Примечание: Вообще говоря, бозонами называются все частицы, с нулевым и целым значением собственного момента импульса (спина), выражаемого в единицах приведённой постоянной Планка (h/2π = 1,05*10-34 Дж·c). Такие частицы подчиняются квантовой статистике Бозе — Эйнштейна. В отличие от частиц с полуцелым спином (фермионов), которые подчиняются статистике Ферми — Дирака.
В 2000-е годы была завершена теоретическая конструкция, получившая название Стандартная модель. Её иногда даже называют «Теорией почти всего». В этой теории для моделирования взаимодействий используются элементарные частицы. На сегодняшний день Стандартная модель является доминирующей в науке, несмотря на то, что имеет ряд недостатков.
Стандартная модель не включает в себя гравитационное взаимодействие. Кроме того, приведенная там систематика элементарных частиц (кварки, лептоны, нейтрино и калибровочные бозоны) включает в себя W±- и Z0-бозоны, которые распадаются на другие частицы и значит не являются элементарными.
Также существуют различные теории являющиеся расширениями Стандартной модели через суперсимметрию.
В основе суперсимметрии лежит очень странная гипотеза, которая заключается в том, что законы природы на самом глубоком уровне не меняются при замене фермионов бозонами и наоборот. То есть, если природа и в самом деле суперсимметрична, то уравнения окончательной теории не изменятся даже при такой замене частиц.
Суперсимметрия предполагает удвоение числа известных элементарных частиц за счёт наличия суперпартнёров. Однако, несмотря на продолжительные поиски, эти гипотетические частицы так и не были найдены.
Можно считать, что несмотря на огромное количество публикаций, это ещё одна попытка создания непроверяемой теории.
Последовательная и непротиворечивая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия, пока не сформулирована. За всё время было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не была без противоречий, и ни одна не смогла пройти экспериментальную проверку.
Часто неудачи в создании Теории всего связывают с тем, что все взаимодействия различны по своей природе. Особенно отличается гравитационное взаимодействие, которое на 40 порядков слабее сильного и на 36 порядков слабее электромагнитного взаимодействия. Следует также учитывать то, что слабое и сильное взаимодействия применимы только для описания микромира и действуют на очень малых расстояниях. А тяготение применимо исключительно к макромиру и квантовые свойства его экспериментально не выявлены.
Таким образом возникает ещё одна «фундаментальная» задача для теоретиков - создание квантовой теории гравитации. Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого ещё не построена непротиворечивая квантовая теория.
Возможно, проблема заключается в том, что в качестве исходной теории гравитации используется ОТО, в которой причиной тяготения является искривление пространства-времени. При этом ни пространство, ни время не являются дискретными. Вот и не получается квантование пространства-времени, особенно искривлённого. А отказаться от парадигмы ОТО теоретики не решаются.
Одна из основных теорий квантовой гравитации — Теория струн. Разработка теории ведется более 40 лет, она имеет несколько ответвлений, соревнующихся между собой. Однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в эксперименте.
* * *
А может ли Теория всего вообще существовать? Нужно ли объединять различные по своей природе взаимодействия?
У природы нет принципиальных причин, которые заставляют физику работать по одному общему механизму. Возможно следует не объединять различные по своей сути природные явления, а наоборот, разъединять их.
Физика давно разделилась на две совершенно различные части. Одна описывает квантовые явления, а другая работает на макроуровне. И это не гипотеза - это экспериментально установленный факт.
Эти две физики во многом не соответствуют друг другу, при этом обе они самодостаточны: для работы с макро и микро объектами можно пользоваться соответствующей областью знаний.
Это хорошо видно на примере взаимодействия видимого света с материей. В обычной физике свет ведёт себя как электромагнитная волна со всеми волновыми свойствами. В квантовой физике свет проявляет свойства частицы или кванта энергии. В обоих случаях это хорошо подтверждается экспериментально. Двойственность природы света принято называть корпускулярно-волновым дуализмом. Можно также отметить, что и частицы в некоторых опытах проявляют волновые свойства.
Законы квантовой физики работают только на расстояниях порядка 10-18 метра и меньше. А действие законов физики макромира на этих расстояниях практически неизвестно.
Этим можно объяснить интересные эффекты популярных в последнее время нанотехнологий. Приставка нано означает 10-9, т. е. нанотехнологии проявляются точно посередине между двумя различными физиками. (1 м и 10-18 метра).
В этом диапазоне возможно совместное проявление законов обеих физик, что и приводит к новым неизвестным свойствам.
Объекты (частицы), которые оказываются меньше стандартного размера живут в своем мире и именуются квантовыми. Они подчиняются другим закономерностям, которые не проявляются в макромире, т. е. в обычной классической физике. А классическая физика теперь неприменима к квантовому миру и многие законы Максвелла и Ньютона для него не годятся.
Так электроны, которые вращаются вокруг ядра атома должны излучать энергию и в итоге упасть на ядро. Но этого не происходит. Впрочем, нельзя с уверенностью сказать, что они вообще вращаются. Мы принципиально никогда не сможем увидеть это, поскольку длина волны видимого света значительно больше чем размеры частиц.
Важно понимать, что квантовая физика и классическая физика макромира не противоречат друг другу, а просто описывают различные типы природных явлений. В одних ситуациях можно пренебречь квантовыми эффектами, в других – гравитационными и электромагнитными.
Вольфганг Паули, лауреат Нобелевской премии 1945 года, после нескольких лет бесплодных попыток создания единой теории поля, высказал такое мнение по этому поводу: «Человеку не дано объединить то, что разделил господь!»
Если слово «господь» заменить словом «природа», то как раз получится ответ тем, кто ещё верит в возможность создания Теории всего.
О теоретической физике и теориях
Дело не в дороге, которую мы выбираем,
а в том, что заставляет нас выбирать дорогу.
В конце ХIХ века началась революция в физике: были сформулированы уравнения Максвелла и гипотеза существования электромагнитных волн, открыты рентгеновские лучи (1885), электрон (1987), явление радиоактивности (1896) и многое другое.
Поэтому в 1900 году знаменитый английский физик лорд Кельвин заявил: «В физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого».
Время показало, что он сильно ошибался. ХХ век ознаменовался не только множеством фундаментальных открытий в физике, но и появлением новых разделов этой науки. Это