Американский молодой ученый Энтони Гэррет Лизи предложил Единую теорию, которая объясняет и описывает существование сразу всех известных природных сил. Свою теорию ученый опубликовал в статье из 31 страниц, вызвав фурор в научном мире, пишет The Telegraph.

Теория американца объясняет взаимосвязь четырех фундаментальных сил во вселенной - сильного взаимодействия, слабого взаимодействия, электромагнитной силы и силы притяжения. Она же объединяет две глобальные теории - квантовую механику и теорию общей относительности.

Решение, найденное Лизи, одни ученые называют "исключительно простым" и "красивым", а другие уверены, что теоретик ошибся. Если же он не ошибся, то ученому удалось выполнить научное завещание легендарного Эйнштейна, считают его коллеги. Самому автору теории относительности эта задача оказалась не по зубам.

Проверить правоту Лизи, увы, не суждено простым смертным, ведь она базируется на сложных математических доказательствах, которое, кстати говоря, предсказывает существование еще 20-ти элементарных частиц, еще не известных науке. А потому обществу приходится довериться мнению научных экспертов. Но в их рядах пока не видно единства.
В Элементах некороторое прояснение:

Пару недель назад в архиве е-принтов появилась 31-страничная статья Гарретта Лизи, озаглавленная "Исключительно простая теория всего на свете", Arxiv:0711.0770. Несмотря на несколько странный заголовок, в ней есть очень много смысла. Эта статья уже обсуждалась в нескольких англоязычных блогах; наиболее информативные дискуссии были в блогах BackReaction и PhysicsForums, где принимал участие автор.

Не претендуя на глубокое понимание сути работы, я всё же хочу описать по мере возможности простыми словами, про что весь этот шум.

ТЕКУЩАЯ СИТУАЦИЯ

Текущую ситуацию в физике элементарных частиц можно, вкратце, описать так. Сейчас известно два сорта частиц вещества: кварки и лептоны. И тех, и других имеется 6 видов, на жаргоне физиков -- "ароматов". Вдобавок к этому у кварков есть особенная "переменная", для красоты называемая "цвет", которая тоже может принимать три разных значения.

Все эти частицы вещества взаимодействуют друг с другом за счет четырех типов сил, и каждый тип сил можно представить как обмен частицами-квантами этого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействия получается из-за обмена фотонами, оно чувствует электрический заряд и магнитный момент частиц. Слабое взаимодействие осуществляется специальными тяжелыми частицами, называемыми W- и Z-бозонами, которые "чувствуют" так называемый слабый заряд частиц. Сильное взаимодействие осуществляется глюонами, которые взаимодействуют только с кварками и чувствуют их "цвет". Глюоны объединяют кварки в протоны и нейтроны.

Плюс ко всему этому есть гравитация, которая стоит особняком, потому что квантовую теорию гравитации еще не построили. Но надеются, что ее удастся построить.

Чуть более подробное введение в физику элементарных частиц можно найти в статьях Соросовского образовательного журнала:
Славатинский С.А. Фундаментальные частицы // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68,
Бухбиндер И.Л. Фундаментальные взаимодействия // СОЖ, 1997, No 5, с. 66–73,
Герштейн С.С. Что такое цветовой заряд, или какие силы связывают кварки // СОЖ, 2000, No 6, с. 78–84.

С одной стороны кажется, что частиц очень много, да и взаимодействия какие-то запутанные. Но с другой стороны, если внимательно присмотреться, можно заметить намеки на некоторый скрытый порядок, некую скрытую симметрию. Кварки и лептоны сами собой объединяются в три семейства -- поколения. В каком-то смысле, можно даже сказать, что есть только один кварк и один лептон -- только он представляется в разных ипостасях, обладает набором неких внутренних переменных. Или вообще можно сказать, что кварки и лептоны -- это один и те же частицы, только по-разному выглядящие. А все взаимодействия -- это тоже один-единственный тип сил, но только проявляющийся по-разному, как электрические и магнитные силы суть два проявления одной и той же электромагнитной силы.

К сожалению, это пока остается только предположениями, потому что нет пока теории, которая действительно на таком уровне описала все частицы и все силы. Но физики такую теорию ищут, надеясь, что она действительно существует. За ней даже закрепилось название "Теория Всего" (однако это вовсе не означает, что если ее откроют, то вопросов в физике больше не останется!)

КАК ОБЪЕДИНЯЮТ СИММЕТРИИ

Как пытаются строить эту пресловутую Теорию Всего? Обычно через объединение симметрий, которые лежат в основе уже известных четырех взаимодействий.

Как это работает? Представьте себе такую задачу. Пусть вам сказали, что какой-то предмет, если посмотреть на него с одной стороны, имеет зеркальную симметрию. Если посмотреть с другой -- то он имеет симметрию треугольника. Если же посмотреть с третьей -- имеет симметрию квадрата. Что это может быть за предмет?



Оказывается, им может быть куб (см. рисунок). Если смотреть с ребра, то получится зеркальная симметрия, если смотреть вдоль большой диагонали куба -- то получится симметрия треугольника, а если смотреть перпендикулярно какой-то грани -- то мы увидим квадрат. Куб обладает очень высокой пространственной симметрией, проекции которой на разные плоскости выглядят по-разному. Таким образом, он как бы объединяет все эти симметрии. (Чуть подробнее про теорию групп читайте в популярной статье Теория групп — наука о совершенстве).

Физики очень надеются, что нечто похожее происходит и с элементарными частицами. Такой подход уже помогал и раньше: сначала находили "всеобъемлющую симметрию", а затем выясняли, кто ее создает. Метод оказался настолько эффективным, что физики надеются, что он сработает и сейчас, для выяснения, что же лежит в основе всех частиц и взаимодействий. На самом деле, они уже давно пытаются "подыскать" такую группу симметрий, которая -- если смотреть на нее под разными углами зрения, -- выглядела бы как группа симметрий сильного взаимодействия, слабого взаимодействия или электромагнитных сил. Такие попытки, на основе разных групп симметрии делались неоднократно, но по разным причинам они не приживались.


ЧТО ОСОБЕННОГО В НОВОЙ РАБОТЕ

Модель устройства всех частиц и взаимодействий нашего мира, предложенная в статье An Exceptionally Simple Theory of Everything, тоже идет по этому же пути. В ней в качестве "всеобъемлющей" группы симметрий используется группа E8. Это одна из так называемых исключительных простых (а вовсе не "исключительно простых"!) групп -- отсюда и название статьи.

Что такого особенного в предложенной модели по сравнению с предыдущими попытками?

Во-первых, в ней нашлось место не только сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию, но еще и гравитации. Все это умудрилось уместиться внутри "всеобъемлющей" группы (а точнее, алгебры) E8. Причем эти четыре взаимодействия не просто как-то умещаются, а точь-в-точь вписываются внутрь структуры этой алгебры. Так же и все известные частицы удачно распологаются по своим местам и совершенно мистическим образом сами собой объединяются в тройки, поколения, и т.д. -- в зависимости от того, с какой стороны посмотреть на эту конструкцию. Сами собой возникают и три поколения частиц -- как следствие "тройственности" (triality), присущей этой группе.

Во-вторых, по сравнению со всеми предыдущими работами в этой модели есть необычная, но очень пригятательная черта. До сих пор теории объединения взаимодействий строились по такому сценарию: сначала "уравнивались в правах" все частицы материи (кварки, электроны и т.д.), а затем "в нагрузку" им "предписывалось" взаимодействовать за счет обмена квантами-переносчиками взаимодействий. В группе E8 всё реализуется еще проще. И частицы вещества, и кванты-переносчики взаимодействий -- все они изначально находятся вместе, в одной и той же группе частиц, описываются одинаковым языком. Это позволяет свести все четыре силы, действующие между всеми частицами, в одну-единственную короткую формулу, которая несет очень простой геометрический смысл -- все взаимодействия возникают из-за кривизны исходной группы. Это очень нетривиальный момент, и значительная часть онлайн дискуссий с автором работы сводится к вопросу, как он умудряется объединить фермионы и бозоны в одно представление. Подробности см. в комментариях в блоге BackReaction.



Наконец, есть еще один момент, который сильно разнит эту идею с множеством других. В ней нет свободных параметров. Нет никакой свободы подгонки теории под эксперимент. Вообще. По крайней мере, пока речь идет именно про групповые свойства частиц и взаимодействий. Или она подтвердится -- целиком, прямо как она есть, -- или она будет однозначно опровергнута.

Впрочем, тут же стоит сказать, что одной лишь симметрией все не ограничивается. Все самое сложное начнется, когда физики возьмутся за динамику этой теории (первые наметки этого есть в статье Лизи). Вся эта чрезвычайно симметричная конструкция "работает" только при сверхвысокой температуре. При понижении температуры симметрия между разными частицами и между разными взаимодействиями начнет теряться: у частиц появятся разные массы, а у взаимодействий -- разная интенсивность связи. И какая картина получится при очень низких температурах, которые отвечают нашему обычному миру, пока непонятно. Это требует дальнейшей работы. Но важно то, что тут нет такого произвола, как в теории суперструн.

У этой модели есть конкретные предсказания. Она предсказывает небольшое количество новых частиц и подробно описывает их взаимодействия. Правда, пока нет предсказания масс этих частиц, но это вопрос динамики. Зато эта теория обходится без дополнительных пространственных измерений и без суперсимметрии.

В общем, в любом случае это интересная и свежая работа, и в ближайшие годы стоит ожидать внимательного исследования предложенной идеи. Сможет ли что-то сказать коллайдер LHC -- пока непонятно.



В статье не указано но теперь существует 4 фундаментальных теории взаемодействия, а есть еще супер теория взаемодейсвий где все эти теории приведены к единому виду благодаря математике (в математике если в курсе есть такая фишка переход из одного базиса к другому например от декартового пространства к цилиндрическому или круговому). Так что фурор он наверно вызвал только у журналистов, которые этого не знают :)