Теория всего

Тео́рия всего́ (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. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе. В научной литературе вместо термина «теория всего» используется термин «единая теория поля», тем не менее следует иметь в виду, что теория всего может быть построена и без использования полей, несмотря на то, что научный статус таких теорий может быть спорным.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов. Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика, специальная теория относительности (СТО) и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения. Квантовая механика в основном используется для описания микромира, а специальная и общая теории относительности применимы к макромиру. СТО описывает явления при больших скоростях, а ОТО является обобщением ньютоновской теории гравитации, объединяющей ее со СТО и распространяющей на случай больших расстояний и больших масс. Непосредственное совмещение квантовой механики и специальной теории относительности в едином формализме (квантовой релятивистской теории поля) приводит к проблеме расходимости — отсутствия конечных результатов для экспериментально проверяемых величин. Для решения этой проблемы используется идея перенормировки величин. Для некоторых моделей механизм перенормировок позволяет построить очень хорошо работающие теории, но добавление гравитации (то есть включение в теорию ОТО как предельного случая для малых полей и больших расстояний) приводит к расходимостям, которые убрать пока не удаётся. Хотя из этого вовсе не следует, что такая теория не может быть построена.

Основные положения

После построения в конце XIX века электродинамики, объединившей на основе уравнений Максвелла в единой теоретической схеме явления электричества, магнетизма и оптики, в физике возникла идея объяснения на основе электромагнетизма всех известных физических явлений. Однако создание общей теории относительности привело физиков к мысли, что для описания на единой основе всех явлений необходимо объединение теорий электромагнетизма и гравитации.

Первые варианты единых теорий поля были созданы Давидом Гильбертом и Германом Вейлем. В дальнейшем большое внимание «теории всего» уделил Альберт Эйнштейн. Он посвятил попыткам её создания большую часть своей жизни. Гильберт, Вейль и, в дальнейшем, Эйнштейн полагали, что достаточно объединить общую теорию относительности и электромагнетизм.

Современная физика требует от «теории всего» объединения четырёх известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное взаимодействие,
• электромагнитное взаимодействие,
• сильное ядерное взаимодействие,
• слабое ядерное взаимодействие.

Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц. Первым шагом на пути к этому стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1967 году Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом. В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия. После чего появилось несколько вариантов теорий Великого объединения (наиболее известная из них — теория Пати-Салама, 1974 год), в рамках которых удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Правда, ни одна из теорий Великого объединения пока не нашла подтверждения, а некоторые уже опровергнуты экспериментально на основе данных по отсутствию распада протона. Недостающим звеном в «теории всего» остается подтверждение какой-либо из теорий Великого объединения и построение квантовой теории гравитации на основе квантовой механики и общей теории относительности.

В настоящее время кандидатом в качестве «теории всего» является теория струн в её обобщённой формулировке, получившей название М-теория. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временно́е. Толчком к этому стала теория Калуцы — Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла. Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих большими размерностями. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятый ответ состоит в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

В конце 2007 года Гаррет Лиси предложил «Исключительно простую теорию всего», основанную на свойствах алгебр Ли. Несмотря на обнаруженные недостатки теории Лиси она может открыть новое направление работ в области единых теорий поля.

В конце 1990-х стало ясно, что общей проблемой предлагаемых вариантов «теории всего» является то, что они не строго определяют характеристики наблюдаемой Вселенной. Так, многие теории квантовой гравитации допускают существование вселенных с произвольным числом измерений или произвольным значением космологической постоянной. Некоторые физики придерживаются мнения, что на самом деле существует множество вселенных, но лишь небольшое их количество обитаемы, а значит, фундаментальные константы вселенной определяются антропным принципом. Макс Тегмарк довёл этот принцип до логического завершения, постулирующего, что «все математически непротиворечивые структуры существуют физически». Это означает, что достаточно сложные математические структуры могут содержать «самоосознающую структуру», которая будет субъективно воспринимать себя «живущей в реальном мире».

В научном сообществе физиков продолжаются дебаты по поводу того, следует ли считать «теорию всего» фундаментальным законом Вселенной. Одна точка зрения, строго редукционистская, состоит в том, что «теория всего» — это фундаментальный закон Вселенной и что все остальные теории, описывающие Вселенную, являются её следствиями или предельными случаями. Другая точка зрения опирается на законы, названные Нобелевским лауреатом по физике Стивеном Вайнбергом законами «свободного плавания», которые определяют поведение сложных систем. Критика последней точки зрения обращает внимание на то, что в такой формулировке «теория всего» нарушает принцип бритвы Оккама.

Среди других факторов, уменьшающих объяснительно-предсказательную ценность «теории всего», её чувствительность к наличию у Вселенной граничных условий и существование математического хаоса среди её решений, что делает её предсказания точными, но бесполезными.

См. также

• Квантовая гравитация
• Стандартная модель
• Теория струн
• М-теория
• Суперсимметрия
• «Исключительно простая теория всего»
• Квантовая теория поля

Ссылки

• Большая Советская Энциклопедия, статья «Единая теория поля»

Теории гравитации

Стандартные Альтернативные ОТО Объединённые теории поля Другие Классическая теория тяготения Ньютона Классическая механика Общая теория относительности (ОТО) История теории относительности Математика ОТО Источники по ОТО [1] Тесты ОТО [2] Теория твисторов [3] [S] Принцип Маха Релятивистская теория гравитации Классические теории гравитации [4] [S] Конформная гравитация [5] [S] Скалярные теории [6] Теория Нордстрема [7] Теория Илмаза [8] Скалярно-тензорные теории [9] [S] Теория Йордана-Бранса-Дике [10] Космология самотворения массы [11] Биметрические теории [12] [S] Другие альтернативы Теория Эйнштейна-Картана [13] Связность Картана [14] Теория гравитации Уайтхеда [15] [S] Несимметричные теории гравитации [16] [S] Скаляр-тензор-векторная гравитация [17] [S] Тензор-вектор-скалярная гравитация [18] [S] Телепараллелизм [19] Геометродинамика [20] Квантовая гравитация Полуклассическая гравитация [21] Дискретная лоренцевская квантовая гравитация [22] [S] Евклидовая квантовая гравитация [23] [S] Индуцированная гравитация [24] [S] Петлевая квантовая гравитация Условие Уилера-де Витта [25] Теории всего Супергравитация М-теория Теория струн Перечень терминов и имён, связанных с теорией струн [26] Исключительно простая теория всего [S] Топологическое излучение ОТО, модифицированная дополнительными размерностями [27] Теория Калуцы-Клейна Модель гравитации DGP [28] [S] Альтернативы теории Ньютона Гравитация по Аристотелю [29] Гравитация Фатио-Леcажа Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) [30] Теории без классификации Составная гравитация [31] [S] Гравитация с массивным гравитоном [32] [S] Электрогравитация[33] Гравитомагнетизм[34] Антигравитация[35] [S] обозначены теории, сущность или описания которых требуют доработки

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Теория всего. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---