Представьте идеальную настольную игру, где правила, фигуры и доска объединены в безупречную систему, не оставляющую места для улучшений. Физики десятилетиями ищут аналогичный «идеал» — теорию, которая объяснит все законы мироздания. После череды тупиков ученые обращаются к абстрактной геометрии, надеясь найти в ней ключ к разгадке Вселенной.
С древности человечество стремилось понять, из чего состоит мир. Греческий философ Фалес считал основой всего воду; сегодня физики погружаются в мир кварков и струн. Современная наука опирается на несколько столпов: общую теорию относительности Эйнштейна, квантовую теорию, стандартную модель частиц. Однако эти теории разрозненны, как отдельные игры с разными правилами. Объединить их в единую систему — главная задача физики XXI века.
Тупики и новые пути
Теория струн, долгое время считавшаяся главным кандидатом на роль «теории всего», столкнулась с неожиданной проблемой. Вместо единственного уравнения она предлагает 10^500 вариантов описания Вселенной — больше, чем атомов в видимой части космоса. «Это не теория всего, а теория всего подряд», — иронизирует Дэвид Берман, специалист по теории струн из Лондонского университета.
Физики осознали: чтобы объяснить реальность, нужно выйти за пределы традиционных подходов. Если пространство, время и материя взаимосвязаны, их корни стоит искать в более фундаментальной структуре — геометрии.
Амплитуэдр: кристалл, который вычисляет Вселенную
В 2013 году физики Нима Аркани-Хамед и Ярослав Трнка предложили концепцию амплитуэдра — многогранника, чья геометрия кодирует взаимодействия элементарных частиц. Представьте драгоценный камень: свет, попадая в него, преломляется, создавая игру цветов. Амплитуэдр работает аналогично: входящие математические данные о частицах преобразуются его гранями в предсказания столкновений.
Этот подход упрощает расчеты квантовой теории поля (КТП), которая описывает поведение частиц с помощью сложных уравнений. Обычно вычисления в КТП требуют суперкомпьютеров, но амплитуэдр делает их интуитивными, словно заменяя формулы геометрией. «Физические законы становятся следствием структуры многогранника», — объясняет Трнка.
Амплитуэдр пока охватывает лишь часть известной физики, но ученые видят в нем потенциал. Исторически новые математические инструменты — от исчисления Ньютона до групп Ли, предсказавших кварки, — меняли науку. Возможно, амплитуэдр станет основой для более глубокой теории.
Твисторы и спиноры: пространство-время из правой руки
Роджер Пенроуз, создатель теории твисторов в 1960-х, представлял события Вселенной как взаимодействия абстрактных геометрических объектов. Твисторы, в свою очередь, состоят из спиноров — математических сущностей, описывающих квантовые состояния частиц.
Питер Войт, математик из Колумбийского университета, развивает эту идею. Он строит пространство-время не из традиционных векторов, а из правых спиноров, оставляя левые для описания материи. «Пространство возникает как продукт двух спиноров, а частицы — как независимая структура», — говорит Войт.
Этот подход объединяет три ключевых элемента реальности: пространство, время и материю. Войт, ранее скептически относившийся к теориям всего, теперь полон энтузиазма: «Раньше я не видел убедительных идей. Теперь они есть».
CDT: Вселенная из треугольников
Ренате Лолл из Университета Радбуд в Нидерландах предлагает иной геометрический подход — причинно-динамическую триангуляцию (CDT). Ее модель строит пространство-время из элементарных «кирпичиков» — треугольников и тетраэдров, соединяемых в динамическую сеть.
CDT воспроизводит кривизну пространства-времени Эйнштейна и добавляет причинно-следственные связи, имитируя течение времени. При усложнении модели возникают эффекты, напоминающие квантовую гравитацию. «Мы приближаемся к наблюдаемым явлениям, например, следам в реликтовом излучении», — отмечает Лолл.
QHD: Алгебра пустоты
Математики Йеспер Гримструп и Йоханнес Ааструп идут еще дальше. Их теория квантовой голономи-диффеоморфизма (QHD) начинается с алгебры пустого пространства. Из абстрактных операций возникает конфигурационное пространство бесконечной размерности, где закодированы частицы и гравитация.
«Гравитация не встроена в теорию — она возникает естественно, как и фермионы», — говорит Гримструп. QHD предсказывает эффект, противодействующий гравитации на высоких энергиях, что может объяснить темную энергию. Пока это гипотеза, но подход демонстрирует, как фундаментальные законы рождаются из простейших математических структур.
Эксперименты или философия?
Главный вызов новых теорий — проверка. Как найти следы амплитуэдра или спиноров в эксперименте? Лолл надеется обнаружить аномалии в реликтовом излучении; Гримструп ищет следы QHD в космологических данных. Однако многие идеи остаются чисто математическими.
Скептики, вроде Ренате Лолл, сомневаются в существовании «единой формулы». «Теория всего — лишь предположение. Возможно, природа не укладывается в один框架», — говорит она. Но даже критики признают: новые геометрические подходы оживили поиски, дав физикам свежий инструментарий.
Post Scriptum
Охота за теорией всего напоминает сборку пазла, где каждый фрагмент — прорыв в понимании реальности. Теория струн, амплитуэдр, CDT и QHD — не конкуренты, а части мозаики. Даже если идеальной «игры» не существует, сам процесс поиска раскрывает глубинные связи между математикой и физикой.
Как заметил Питер Войт: «Раньше я не верил в успех. Теперь вижу — мы на пороге открытий, которые перепишут учебники». Возможно, ответ скрыт не в частицах или струнах, а в геометрии — языке, на котором Вселенная описывает саму себя.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже
