Теория Всего: что это такое, куда мы пришли и где вообще это «всё»

Сегодня поговорим про одно из величайших творений человеческой мысли — попытку понять, как выстроена на микро- и макроуровне вся Вселенная, и найти единый свод законов, которые ей управляют. Гипотетическая объединенная физико-математическая теория, описывающая все четыре фундаментальных взаимодействия, что она такое — Святой Грааль, до которого наука вот-вот доберется и решит все проблемы? Или, может быть, все-таки миф, корни которого следует искать в человеческой психологии и который на самом деле не сбудется никогда? Давайте разбираться. 

Универсальный закон как мечта

Если бы этот текст писал «ИИ», он бы обязательно начал его как-то так: с древнейших времен глобальной мечтой человека как вида, наделенного воображением, было универсальное описание мира, попытка охватить его в рамках единого мировоззрения, отыскать закон, который бы объяснял все то, что древний человек наблюдал в природных явлениях…

Но ведь действительно, хотя идея «Теории Всего» звучит как очень современная претензия, наследующая в значительной степени утопическим порывам фантастики XX века, на деле это довольно старая философская и научная амбиция. Примерно такая же старая, как и сама наука в современном понимании. Если не касаться полулегендарных фигур античности вроде Архимеда, то можно, например, указать, что уже Исаак Ньютон в XVII веке в своей работе «Математические начала натуральной философии» объединяет труды Галилея о земном тяготении, законы движения планет Кеплера и явление приливов, объясняя эти кажущиеся дальнодействующие процессы одним-единственным законом: законом всемирного тяготения.

Планеты и яблоки подчиняются одним и тем же уравнениям! Наверное, из этого можно вывести и все остальные взаимосвязи? Такой вывод сделал из ньютоновского закона всемирного тяготения математик Пьер-Симон Лаплас, который предположил возможность через познание законов природы вывести детерминированное предсказание будущего состояния Вселенной (Демон Лапласа). 

«Мы должны рассматривать настоящее состояние вселенной как результат предшествующего и причину последующего состояния. Если бы какой-нибудь разум знал в определенный момент все силы, действующие в природе, и взаимное положение предметов ее составляющих и если бы этот разум был достаточно силен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, то он охватил бы в одной и той же формуле и движения самых больших тел вселенной, и движения самого легкого атома: ничто не оставалось бы ему неизвестным, и будущее, как и прошедшее, раскрывалось бы перед его глазами».

— Лаплас, «Essai philosophique sur les probabilités», Введение, 1814.

Сегодня, конечно, это уже читается с горькой усмешкой: современная квантовая механика подразумевает неизбежность неопределенности, и поэтому концепция Лапласа должна быть пересмотрена с учетом революционных открытий XX века в этой области.

Но мы забегаем вперед. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед открыл связь между электричеством и магнетизмом, что положило начало десятилетиям исследований. В частности, Майкла Фарадея, открывателя электромагнитной индукции, который в своих экспериментах 1849–1850 годов первым (безуспешно) искал объединение гравитации с электричеством и магнетизмом. Кульминацией этих поисков в 1865 году стала теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, осуществившая второе великое объединение в физике. 

В течение XIX и начале XX веков постепенно становилось очевидным, что многие распространенные примеры сил — контактные силы, упругость, вязкость, трение и давление — возникают в результате электрических взаимодействий между мельчайшими частицами вещества.

Одновременно с этим в XX веке точно так же стало ясно, что надежды на простое объединение путем аккумуляции и сложения новых научных данных были преждевременны. Атомы, электроны, излучение — удивительные открытия сыпались одно за другим, и все это не подчинялось ньютоновской картине. Сначала появилась квантовая механика, затем теория относительности Эйнштейна, и уже они резко пошли в разные стороны и не складывались, как несовместимые детали конструктора. Первая работает с микромиром и вероятностями, вторая описывает космос и гравитацию в терминах пространства-времени. 

С тех пор (уже довольно давно, порядка ста лет — или 40 лет с момента появления теории «петлевой квантовой теории гравитации») идея «Теории Всего» выглядит скорее как обещание, которое наука дает сама себе: вот-вот еще чуть-чуть, и мы соберем все куски головоломки воедино. Надо просто немного подождать и не мешать лучшим умам планеты неспешно думать (что же это напоминает?).

Занимательный факт: в 1900 году лорд Кельвин заявил, что на ясном небе физики осталось всего «две тучки» нерешенных вопросов — и через 20 лет эти «тучки» взорвались в виде квантовой механики и теории относительности, разрушив весь фундамент старой картины. Так что каждый раз, когда кто-то говорит «мы почти все поняли», стоит напрячься — пока что историческая практика показывает, что всякое подобное утверждение оказывается крайне самонадеянным и неполным.

Самый умный человек в мире

Если кто и был способен разработать «Теорию Всего», то это, конечно, Альберт Эйнштейн, самый выдающийся ум в теоретической физике за всю ее историю. И действительно, Эйнштейн не только создал специальную и общую теории относительности, но и стал, кажется, первым физиком, кто систематически посвятил десятилетия поиску единого закона природы.

После триумфа 1915 года с общей теорией относительности Эйнштейн чувствовал, что остановиться нельзя. Если удалось показать, что гравитация — это не «сила», а геометрия пространства-времени, то почему бы не подчинить той же логике и остальные силы? Уже в 1920-х, пока все остальные пытались разобраться в квантовой механике, он начинает говорить о «единой теории поля» (Unified Field Theory, собственно, Эйнштейн этот термин и придумал).

Поиски величайшего разума не увенчались успехом. Последние 30 лет жизни Эйнштейн более-менее постоянно и упорно работал над математическими конструкциями, пытаясь объединить гравитацию и электромагнетизм в единую картину. Результат был нулевой: он не смог объяснить ни ядерные силы, ни квантовые явления. Эйнштейн умер в 1955 году, так и не написав свое Уравнение Всего. 

Если бы Эйнштейн изобрел машину времени, попал в 2025-й, зашел в университетскую библиотеку и посмотрел на все вариации теорий струн, петлевую квантовую гравитацию и другие современные кандидаты в «ТОЕ» — что бы он сказал? 

Может быть, великий физик узнал бы в них отголосок своих собственных изысканий и покачал головой: слишком много красивой математики, слишком мало эмпирики. В любом случае, второго Эйнштейна нам век не подарил, и остается только надеяться, что появится новый научный гений, который-таки сможет совершить прорыв в понимании Теории Всего.

Стандартная модель и три четверти

Единственный успешный кандидат на Теорию Всего (ну, насколько это возможно) по состоянию на 2025-й год — это, как ни странно, не модные теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, а созданная еще 60 лет назад Стандартная модель физики элементарных частиц. Она успешно и с экспериментальными подтверждениями описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное и слабое.

С середины XX века ученые шаг за шагом собирали эту модель как паззл: открыли кварки, затем электрослабое объединение, предсказали бозон Хиггса — и в 2013 году его действительно нашли на Большом адронном коллайдере. 

Есть, правда, очевидный нюанс: четвертое взаимодействие. Стандартная модель полностью игнорирует гравитацию и не может описать в общих рамках кривизну пространства-времени, из которой рождаются черные дыры.

Темная материя и темная энергия, которые могут составлять до 95% невидимой Вселенной, в Стандартную модель также не входят — что, очевидно, не позволяет считать ее полноценной Теорией Всего. Но близко, уже весьма близко.

Занимательный факт: Стандартная модель, построенная на элегантной математике, работает так хорошо, что физики иногда шутят — «она слишком правильная, чтобы быть правдой». Ни одна лаборатория за полвека не нашла значимых отклонений от ее предсказаний. 

Два сильнейших бойца на ринге

Когда стало ясно, что Стандартная модель — это мощный, но принципиально неполный ответ на вопрос о Теории Всего, физики начали искать следующий шаг. Из этого поиска во второй половине XX века выросли несколько конкурирующих направлений, ни одно из которых невозможно подтвердить экспериментально (но теоретически они выглядят очень впечатляюще, спору нет).

Два главных бойца в разных углах физического ринга — теория струн и теория петлевой квантовой гравитации. Шутки про их принципиальную несовместимость и почти религиозную нетерпимость друг к другу последователей каждой из теорий шутили еще много лет назад в «Теории Большого взрыва»:

Теория струн для чайников состоит в следующем: частицы — это не «точки», а крошечные «струны», вибрация которых задаёт их свойства (массу, заряд, спин). Красиво? Очень. Струны обещают объединить все силы, включая гравитацию, в одну элегантную формулу.

Правда, для этого потребуется разложить Вселенную на 10 или 11 измерений (в зависимости от варианта теории), что эмпирически проверить на текущий момент невозможно (если возможно в принципе), и существует 10⁵⁰⁰ возможных вариантов решения уравнений (т. н. «ландшафт струн»). По мнению критиков теории, это вообще делает ее принципиально нефальсифицируемой и, следовательно, ненаучной (по критерию Поппера).

Петлевая квантовая гравитация предлагает еще более интересную картину. Если «струнники» идут от микрочастиц к гравитации, то здесь — наоборот: ученые берут саму ткань пространства-времени и пытаются «оквантивать» ее. В этой картине пространство похоже на сеть из дискретных ячеек, а время — на процесс их переплетения (сорри, объяснить это как-то понятнее мне не хватает матчасти).

Проверить это эмпирически также невозможно.

Есть еще теории с мультивселенными (у каждой из которых разные наборы физических констант), но это уже чистая научная фантастика в духе Сферы Дайсона, которая не стоит серьезного разговора.

Получается, физика XXI века оказалась буквально в положении средневековой схоластики — когда формулы становятся все изощреннее, а связать их с реальностью все труднее.

Так а в чем проблема?

Проблема в том, что «Теория Всего» — это не какое-то элегантное уравнение на футболке физика, это чудовищный по масштабам проект, края которого никак не сходятся. После колоссального прорыва в начале XX века и экспериментальных подтверждений в его второй половине, по сути, физика буксует уже несколько десятилетий (да, несмотря на обнаружение Бозона Хиггса).

Общая теория относительности и квантовая механика принципиально не дружат. Первая описывает пространство-время как плавную геометрию, гравитацию — как его искривление. Вторая видит мир дискретным и хаотичным, со вспышками вероятности. Как это совместить? Непонятно.

Ощутимо растет и стоимость эксперимента: для открытия квантовой механики понадобились только гениальные умы и стопка бумаги; для обнаружения Бозона Хиггса пришлось строить уже 27-километровый коллайдер за 5 миллиардов евро. А чтобы экспериментально проверить, например, теорию струн, даже страшно представить, какой стоимости и размера должно быть оборудование (при этом нет никаких гарантий, что ТС вообще подтвердится, а не окажется прекрасной мечтой энтузиастов).

Классическая физика шла к элегантности: законы Ньютона просты и универсальны, квантовая теория в своем роде тоже. Но чем должна оказаться в итоге объединяющая  их и все остальное «Теория Всего»? Научной гипотезой, проверяемой экспериментом? Но проверка при текущих ставках невозможна. Красивой математической структурой, в которую верят на основании гармонии? Но это уже ближе к поэзии. Философской метафорой, помогающей думать о мире шире? Тогда зачем вообще называть это физикой?

Плюс, конечно, сложно избавиться от подозрения, что, как и в случае со многими другими вещами, слишком большое значение сегодня имеют деньги. Карьеры физиков, бюджеты лабораторий, престиж университетов — все это завязано на гонке за «следующей великой теорией». Иногда кажется, что Теория Всего нужна не столько Вселенной, сколько самим физикам, чтобы писать гранты, публиковать статьи, получать финансирование на строительство новых коллайдеров.

И, в конце концов, почему мы вообще решили, что единая формула (или свод из тысячи формул, неважно) возможна, а не является мифом, который физики рассказывают сами себе, чтобы не сойти с ума от множества несогласованных кусочков реальности? Может быть, это просто наследие монотеистического прошлого последних двух тысяч лет, рудимент, оставшийся в секулярном мышлении? Или (если чуть погрузиться в дебри более маргинальных теорий) Вселенная — это компьютер, вычисляющий рекурсивную формулу, то есть, Теория Всего — это и есть мы сами? 

В общем, как и проекты типа SETI, Теория Всего как феномен — это уже давно не только про науку, но и про социологию науки, и про наше собственное мышление. 

Триумф Стандартного Тупика

Возникает интересная ситуация. Если «Теория Всего» — это мифический Святой Грааль, то Стандартная модель физики частиц — это добротная походная фляжка. Она не красива, не идеальна, но работает. И работает так хорошо, что ее не удается сломать вот уже полвека самыми изощренными методами: предсказывает частицы, которые потом реально находили (нейтрино, бозон Хиггса); обеспечивает физическую основу технологий — от МРТ до микрочипов; работает с точностью, которая поражает — расхождения с экспериментом зачастую не превышают 1 на миллион.

Каждый новый коллайдер ученые запускают с надеждой: ну вот сейчас-то найдём сбой, щель, через которую пробьется новая физика, еще один шажок к Теории Всего. По факту все пока что увенчивается тем, что в 2013 году открыли бозон Хиггса — и вместо революции получили галочку напротив давно предсказанного пункта.

На фоне красивых, но непроверяемых гипотез про струны и мультивселенные, Стандартная модель выглядит как скучная, но надежная бухгалтерия мироздания. По сравнению с ней кандидаты на Теорию Всего — это как олимпийские атлеты, которые никогда не добегают до финиша. Они прекрасны на старте, но вот уже полвека спотыкаются о реальность. 

Ирония в том, что, возможно, Стандартная модель и есть настоящий предел науки: не гармоничное уравнение Бога, а кусочный пазл, сшитый из того, что мы реально можем проверить.

Ну и следует помнить, что физика, как и любая наука, зависит от поколений и моды. В 1980–1990-х струны были «мейнстримом». Сейчас в моде «квантовая информация» и голографические принципы (звучащие как фантазии хиппи-ученых из 60-х). Но это больше похоже на моду в академии, чем на поступательное движение к истине.

Так будет у нас Теория Всего?

Нет, скорее всего не будет. Давайте возьмем самый оптимистичный вариант: даже если бы завтра где-нибудь в Китае появился новый Эйнштейн, который бы создал гениальную теорию, способную объединить все, проверять ее пришлось бы десятилетиями.

С другой стороны, даже если «Теория Всего» никогда не будет найдена (как никогда не будут найдены инопланетяне, не будут созданы ИИ и квантовый компьютер), сам поиск имеет ценность. Хотя бы потому, что он формирует важнейший для науки и прогресса стиль мышления: соединять разные области знания, искать подобие и единство в многообразии. Мы всегда изучаем не только Вселенную, но и пределы собственного мышления и культуры.

И в этом плане Теория Всего — идеальный макгаффин для науки и культуры. Как в кино: предмет, за которым все гоняются, но главное — не то, найдут ли его, а то, что произойдет в процессе.

Напоследок несколько цитат от явно более авторитетных в физике людей, чем автор этих строк:

• Ричард Фейнман (создатель ядерной бомбы, Нобелевский лауреат и знатный тролль) — математик Питер Войт в своей книге «Даже не ошибочна: провал теории струн и поиск единства в физических законах» цитирует частные беседы Фейнмана незадолго до смерти, в которых тот называл новую на тот момент теорию струн bullshit и отказывал ей в перспективах. Несколько более вежливая прямая речь самого Фейнмана цитируется в 9 главе книги «Элегантная Вселенная» одного из главных струнников Брайана Грина. 

• Стивен Вайнберг (один из отцов Стандартной модели, Нобелевский лауреат) считал, что «даже если мы найдем окончательную формулу, вряд ли это даст ответы на вопросы, которые нас действительно волнуют» (см. также его книгу Dreams of a Final Theory).

• Ли Смолин (знаменитый физик, работавший одновременно и над теорией струн, и над теорией петлевой квантовой гравитации) прямо писал в книге The Trouble with Physics, что гонка за Теорией Всего превратилась в тупик, высасывающий ресурсы и уводящий от настоящих проблем физики: «[теория струн] не делает проверяемых предсказаний…и вообще не имеет ничего общего с природой, потому что каждая из [теорий такого рода]… не согласуется с экспериментальными данными».

• Роджер Пенроуз (Нобелевский лауреат, исследователь всего, от природы сознания до черных дыр) писал в своей книге The Road to Reality и повторял в интервью, что «мы пока несравнимо далеки от точной, чисто физической теории всего».

• Шелдон Ли Глэшоу (Нобелевский лауреат, исследователь элементарных частиц) считал, что теория струн — это «просто новая версия средневековой теологии», и отказывал «струнникам» в праве называться добросовестными физиками-теоретиками.

Но это всего лишь мнения гениальных людей, которые посвятили теоретической (и практической) физике всю свою жизнь, не стоит придавать им слишком большого значения. 

Надо просто еще немного подождать, и Теория Всего появится обязательно! :)