Исключительно простая теория всего на свете

Теория Всего (англ. Theory of everything, TOE) — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий.

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 страницы, "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.

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.

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 располагаются 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 притягательная 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.

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.

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.

Ссылка на оригинальную статью (31 страница, все формулы, английский язык): http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.0770v1.pdf