Дейвид Грос: защо обединената теория на всички сили може да остане недостъпна за човечеството

Когато Дейвид Грос е на 13 години, попада на книга, която променя живота му: „The Evolution of Physics“, подписана от Алберт Айнщайн. От този момент нататък математическите задачи вече не са просто интелектуално упражнение, а врата към въпросите за материята, атомите и силите, които управляват Вселената. Десетилетия по-късно Грос е сред учените, помогнали да се изясни как кварките се държат вътре в протоните и неутроните, и получава Нобелова награда за физика през 2004 г. Днес, след години работа върху квантовата хромодинамика и след това върху струнната теория, той гледа към още по-амбициозна цел: обединение на всички фундаментални сили, включително гравитацията — задача, която според него може да се окаже извън времето, с което разполага човечеството.

Книгата на Айнщайн, която насочва пътя му към теоретичната физика

Грос разказва, че още като ученик е обичал математическите пъзели, но именно книгата на Айнщайн и Леополд Инфелд „The Evolution of Physics“ го кара да види в математиката нещо повече от абстрактна игра. Според него тогава осъзнава, че задачите стават истински интересни, когато се прилагат към реалния свят, и решава да стане теоретичен физик. Той описва този избор като почти праволинеен: след него следват математика, физика и дълъг път към границите на познанието. По собствените му думи това е било „ранно и мъдро решение“, а на въпроса дали е стигнал до тези граници отговаря без колебание: „О, да — дори отвъд!“

Как експериментите разкриват кварките и раждат асимптотичната свобода

В началото на кариерата си Грос попада в момент, когато теоретиците все още нямат дълбоко разбиране за това какво се случва вътре в ядрото. След докторантурата си той се озовава между Бъркли и Харвард, където експерименти с високоенергийни електрони, насочени към протони, започват да действат като своеобразен микроскоп за вътрешността на протона. Резултатите са изненадващи: протонът изглежда съставен от точкови частици без видима структура.

Това наблюдение насочва Грос към кварките — хипотетични математически обекти, въведени по-рано, за да обяснят моделите на частиците. Проблемът е, че ако тези частици наистина се движат свободно вътре в протона, би трябвало лесно да бъдат изтръгнати при удар, а никой никога не е виждал кварк самостоятелно. Тъкмо това противоречие води до откритието на асимптотичната свобода, според която силното взаимодействие отслабва при много малки разстояния и се засилва, когато кварките се отдалечават един от друг — поведение, което е напълно неинтуитивно и различно от познатите теории.

От силното взаимодействие към Стандартния модел

Заедно с Франк Уилчек и Х. Дейвид Полицър Грос формулира принципа, който по-късно става част от квантовата хромодинамика. Тази теория описва силното ядрено взаимодействие и се превръща в ключ към разбирането на това защо кварките остават затворени в протоните и неутроните. Триото получава Нобелова награда за физика през 2004 г. Грос подчертава, че това е било повратен момент не само за силното взаимодействие, но и за цялата картина на частиците и силите. През същите години се развива и теорията за слабата ядрена сила, а към средата и края на 70-те години физиците вече имат Стандартния модел — рамката, която описва от какво е изградена материята и какви сили действат между нейните съставки.

Защо гравитацията остава извън картината

След като три от фундаменталните сили вече са обединени в Стандартния модел, остава гравитацията — и именно там, по думите на Грос, започват най-трудните въпроси. Той обяснява, че не е могъл просто да „премине нататък“, защото квантовата хромодинамика остава дълбока, сложна и красива теория, която и днес се развива и позволява изключително точни изчисления при малки разстояния.

Но интересът му постепенно се измества към по-големия проблем: как да се разбере пълното обвързване на кварките и как да се контролира теорията, когато силите стават големи. Според него на много високи енергии и много малки разстояния самата Стандартна теория започва да се проваля, защото се намесва гравитацията — знак, че е нужна по-широка рамка. Това го отвежда към струнната теория, с която работи основно оттогава.

Струнната теория, пространството-време и границите на проверката

Грос казва, че въпросите в струнната теория са дори по-амбициозни от обединението на всички сили. В неговото описание гравитацията е динамиката на пространство-времето, а това означава, че физиката вероятно ще трябва отново да промени разбирането си за самата структура на пространството. Той посочва, че все още не знаем от какво е направено пространство-времето, как се държи при много малки мащаби и как е еволюирала Вселената.

Най-голямата трудност е, че тези идеи са изключително трудни за директна експериментална проверка. Грос сравнява ситуацията с XIX век, когато атомите са били само хипотеза, а истинският напредък идва едва когато експериментите — от Брауновото движение до опитите на Ръдърфорд — потвърждават, че атомите са реални. При струнната теория обаче мащабът е далеч отвъд човешкия опит и се доближава до Планковата скала, където гравитацията става много силна, а самото понятие за пространство може би вече не е приложимо.

Именно тук Грос вижда и най-сериозната пречка пред една окончателна теория на квантовата гравитация: не само колко трудно е да бъде построена, а и дали човечеството ще има достатъчно време, за да я провери. В разговора си с Live Science той поставя въпроса рязко и без украса — „шансовете да живеете 50 години са много малки“ — като напомня, че научният напредък често изисква не само идеи, но и дълга историческа перспектива.

Въпреки това неговата кариера показва обратното на песимизма: от книгата, подписана от Айнщайн, до Нобеловата награда и работата върху най-дълбоките въпроси за началото на Вселената, Грос остава убеден, че физиката напредва именно чрез смели опити да се обясни онова, което днес изглежда недостъпно. Засега обаче пълното обединение на силите остава цел, която е също толкова научна, колкото и човешка — зависима от това колко далеч ще стигне самата цивилизация.