Теорія всього (Англ. Theory of everything, TOE) - Гіпотетична об'єднана фізико-математична теорія, що описує всі відомі фундаментальні взаємодії. Спочатку даний термін використовувався в іронічному ключі для позначення різноманітних узагальнених теорій. З часом термін закріпився в популяризації квантової фізики для позначення теорії, яка б об'єднала всі чотири фундаментальні взаємодії в природі. У науковій літературі замість терміна «теорія всього» використовується термін «єдина теорія поля», проте слід мати на увазі, що теорія всього може бути побудована і без використання полів, незважаючи на те, що науковий статус таких теорій може бути спірним.
Протягом XX століття було запропоновано безліч «теорій усього», але жодна з них не змогла пройти експериментальну перевірку, чи існують значні труднощі в організації експериментальної перевірки для деяких з кандидатів. Основна проблема побудови наукової «теорії всього» полягає в тому, що квантова механіка і загальна теорія відносності (ЗТВ) мають різні області застосування.
Квантова механіка в основному використовується для опису мікросвіту, а загальна теорія відносності застосовна до макросвіту. СТО (Спеціальна теорія відносності) описує явища при великих швидкостях, а ОТО є узагальненням ньютонівської теорії гравітації, що об'єднує її з СТО та розповсюджує на випадок великих відстаней і великих мас. Безпосереднє поєднання квантової механіки та спеціальної теорії відносності в єдиному формалізмі (квантової релятивістської теорії поля) приводить до проблеми розбіжність - відсутність кінцевих результатів для експериментально перевіряються величин. Для вирішення цієї проблеми використовується ідея перенормировки величин. Для деяких моделей механізм перенормувань дозволяє побудувати дуже добре працюючі теорії, але додавання гравітації (тобто включення в теорію ОТО як граничного випадку для малих полів і великих відстаней) призводить до расходимостей, які прибрати поки не вдається. Хоча з цього зовсім не випливає, що така теорія не може бути побудована.
Основні положення теорії всього
Після побудови наприкінці XIX століття електродинаміки, що об'єднала на основі рівнянь Максвелла в єдиній теоретичній схемі явища електрики, магнетизму і оптики, у фізиці виникла ідея пояснення на основі електромагнетизму всіх відомих фізичних явищ. Однак робота над створенням загальної теорії відносності привело фізиків до думки, що для опису на єдиній основі всіх явищ необхідне об'єднання теорій електромагнетизму і гравітації.
Перші варіанти єдиних теорій поля були створені Давидом Гильбертом і Германом Вейлем. Надалі велику увагу «теорії всього» приділив Альберт Ейнштейн. Він присвятив спробам її створення більшу частину свого життя. Гільберт, Вейль і, надалі, Ейнштейн думали, що досить об'єднати загальну теорію відносності і електромагнетизм, до того ж на початку не малося на увазі, що вони повинні бути квантовими, так як сама квантова механіка ще не була досить розвиненою. Значною мірою, якщо не повністю, мінімальна програма - об'єднання ВІД і електродинаміки була вирішена в рамках теорії Калуци - Клейна (можливо, і ще деяких теорій), але майже вже вчасно її створення стало актуальним включення в теорію інших полів і пророкування існування багатьох частинок, що було не зовсім тривіальним, а надалі прояснилися й нові труднощі, а квантовий варіант теорії Калуци-Клейна хоч і був мислимо, однак квантування натрапляло на труднощі конкретної розробки, як і квантування саме? ї загальної теорії відносності окремо.
Сучасна фізика вимагає від «теорії всього» об'єднання чотирьох відомих у даний час фундаментальних взаємодій:
- гравітаційна взаємодія,
- електромагнітне взаємодія,
- сильне ядерне взаємодія,
- слабке ядерна взаємодія.
Крім того, вона повинна пояснювати існування всіх елементарних частинок. Першим кроком на шляху до цього стало об'єднання електромагнітного і слабкої взаємодій в теорії електрослабкої взаємодії, створеної в 1967 році Стівеном Вайнбергом, Шелдоном Глешоу і Абдусом Саламом. У 1973 році була запропонована теорія сильної взаємодії. Після чого з'явилося кілька варіантів теорій Великого об'єднання (найбільш відома з них - теорія Пати - Салама, 1974 рік), в рамках яких вдалося об'єднати всі типи взаємодій, крім гравітаційної.
Правда, жодна з теорій Великого об'єднання поки не знайшла підтвердження, а деякі вже спростовані експериментально на основі даних по відсутності розпаду протона. Відсутньою ланкою в «теорії всього» залишається підтвердження якої-небудь з теорій Великого об'єднання й побудова квантової теорії гравітації на основі квантової механіки і загальної теорії відносності.
В даний час основними кандидатами в якості «теорії всього» є теорія струн, петлевая теорія і теорія Калуци - Клейна. Про останню подробней. На початку двадцятого століття з'явилися припущення, що Всесвіт має більше вимірів, ніж спостережувані три просторових і одне тимчасово? Е. Поштовхом до цього стала теорія Калуци - Клейна, яка дозволяє побачити, що введення в загальну теорію відносності додаткового виміру приводить до одержання рівнянь Максвелла. Завдяки ідеям Калуци і Клейна стало можливим створення теорій, що оперують великими размерностями. Використання додаткових вимірів підказало відповідь на питання про те, чому дія гравітації проявляється значно слабкіше, ніж інші види взаємодій. Загальноприйнятий відповідь полягає в тому, що гравітація існує в додаткових вимірах, тому її вплив на спостережувані виміри слабшає.
Наприкінці 2007 року Гаррет Лиси запропонував «Винятково просту теорію всього», засновану на властивостях алгебр Лі. Незважаючи на виявлені недоліки теорії Лиси, вона може відкрити новий напрямок робіт в області єдиних теорій поля.
В кінці 1990-х стало ясно, що загальною проблемою пропонованих варіантів «теорії всього» є те, що вони нестрого визначають характеристики спостережуваного Всесвіту. Так, багато теорії квантової гравітації допускають існування всесвітів з довільним числом вимірів або довільним значенням космологічної постійної. Деякі фізики дотримуються думки, що насправді існує безліч всесвітів, але лише невелика їх кількість населені, а значить, фундаментальні константи всесвіту визначаються антропним принципом.
Макс Тегмарк довів цей принцип до логічного завершення, постулирующего, що «всі математично несуперечливі структури існують фізично». Це означає, що досить складні математичні структури можуть містити «самоосознающую структуру», яка буде суб'єктивно сприймати себе «живучої в реальному світі».
У науковому співтоваристві фізиків тривають дебати з приводу того, чи слід вважати «теорію всього» фундаментальним законом Всесвіту. Одна точка зору, суворо редукціоністская, полягає в тому, що «теорія всього» - це фундаментальний закон Всесвіту і що всі інші теорії, що описують Всесвіт, є її наслідками або граничними випадками. Інша точка зору спирається на закони, названі Нобелівським лауреатом з фізики Стівеном Вайнбергом законами «вільного плавання», які визначають поведінку складних систем. Критика останньої точки зору звертає увагу на те, що в такому формулюванні «теорія всього» порушує принцип бритви Оккама.
Серед інших факторів, що зменшують пояснювально-передбачувану цінність «теорії всього», її чутливість до наявності у Всесвіті граничних умов і існування математичного хаосу серед її рішень, що робить її передбачення точними, але марними.
Прадід Йона Тихого, персонажа науково-фантастичного циклу Станіслава Лема, працював над «Загальної теорією всього».
Джерела та додаткова інформація: