Еще сто лет назад Альберт Эйнштейн только-только опубликовал свою революционную и новую теорию гравитацию, атомные ядра были полнейшей загадкой, а квантовая «теория» представляла собой вереницу домыслов. Сверхпроводимость, природа химической связи и источник энергии звезд сбивали с толку самых лучших физиков.

Постепенно тайное становилось явным: появилась космология Большого Взрыва, черные дыры, кварки, глюоны, триумф симметрии и ее нарушения, радио, телевидение, мазеры, лазеры, транзисторы, ядерный магнитный резонанс, взрыв микроэлектроники и телекоммуникаций и, конечно, ядерные бомбы. Мы прошли долгий путь. Можно с уверенностью сказать, что 100 лет назад никто даже близко не мог предвидеть, какой будет современная физика.

Сегодня у нас есть гораздо более глубокое понимание физического мира, которое (по мнению многих) обеспечивает более стабильную платформу для футурологических спекуляций. Если забросить физика из прошлого на 50 лет вперед, в наше время, многое он поймет очень скоро, а если на 25 лет, то еще быстрее. Возможно, думать сегодня о том, что будет через 100 лет, не так уж и глупо.

В любом случае думать о физике в долгосрочной перспективе — совсем не значит строить точные прогнозы, как в бизнес-плане. Это не реальная цель. Это скорее полезное упражнение для тренировки воображения. Оно приводит нас к вопросам, которые могут дать ценные плоды. Каковы слабые места в нашем текущем понимании и практиках? Каковы пределы роста технологий и возможностей? В каких местах два этих вопроса могут пересекаться?
Эти изыскания ведут нас в двух основных направлениях. Одно из них, в котором мы стремимся совершенствовать наше понимание основ, — это направление вглубь.

Мы ищем скрытые связи между разными аспектами мира, которые кажутся разделенными: поверхностно разные силы — сила и вещество, материя и пространство-время, история и закон, информация и действия, разум и материя. Другое, в котором мы применяем наши знания, — это направление роста. Мы значительно расширим сенсориум человека. Мы разработаем саморемонтирующиеся, самособирающиеся и самовоспроизводящиеся машины, они продолжат развитие титанических компьютеров и инженерных проектов. Продвинутые числовые и квантовые симуляции, дополняющие понимание материи, произведут революции в химии, медицине и материаловедении — подтолкнув тем самым эпоху квантового интеллекта. Художники и ученые будут работать вместе, облекая красоту в новые богатые формы.

Часть первая: унификации

В прошлом многие из величайших достижений становились унификациями (объединениями) относительно разрозненных предметов. Декарт связал алгебру и геометрию. Галилей и Ньютон связали небесную механику и земную физику. Максвелл объединил электромагнетизм с оптикой. Эйнштейн и Герман Минковский объединили пространство и время.

Менее известным и более тонким, однако актуальным сегодня, является математическая унификация механики и оптики Уильяма Роуэна Гамильтона. В самом начале, в 1830-х годах, это было чисто эстетическим упражнением, не содержащим новой физики. Но через 50 лет идеи Гамильтона легли в основу статистической механики, а спустя 100 лет стали центральной частью квантовой теории.

В каждом из этих исторических объединений, а также в нескольких других, общее оказывалось больше суммы его частей. Унификация была плодотворной, успешной, необходимой. В этом свете Франк Вилчек, лауреат Нобелевской премии, описывает семь других видов унификации, которые, по его мнению, должны обогатить физику в течение следующего столетия.

Унификация I: силы

Представьте себе клочок бумаги, вырезанный таким вот образом. Взгляните ниже — он имеет 12 правильных пятиугольников, соединенных между собой. Очевидно, этот объект должен складываться в додекаэдр.

Предположим, некий злобный дух

разделил части несобранного додекаэдра, чтобы сделать следующий загадочный объект.

Теперь распознать, каким он должен быть, стало сложнее. Большинство людей, которые не особо задумывались о додекаэдрах в последнее время, даже не поймут, что с этим делать. Но если вы вспомните о правильных телах и додекаэдрах, вы можете провести логическую цепочку: «У нас есть пятиугольники, они соединены определенным образом, а значит могут сложиться в додекаэдр, но кто-то разделил его части». Блестящая дедукция. Держите ее в уме.

Наша Центральная Теория — которую многие называют Стандартной моделью — включает сильные, слабые и электромагнитные силы и описывает огромное разнообразие фактов — жестких количественных реалий о физическом мире — в компактном наборе уравнений. Было бы трудно преувеличить точность, силу или красоту этого набора. Но физикам этого мало. Именно потому, что мы приближаемся к последнему слову природы, мы должны судить то, что видим, по самой высшей мере.

С этой позиции Центральная Теория заставляет нас быть лучше. Она содержит три математически похожих, но независимых взаимодействия: сильное (которое удерживает ядра вместе), слабое (которое отвечает за радиоактивный распад) и электромагнитное. Гравитация — четвертая сила, которая отличается от остальных; к ней мы еще вернемся. В нашем точном описании природы мы хотели бы видеть только одно правило, один фундаментальный принцип. Три (или четыре) больше одного, поэтому успеха мы пока не добились.

После того как мы организуем основные кварки и лептоны в группы — разделенные по разным силам — мы получим шесть отдельных групп, что намного больше, чем нам хотелось бы. Это как если бы мы столкнулись с частичной реализацией додекаэдра, с чем-то разделенным. Мы хотели бы собрать его целиком.

Математика возможной симметрии объектов в космосе дает нам всего пять различных платоновых тел: тетраэдр, куб, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр. Это позволяет нам задуматься о том, что и додекаэдр является частью более общей системы. Можем ли мы сделать что-то подобное, чтобы найти скрытую симметрию в уравнениях фундаментальной физики?

Оказывается, можем. Есть не так много симметрий, которые отлично вписываются в Центральную Теорию, точно так же, как есть не так много платоновых тел. Мы можем попробовать все и посмотреть, как они вписываются в систему. После этого мы понимаем, что один кандидат отлично объединяет известные частицы и силы. Если мы расширим уравнения в его отношении, будет столько симметрии, что все известные силы могут быть преобразованы одна в другую, равно как и известные частицы. Получается, у нас есть всего одна сила и одно вещество. Чудесно!

Эти смелые идеи уже привели к успешным предсказаниям. Они свидетельствовали о существовании крошечных, но ненулевых масс нейтрино, после чего эти массы наблюдались экспериментально. Также они могут обеспечить количественное объяснение для относительных сил различных фундаментальных взаимодействий.

Это триединство успеха — объединение лоскутного узора частиц вещества, предсказание небольших, но ненулевых масс нейтрино и, условно, количественное объяснение относительных сил разных взаимодействий (сильного, слабого и электромагнитного) — очень впечатляет. Трудно поверить, что оно случайно.

Предложенная унификация сил, тем не менее, поднимает существенные проблемы. Наши теории унификации предсказывают события и частицы, которые еще не наблюдались.

И это хорошо. Это означает, что такие теории предполагают способы, которыми мы можем обогатить наше восприятие природы. Это также означает, что они имеют подлинное содержание — их можно «фальсифицировать». Мы можем искать эти неоткрытые частицы и события. Если они будут наблюдаемы, мы узнаем что-то новое о природе. (Если нет, мы узнаем что-то новое о самих себе, например, что мы очень ошибались). Для многих из нас это знакомая территория. Совсем недавно нейтрино, глюонные потоки, очарованные кварки и частицы Хиггса были невыполненными обещаниями самой Центральной Теории. Их открытие венчало триумф Теории.

Не хватает только распада протонов. Пока экспериментаторы не смогли это наблюдать, несмотря на героические усилия. Они будут стараться, очень. Теория объединения предполагает, что спустя 100 лет физики будут купаться в данных протонного распада и уточнять его самые тонкие моменты.

Далі буде

Источник