Мы давно знаем, что с гравитацией что-то не так. Она работает слишком хорошо.

До сих пор общая теория относительности Эйнштейна с блеском выдерживала все испытания. На протяжении десятилетий физики пытались отыскать какое-нибудь отклонение, из-за которого простые уравнения теории Эйнштейна могут перестать работать. В каких-нибудь экстремальных условиях, например на краю черной дыры или в центре нейтронной звезды, эти уравнения должны дать сбой. До сих пор мы ничего не находили, но мы уверены, что ищем не напрасно.

Для этого у нас есть веские основания. По сравнению с другими силами гравитация кажется весьма странной. Она выглядит совершенно иначе с математической точки зрения, и она слишком слабая. Разумеется, когда речь идет о массе, достаточной для формирования галактики или черной дыры, гравитация кажется довольно сильной. Но в повседневной жизни она представляет собой самую слабую из всех сил, с которыми вы имеете дело. Каждый раз, когда вы поднимаете кофейную чашку, вы преодолеваете гравитационное притяжение целой планеты. Для того чтобы гравитация начала хотя бы конкурировать с ядерными силами, удерживающими атомы вместе, необходимо сжать массу Солнца до размера города.

Но сравнение сил – это еще не все. Идея о том, что все фундаментальные взаимодействия могут представлять собой различные аспекты одного и того же явления на чрезвычайно высоких уровнях энергии, как правило, считается ключом к истинному пониманию, как работает физика. Мы надеемся разработать некую всеобъемлющую «теорию всего», которая объединяет гравитацию с остальными силами, действующими на элементарные частицы, и объясняет, ну, в общем… все.

Однако пока гравитация не спешит нам подыгрывать. У нас есть подтвержденная экспериментами теория электрослабого взаимодействия (объединяющая электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие). Кроме того, у нас есть несколько весьма многообещающих идей относительно Теории великого объединения, объединяющей электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Но каждый раз, когда мы пытаемся включить в теорию гравитацию, ее слабость разрушает всю картину. Даже если отвлечься от этого, гравитация и квантовая механика (которая описывает работу всех остальных сил) явно противоречат друг другу в предсказаниях о том, что должно происходить, например, на краю черной дыры. И если бы мы сумели привести гравитацию в соответствие с остальными силами, это нам очень помогло бы.

Для этого, судя по всему, есть несколько способов. Самый очевидный из них – отказаться от идеи объединения и позволить теории гравитации оставаться отдельной от всей физики. Вполне возможно, что никакой теории всего просто не существует, и мы никогда не сумеем собрать все эти фрагменты воедино. Однако мне как физику невыносима даже мысль об этом, так что предлагаю приберечь ее на крайний случай.

Гораздо более привлекательная и захватывающая идея состоит в том, что проблема заключается в нашей теории гравитации, и если скорректировать или заменить общую теорию относительности, все встанет на свои места. В этом направлении было предпринято множество впечатляющих и вполне обоснованных попыток. Теории квантовой гравитации, наиболее известными примерами которых являются теория струн и петлевая квантовая гравитация, по-прежнему активно обсуждаются теоретиками, стремящимися объединить гравитацию с физикой элементарных частиц и завязать все это струной. Или петлей. Ну, вы поняли. В каждом из этих сценариев мы получаем гравитацию, которая квантуется, то есть выражается в терминах частиц и полей, а не сил или искривления пространства. И эти частицы и поля хорошо сочетаются с квантовыми теориями поля, которые объясняют взаимодействия между кварками, электронами, фотонами и другими субатомными частицами. В этом случае гравитацию можно было бы представить как обмен частицами, называемыми гравитонами, подобно тому, как электромагнитное поле является результатом обмена фотонами. И гравитационные волны, которые мы в настоящее время описываем как растяжение и сжатие пространства-времени, также можно представить в виде движения гравитонов, проявляющих свою волнообразную природу.

К сожалению, несмотря на десятилетия кропотливого труда и чрезвычайно сложные расчеты, физики так и не пришли к единой теории. Мало того, что ни одна из выдвинутых идей не была подтверждена в ходе экспериментов с частицами, до сих пор даже не ясно, возможно ли это в принципе. В идеале мы сформулировали бы две теории, а затем выяснили, что они дают разные прогнозы для результатов экспериментов вроде тех, которые проводятся на Большом адронном коллайдере. Однако в данном случае перед нами стоит трудная задача сравнения теорий, эффекты которых становятся заметными лишь при энергиях, значительно превышающих все то, чего мы можем добиться, сталкивая частицы в ускорителе БАК.

Это заставило физиков предложить целый ряд решений, начиная от абстрактных аргументов, направленных на сужение диапазона возможных Вселенных, и заканчивая философскими дискуссиями о том, как добиться прогресса в областях, в которых получение экспериментальных доказательств может оказаться невозможным.

Тем из нас, кто возлагает надежды на новые данные, стоит поискать подсказки относительно теории всего в космологии, особенно в той ее области, которая посвящена изучению ранней Вселенной. Если вам нужны данные о взаимодействиях частиц при необычайно высоких энергиях, то найти новые способы исследования Большого взрыва, вероятно, будет значительно проще, чем построить ускоритель частиц размером с Солнечную систему.

И мы уже движемся в этом направлении. До сих пор мы сталкивались лишь с небольшим количеством физических явлений, которые нельзя было объяснить в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц (или очень незначительных ее модификаций). Самые важные из них, темная материя и темная энергия, подтверждаются данными наблюдений. Однако абсолютно все эти доказательства были получены из области космологии и астрофизики. Выяснение того, что представляют собой эти таинственные компоненты космоса и как они работают, может оказаться лучшим ориентиром для дальнейшего развития наших теорий.

Еще одним доводом в пользу космологии является странный дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной.

Хотя нынешние теории предполагают, что количество материи и антиматерии должно быть одинаковым, наш повседневный опыт и тот факт, что мы не аннигилируем при соприкосновении с другими предметами, говорят о том, что обычная материя выигрывает с довольно большим отрывом. Как так получилось, до сих пор остается загадкой, но ключи к ее разгадке, вероятно, лежат в более глубоких и детальных исследованиях ранних стадий существования Вселенной, на которых и возникла эта асимметрия.

Где бы мы в итоге ни решили искать данные для формулирования теории всего, в нашем распоряжении есть два взаимодополняющих подхода. Один из них предполагает изучение уже наблюдаемых явлений, которые не вписываются в устоявшиеся физические теории, и создание новых, более совершенных теорий для их объяснения. Другой сводится к попытке сломать имеющиеся у нас теории, то есть описать гипотетические еще не исследованные крайние случаи и поискать такие способы анализа данных, которые могли бы рассказать о работоспособности теории в этих условиях. Прогресс в физике, как правило, достигается именно путем комбинирования этих двух подходов. Так мы перешли от ньютоновской гравитации, которая замечательно работает в повседневных ситуациях, к общей теории относительности Эйнштейна. Применение ОТО было бы излишним при изучении скользящего по наклонной плоскости блока, но эта теория абсолютно необходима для объяснения искривления светового луча вблизи чрезвычайно массивных космических объектов или небольшого смещения орбиты Меркурия в гравитационном колодце Солнца.

Когда-то нам пришлось заменить ньютоновскую гравитацию более изощренной общей теорией относительности; теперь пришло время заменить ОТО более совершенной теорией.

Однако ОТО так отчаянно сопротивляется этим попыткам, что вместо нее нам в итоге, вероятно, придется изменить саму Вселенную.