
- ферміонні кванти (частинки), які мають заряди,
- бозонні кванти (також частинки), які опосередковують сили між частинками з відповідним зарядом,
- і (квантовий) вакуум простору-часу, через який усі кванти переміщуються і взаємодіють.
Електромагнітна сила ґрунтується на електричних зарядах, тому всі шість кварків і три заряджені лептони (електрон, мюон і тау) зазнають дії електромагнітної сили, тоді як безмасовий фотон є всього лише посередником.
Сильна ядерна сила ґрунтується на колірних зарядах, а ними володіють тільки шість кварків. Існує вісім безмасових глюонів, які виступають посередниками сильних сил, і жодні інші частинки в них участі не беруть.
Слабка ядерна сила, між тим, ґрунтується на слабкому гіперзаряді і слабкому ізоспіні, і всі ферміони володіють хоча б одним із них. Слабка взаємодія опосередковується W- і Z-бозонами, причому W-бозони також мають електричний заряд, що означає, що вони також відчувають електромагнітні сили (і можуть обмінюватися фотонами).
У квантовій фізиці існує правило, згідно з яким усі однакові квантові стани не відрізняються один від одного, і це дає їм змогу змішуватися один з одним.
Змішання кварків очікуване і підтверджене, причому слабка взаємодія визначає різні параметри змішання.
Коли ми дізналися, що нейтрино масивні, а не безмасові, як передбачалося спочатку, ми зрозуміли, що для нейтрино повинно відбуватися таке саме змішування, яке також визначається слабкою взаємодією. Цей набір взаємодій - електромагнітні, слабкі та сильні ядерні сили, що діють на частинки і мають відповідні та необхідні заряди, - описує все, що можна побажати для передбачення поведінки частинок у будь-яких мислимих умовах.
А умови, в яких ми їх випробовували, надзвичайні. Від експериментів із космічними променями до радіоактивного розпаду, від експериментів із сонячною енергією до фізики високих енергій із використанням колайдерів частинок.
Передбачення Стандартної моделі узгоджуються з усіма експериментами, які коли-небудь проводилися. Відкриття бозона Хіггса підтвердило гіпотезу, що електромагнітна і слабка сили колись були об'єднані в електрослабку силу, що стало остаточною перевіркою Стандартної моделі.
За всю історію фізики не було жодного результату, який Стандартна модель не змогла б пояснити.
Але є одна заковика. Усі розрахунки Стандартної моделі, які ми проводимо, ґрунтуються на частинках, що існують у "плоскому" Всесвіті, тобто вони існують у "плоскому" просторі-часі.
Розрахунки, які ми проводимо, ґрунтуються на припущенні, що простір-час саме плоский: припущення, яке, як ми знаємо, технічно хибне, але воно настільки корисне (тому що розрахунки у викривленому просторі набагато складніші) і настільки добре наближає умови, які ми знаходимо на Землі, що все одно робимо це наближення.
Зрештою, у нас є метод, який використовується у фізиці: ми моделюємо систему якомога простіше, щоб вловити всі значущі ефекти, які визначають результат експерименту або вимірювання.
Сказавши: "Я проводжу свої розрахунки на основі фізики високих енергій у плоскому просторі-часі", а не у викривленому просторі-часі, ви не отримаєте відчутно іншої відповіді, за винятком найекстремальніших умов.
Але у Всесвіті існують екстремальні умови: наприклад, у просторі навколо чорної діри. Там використання плоского просторового фону просто не годиться, і ми змушені брати на себе непосильне завдання розрахунків квантової теорії поля у викривленому просторі.
Вас може здивувати, що в принципі це не так вже й складно. Усе, що вам потрібно зробити, - замінити плоский просторово-часовий простір на викривлене тло, що описується загальною теорією відносності.
Зрештою, якщо ви знаєте, як викривлений ваш простір-час, ви можете записати рівняння для фону, і якщо ви знаєте, які кванти/частинки у вас є, ви можете записати решту членів, що описують взаємодію між ними, - у заданому просторі-часі.
Решта, хоча й досить складно на практиці за більшості обставин, є просто питанням обчислювальної потужності.
Наприклад, можна описати, як поводиться квантовий вакуум усередині і зовні горизонту подій чорної діри.
Оскільки ви перебуваєте в області, де просторовий час викривляється тим сильніше, чим ближче ви до сингулярності чорної діри, квантовий вакуум відрізняється обчислюваним чином.
Різниця в стані вакууму в різних областях простору - особливо за наявності горизонту, космологічного або подієвого, - призводить до виникнення випромінювання і пар частинка-античастинка скрізь, де є квантові поля.
Це і є фундаментальна причина випромінювання Гокінга: причина того, що чорні діри у квантовому Всесвіті принципово нестабільні та зрештою розпадаються.
Однак це все, що ми можемо зробити. Так, змусити Стандартну модель і загальну відносність "грати в ладушки", але ми розрахуємо, як працюють фундаментальні сили в сильно викривлених просторах, що розташовані досить далеко від сингулярностей, наприклад, у центрах чорних дір або - теоретично - на самому початку Всесвіту, якщо припустити, що початок був.
Дивовижна причина полягає в тому, що гравітація впливає на всі види матерії та енергії. Усе піддається впливу гравітації, включно з, теоретично, будь-якими типами частинок, які в кінцевому підсумку відповідальні за гравітацію.
З огляду на те, що світло, яке є електромагнітною хвилею, складається з окремих квантів у формі фотонів, ми тільки припускаємо, що гравітаційні хвилі складаються з квантів у формі гравітонів, відсутніх у повній квантовій теорії гравітації.
Але це саме те, що нам потрібно. Це і є відсутня частина: квантова теорія гравітації. Без неї ми не зможемо зрозуміти або передбачити жодну з квантових властивостей гравітації. І перш ніж ви скажете: "А що, якщо їх не існує?", знайте, що це не дасть послідовної картини реальності.
Наприклад, розглянемо найбільш "квантовий за своєю суттю" з усіх квантових експериментів, які коли-небудь проводили: експеримент із подвійною щілиною.
Якщо ви посилаєте одну квантову частинку через апарат і спостерігаєте, через яку щілину вона проходить, то результат повністю визначений, тому що частинка поводиться так, ніби вона повинна була пройти через передбачувану щілину.
Якби ця частинка була електроном, ви могли б визначити, якими були її електричне і магнітне поля протягом усього шляху. Ви також могли б визначити, яким було її гравітаційне поле (або його еквівалент у просторі-часі) в кожен момент часу.
Але що, якщо ви не будете спостерігати, через яку щілину він проходить?
Положення електрона невизначене, поки він не потрапить на екран, і тільки тоді ви зможете визначити, "де" він перебуває.
Протягом усього шляху, навіть після того, як ви зробите критичний вимір, його минула траєкторія не визначена.
Завдяки силі квантової теорії поля (для електромагнетизму), ми можемо визначити, яким було його електричне поле.
Але оскільки у нас немає квантової теорії гравітації, ми не можемо визначити його гравітаційне поле або ефекти.
У цьому сенсі - а також у малих, багатих на квантові флуктуації масштабах або в сингулярностях, де класична загальна відносність дає тільки безглузді відповіді, - ми не розуміємо гравітацію.
Працює в обидва боки: оскільки ми не розуміємо гравітацію на квантовому рівні, це означає, що ми не цілком розуміємо квантовий вакуум.
Властивості порожнього простору - це те, що можна виміряти різними способами. Ефект Казимира, наприклад, дає змогу визначити ефект електромагнітної взаємодії через порожній простір за різних умов, - достатньо змінити конфігурацію провідників.
Розширення Всесвіту, якщо ми вимірюємо його протягом усієї нашої космічної історії, показує сукупний внесок усіх сил в енергію нульової точки простору. Тобто квантовий вакуум.
Але чи можемо ми якось кількісно оцінити квантовий внесок гравітації у квантовий вакуум?
Ні в якому разі. Ми не розуміємо, як розрахувати поведінку гравітації за високих енергій, на малих масштабах, поблизу сингулярностей, або коли квантові частинки виявляють притаманну їм квантову природу.
Точно так само ми не розуміємо, як квантове поле, що лежить в основі гравітації - якщо припустити, що воно існує - поводиться взагалі за будь-яких обставин.
Ось чому спроби зрозуміти гравітацію на більш фундаментальному рівні не повинні бути залишені, навіть якщо все, що ми зараз робимо, виявиться невірним.
Нам вдалося визначити ключову проблему, яку необхідно вирішити, щоб вивести фізику за межі нинішніх обмежень: величезне досягнення, яке ніколи не слід недооцінювати.
Єдиний варіант - продовжувати спроби або здатися. Навіть якщо всі наші спроби виявляться в кінцевому підсумку марними, - ми боїмося альтернативи.
