Нерешённые проблемы современной физики

Квантовая гравитация, теории струн, тёмная материя и тёмная энергия.

Как многим известно, современная физика не является построенной окончательно - до сих пор она разделена на квантовые теории, рассматривающие процессы микромира (например, квантовая механика и квантовая теория поля) и на релятивистские теории, связанные с явлениями макромира - столпом здесь стоит общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Первые успешно объяснили природу электромагнитных, слабых и сильных ядерных сил, тем самым создав так называемую "Стандартную модель", последняя же - гравитацию. Почему же гравитацию так трудно свести к квантовой теории? Какие трудности возникают в ходе теоретических изысканий? Это мы и рассмотрим далее.

Одной из крупнейших проблем современной космологии считается несоответствие между наблюдаемыми скоростями движения вещества в галактиках и значениями, полученными в теоретических расчётах. Так, согласно законам Кеплера, при передвижении во внешнюю среду скорость вращения, достигнув максимума, должна начать значительно уменьшаться, что не наблюдается на практике. Этот феномен получил название "проблемы скрытой массы".

Существует два основных подхода к её решению - модификация уже существующих теорий гравитации или введение в модель галактик неких массивных частиц, ответственных за "искажение" распределения скоростей. В первом случае, наиболее часто используется модифицированная ньютоновская динамика (MOND), однако ей сопутствуют существенные трудности - для каждой галактики нужно писать "свою" динамику с соответствующими законами, что делает её использование крайне сомнительным. С другой стороны, ни быстро движущиеся нейтрино ("горячая тёмная материя"), ни газово-пылевые скопления в межзвёздном веществе не могут компенсировать недостающую массу - отсюда следует и потребность в рассмотрении новых частиц, не входящих в рамки Стандартной модели. Так, кандидатами являются аксионы, связанные с сохранением CP-симметрии в квантовой хромодинамике, а также фотино и гравитино - суперсимметричные аналоги бозонов-переносчиков взаимодействия. Схему распределения тёмной материи можно увидеть ниже.

Наличие тёмной энергии - ещё одна из глобальных проблем современной физики, проявляющаяся в виде ускоренного расширения Вселенной. Последнее впервые было описано Альбертом Эйнштейном при создании общей теории относительности - за него отвечал лямбда-член, более известный как космологическая постоянная. Чуть позже Эйнтштейн отказался от своих идей, отдав предпочтение модели статичной Вселенной, однако расширение вновь было "открыто" Жоржем Леметром и Эдвином Хабблом в 1927 и 1929 годах соответстенно, а к концу 1990-ых был выявлено и свойство его постепенного ускорения. Тёмная энергия, в неком роде, выполняет функцию "анти-гравитации", тем самым на практике препятствуя тяготению между различными объектами. Исследования тёмной энергии на деле ещё более туманны, чем теоретические изыскания, связанные с тёмной материей, - даже малейшая попытка использовать квантовомеханические методы приводят к результату, который в 10^120 раз отличается от наблюдаемого в действительности.

Как уже говорилось выше, важнейшей целью современной физики является построение Теории Великого объединения, сводящей электрослабое и сильное взаимодействие воедино, а также "Теории всего", куда добавляется и гравитация. В квантовой физике существуют два основных подхода - квантовая механика, которая появилась самой первой, и квантовая теория поля (КТП), основанная на классической теории поля. Главными их различиями, наиболее понятными для читателя, можно выделить релятивистский характер КТП, которая базируется на специальной теории относительности, и неуниверсальность решений уравнений КТП, для преодоления которой используются различные математические методы, в том числе переномировка. Здесь и возникает проблема: гравитация - низкоэнергетическое взаимодействие, поэтому создать аналог квантовой электродинамики относительно неё не считается возможным, однако она может входить в состав более высокоэнергетической модели. Далее, КТП берёт пространство-время лишь как своеобразный фон, в то время как Общая Теория относительности (ОТО) рассматривает его как "полноправного участника" взаимодействия между различными частицами. Из этой предпосылки и исходит теория Петлевой квантовой гравитацией, которая основана на идеи о дискретности пространства-времени. Таким образом, современные гипотезы требуют невероятно сложный и разнородный математический аппарат. Теория струн, объясняющая всю физику нашего мира как результат колебаний одномерных протяжённых объектов - тех самых струн, - непрерывно связана с топологией, дифференциальной алгеброй и геометрией, некоторые разделы которых ещё даже не сформированы до конца.