Кінець фізики: чи можемо досягти повного пізнання Всесвіту?

Кінець фізики та історичні передбачення

Одним із найвідоміших тверджень про «завершення» фізики приписують англійському вченому Лорду Кельвіну (Вільяму Томсону) наприкінці XIX століття. Хоча пряма цитата «Немає нічого нового в фізиці, всі закони вже відомі» вірогідно є хибною (ймовірно, зримована з висловлювання Альберта Майкельсона)[1], сам Кельвін у своїй лекції 1900 року попереджав про «дві хмари» на горизонті фізики – тобто про невідомі проблеми, що могли затьмарити науку. У XX столітті подібні месиджі звучали від інших науковців: наприклад, Стівен Гокінґ піднімав питання, чи взагалі можливий «повний опис законів природи»[2], а космолог Макс Тегмарк висловлював ідею «математичної реальності Всесвіту» – тобто уявляв, що Всесвіт цілком описується математичними структурами. Водночас багато вчених на різних етапах історії з обережністю ставилися до подібних заяв. Наприклад, відомі фізики XX століття – Нільс Бор, Вольфганг Паулі та Ернст Лоренц – визнавали, що відкриття квантової механіки і теорії відносності показали необмеженість відкриттів, попри короткотермінову впевненість в протилежному.

Лорд Кельвін. Зображення: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=141105716

Сучасний стан фізики

У наші дні фундаментальні закони природи описують декілька базових теорій, які дуже успішно пройшли експериментальні перевірки. Зокрема, Загальна теорія відносності (ЗТВ) Альберта Айнштайна (1915) пояснює гравітацію як викривлення простору–часу. Відтоді численні спостереження підтвердили передбачення цієї теорії: від ефекту обертання перигелію Меркурія і відхилення світла поблизу Сонця до сучасних вимірювань гравітаційних хвиль[3]. Стандартна модель фізики елементарних частинок описує інші три взаємодії (сильну, слабку і електромагнітну) і передбачає існування 12 фундаментальних частинок (6 кварків і 6 лептонів) та відповідних бозонів-переносників взаємодії (ґлюони, W/Z-бозони, фотон). За словами вчених, сьогодні Стандартна модель дає «повні й добре перевірені рівняння» для поведінки звичайної матерії при звичних умовах [4]. Іншими словами, у звичайному середовищі вона працює надзвичайно точно (це й видно по численних успіхах експериментів, зокрема передбачення бозона Гіггса та подальших вимірювань на Великому адронному колайдері).

Стандартна модель описує всі відомі елементарні частинки і три з чотирьох фундаментальних сил. Вона узгоджується із величезною кількістю експериментів[4]. Проте варто зауважити: навіть найсучасніша Стандартна модель не включає гравітацію, і не пояснює низку явищ (наприклад, космологічні) без введення додаткових параметрів.

Космологічна модель ΛCDM. Уявлення про Всесвіт як про гарячий Великий Вибух + холодну темну матерію + космологічну сталу Λ описується моделлю ΛCDM. За цим поглядом, приблизно 5% Всесвіту – звичайна баріонна матерія, ~27% – невидима темна матерія, а решта (~68%) – темна енергія[6]. Ця модель прекрасно узгоджується з картами космічного мікрохвильового фону, розподілом галактик і спостереженнями прискореного розширення Всесвіту. Статистика параметрів ΛCDM досі підтверджується сучасними місіями (наприклад, Planck, DESI тощо), але фізична природа темної матерії та темної енергії залишається невідомою.

Анімована кругова діаграма, що показує округлені значення трьох відомих компонентів Всесвіту: нормальної матерії, темної матерії та темної енергії [6]

Основні «білі плями» сучасної науки

Незважаючи на глибокі знання, існує низка відкритих питань, які фізика поки не вирішила. Серед найголовніших:

• Темна матерія: невидима субстанція, що визначає майже чверть енергетичного складу Всесвіту. Її присутність виявляється гравітаційно (криві обертання галактик, гравітаційне лінзування тощо), але вона не взаємодіє з електромагнітним полем[5]. Попри активний пошук, жодна частинка темної матерії не виявлена прямо, а її природу залишають у вигляді невирішеного питання.

  

  Гравітаційне лінзування. Зображення: Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17750437

• Темна енергія: ще більш загадкова форма енергії, що відповідає за стрімке розширення Всесвіту. Її відкриття в 1998 р. стало великим шоком для фізики, і досі не зрозуміло, чи це просто космологічна стала Λ, або ж нова динамічна сутність. Вимірювання «космічного пирога» вказують на ~68% темної енергії[6], але її фізична природа – відкрите питання.

• Походження свідомості: хоча це більше проблема нейронауки та філософії, деякі науковці (наприклад, Р. Пенроуз, М. Тегмарк) навіть спекулюють про зв’язок свідомості з фундаментальною фізикою. Проте сучасна наука не дає пояснення свідомому досвіду – це так зване «важке питання свідомості»[9], яке вважають окремою (поки нерозв’язаною) проблемою.

• Квантова гравітація: ми маємо дві потужні теорії – квантову механіку і загальну теорію відносності – але не вміємо їх об’єднати в єдину послідовну картину. Як правило, у квантових масштабах гравітація виявляється неадекватно описаною, а при надвеликих енергіях (наприклад, на початку Всесвіту) її впливом нехтувати не можна. Розробка теорії квантової гравітації (або «теорії всього») – одне з головних завдань фундаментальної фізики.

Теоретичні підходи до «остаточної теорії»

Спроби об’єднати всі фундаментальні сили у єдину теорію тривають:

• Теорія струн: за цією ідеєю, усі частинки є одномірними «струнами», які вібрують у багатовимірному просторі. Струни можуть включати гравітацію «з коробки» і формувати теорію усього[7]. Проте практика довела, що теорія струн залишається здебільшого математичною конструкцією: вона поки не дала перевірених прогнозів і передбачає величезний ландшафт можливих фізичних світів.

• Петльова квантова гравітація (LQG): цей підхід намагається квантувати саму геометрію простору–часу. У LQG простір вважають «атомізованим» з квантовими «петлями» (або «спіновими мережами») на планківських масштабах[10]. Модель передбачає, що площі й об’єми мають дискретний спектр, а Великий Вибух може бути фазою «розширення» спінової мережі. На відміну від струн, LQG досліджує гравітацію без введення додаткових просторових вимірів. Проте ця теорія також не стала загальноприйнятою і чекає експериментальних перевірок.

• Квантова теорія поля в вигнутому просторі-часі: посередній підхід, який застосовується, наприклад, до дослідження випромінювання чорних дір (випромінювання Гокінґа). Він розглядає відомі квантові поля (як електромагнітне) на фоні класичної гравітації. Хоч це не повна теорія квантової гравітації, такий підхід дав важливі ідеї (наприклад, термодинаміку чорних дір).

• Інші ідеї: час від часу з’являються й інші підходи – наприклад, асимптотичний безпечний гравітація (де гравітація стає придатною для квантування на високих енергіях) або каузальні множини (де простір–час має дискретну «сітчасту» структуру). Проте жоден з цих методів ще не довів себе як остаточний.

Філософські аспекти: межі пізнання

Навіть якщо зібрати всі емпіричні дані, виникають філософські питання про межі наукового пізнання. Зокрема:

• Теореми Ґеделя: відомі в математиці обмеження кажуть, що будь-яка послідовна аксіоматична система не може бути одночасно повною й непротирічною – завжди будуть істинні твердження, які невиводимі з системи. Дехто (у тому числі сам С. Гокінґ у лекції 2002 р.) застосовував цю ідею до фізики, запитуючи, чи може існувати «повна» система законів природи[2].

• Антропний принцип: згідно з цим принципом, деякі значення фундаментальних констант можуть бути пояснені тим, що лише в таких Всесвітах, які дозволяють існування спостерігачів (нас), ці константи і фіксуються. Енциклопедія Britannica пояснює: «існування людини показує, що структура Всесвіту і значення констант природи дозволяють життя»[8]. Деякі вчені (ідея мультивсесвіту) вважають це поясненням «тонкого налаштування», тоді як інші критикують антропний підхід як «пояснення після факту» без нових предикцій.

  

  Ілюстрація ідеї мультивсесвіту

• Інші обмеження: методологічно наука покладається на експеримент і математичні моделі. Є думка, що певні питання можуть бути поза досяжністю експерименту чи нашого розуміння. Наприклад, якщо Всесвіт мультивсесвітний, деякі «закони» можуть відображати умовиводи про себе – і це не завжди вважають науковим поясненням. Гокінґ сам підкреслював: «Виборча наука» просто змінила означення повного знання[2], і що визначення «пізнаваності» законів може бути спірним.

Погляди сучасних науковців

Наскільки реалістично очікувати «кінця фізики», різні вчені бачать по-різному. Ось кілька поглядів:

• С. Гокінґ (1962–2018): розмірковував про можливість теорії всього, ставив питання про наші шанси на «повне» описання законів природи[2]. Він схилявся до думки, що наука може згодом вирішити більшість проблем (в тому числі в останніх роботах вивчав мультивсесвіт), але не давав гарантій абсолютного завершення пізнання.

• 

  Стівен Гокінґ  (1962–2018)

• Сабіна Госсенфельдер: у своїй книжці «Втрачений в математиці» критикує надмірну залежність від красивих теорій, які не можна перевірити, і застерігає, що фізика може буксувати через брак реальних підказок.

• Френк Вілчек: лауреат Нобелівської премії італійського походження, відомий оптимізмом. Він зазначає, що останні десятиліття показали величезні успіхи – від відкриття стандартної моделі до підтвердження прогнозів відносності – і не вважає фізику завершеною. На сторінках MIT Physics він пояснює, що «ніяка розсудлива людина не може заперечувати: фізика — це надзвичайно успішна справа», а Стандартна модель «завершена» для звичайної матерії[4].

• Інші: деякі історики науки (наприклад, Джон Горґан) вважали, що наука може сягнути межі, після чого стає рутинною. З іншого боку, багато фізиків (наприклад, Роджер Пенроуз, Вільям Паулі, Майкл Ґрін, Ніл Туш) постійно шукали шляхи далі. У цілому можна сказати так: офіційного консенсусу нема. Дискусії про «кінець фізики» швидше висвітлюють поточні сумніви і запити суспільства, ніж наукову догму.

Висновки: на сьогодні фізика характеризується винятковим успіхом і серйозними невирішеними проблемами одночасно. Нині її розвиток не виглядає завершеним: існують відкриті питання (темна матерія/енергія, об’єднання квантуму і гравітації, природа свідомості), що чекають рішень. Історія показує: кожне «останнє слово» в науці завжди виявлялось тимчасовим. Сьогодні ми маємо потужний інструментарій і ясні напрямки пошуку, але чи призведе це до остаточної теорії – невідомо. Можливо, з часом відбудеться ще одна наукова революція, яка розкриє нові обрії, або ж закони, які ми вважаємо остаточними, підтвердяться з більшою точністю. Та поки що питання залишається відкритим: чи є кінцева мета в нескінченній грі розуміння Всесвіту, чи ж наука продовжить відкривати все нові й нові горизонти знань.

Список використаних джерел

1.     William Thomson, 1st Baron Kelvin // Wikipedia: the free encyclopedia [Електронний ресурс] URL:  en.wikipedia.org

2. Hawking S. W. Godel and the end of physics. Лекція (2002). – URL:  hawking.org.uk.

3. Bartels M., Tillman N. T., Dutfield S. What is the theory of general relativity? Understanding Einstein’s space-time revolution // URL:   space.com

4. MIT News. Have We Come to the End of Physics? Frank Wilczek // MIT Physics, Wall Street Journal, 5 липня 2019. – URL:  physics.mit.edu.

5. NASA. Dark Matter. Science NASA. – URL:  science.nasa.gov.

6. NASA SVS. Content of the Universe (пояснення складових Всесвіту на основі даних Planck). SVS – NASA Goddard, 2013. – URL: svs.gsfc.nasa.gov.

7. Britannica. String theory. Encyclopaedia Britannica (останнє оновлення невідоме). – URL: britannica.com.

8. Britannica. Anthropic principle. Encyclopaedia Britannica (оновлено 01.05.2025). – URL: britannica.com

9. Hard problem of consciousness // Wikipedia: the free encyclopedia [Електронний ресурс]. – URL:  en.wikipedia.org

10. Loop quantum gravity // Wikipedia: the free encyclopedia [Електронний ресурс]. – URL: en.wikipedia.org.