Previous Entry Поделиться Next Entry
Зачем нужна физика
Земля
hffds

Физика обладает особым статусом посравнению со всеми остальными науками. От нее ждут не только точных и серьезныхпредсказаний, но порой и ответов на фундаментальные вопросы о природемироздания. Именно поэтому сообщения о регистрации гравитационных волн илиоткрытии бозона Хиггса вызывают такой интерес.

Благодаря техническому прогрессув последние годы у нас появилась возможность экспериментально проверитьотдельные кусочки картины мира, сформулированной 50–60 лет назад. Разумеется,факт наличия гравитационных волн не ставился под сомнение никем из людей,понимающих суть явления. И пожалуй, было бы интереснее, если бы их не нашли.Это означало бы, что либо теория относительности неверна, либо мы абсолютнонеправильно понимаем базовые законы Вселенной. Но теория подтвердилась.

Однако это не значит, что теперь мы живем в мире, законы которого известны наверняка. Огромное количествофеноменов и теорий в физике все еще нуждаются в объяснении и экспериментальномподтверждении. Какие еще из фундаментальных концепций планируется проверить впервую очередь и как изменится наше представление о базовых законах Вселеннойв случае их подтверждения или опровержения?

Суперсимметрия

Согласно квантовой физике, вприроде существует два типа элементарных частиц: бозоны (например, фотоны –переносчики электромагнитного взаимодействия) и фермионы (электроны, протоны).Эти частицы ведут себя совершенно по-разному. В квантовых системах физическиевеличины (энергия, импульс и т.д.) могут принимать лишь какое-то конкретноезначение, а набор этих величин для конкретной частицы называется квантовымсостоянием. Фермионы напоминают девушек на вечеринкев разных платьях: каждый из них стремится иметь свой собственный набор значенийфизических величин. Бозоны же в отличие от них коллективисты и, наоборот,предпочитают находиться в одинаковых квантовых состояниях. Это приводит ккардинальным отличиям в их поведении.

Фермионы напоминают девушек на вечеринке в разных платьях: каждый из них стремится иметь свой собственный набор значений физических величин

Весь окружающий нас мир построениз фермионов, которые взаимодействуют друг с другом, «перекидываясь» бозонами.Другими словами, фермионы – это шарики, из которых мы состоим, а бозоны –пружинки, соединяющие их. В Стандартной модели (общепринятая на сегодняшнийдень теория в физике элементарных частиц) все фермионы классифицируются взависимости от того, с какими бозонами они могут взаимодействовать.

Теория суперсимметрии утверждает,что при очень высокой энергии бозоны и фермионы могут превращаться друг вдруга. Иными словами, вещество может переходить во взаимодействие (или визлучение) и наоборот. Математически это достигается за счет добавления кобычным трехмерным координатам специальных (помимо длины, ширины, высоты, например координаты времени и др.), с помощью которых становитсявозможно преобразовывать частицы друг в друга.

Экспериментальная проверка этойтеории уже началась – для этого используется Большой адронный коллайдер. Частицыразгоняются до очень больших энергий, затем их сталкивают друг с другом иизучают, что получилось в результате такого столкновения. Наблюдениесуперсимметрии является одной из основных задач CERN. Однако на текущий моментона не подтверждается результатами экспериментов, и часть ученых начинаютсомневаться в ее существовании.

Один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере

Denis Balibouse / Reuters

Стоитотметить, что в данном случае важна сама возможность подтверждения илиопровержения теории суперсимметрии. Она описывает объекты, которые находятся всвоем роде на границе наших текущих знаний. Если ее действительно найдут, это станет первым шагом в«новую» физику. Кроме того, суперсимметрия позволяет объяснить один из самыхзагадочных космологических феноменов – темную материю.

Темная материя

Изучение космоса – это другаяобласть физики. Звезды, туманности, скопления галактик являются объектамисовсем иных масштабов и требуют другого языка для своего описания. Кроме того,мы не можем поставить эксперимент над галактикой, мы можем только наблюдать заней. Несмотря на это, микро- и макромир тесно связаны.

Термин «темная материя»применяется в астрономии с 20-х годов прошлого века. Именно тогда у ученыхпоявилось предположение, что большая часть массы во Вселенной невидима, то естьне взаимодействует или слабо взаимодействует с электромагнитным излучением.Дальнейшее развитие астрономической техники лишь подтвердило это. Наблюдая занебом, мы можем определить скорость вращения звезд вокруг центра нашей Галактики. Но если оценить массу всех видимых звезд, то получится, что вращениедолжно быть медленнее. Этому может быть два объяснения: либо законы гравитацииневерны (в данном случае закон Ньютона), либо есть какая-то невидимая наммасса, которая ускоряет звезды за счет дополнительной гравитации. Наиболее популярная точка зрения сегодня – теория о скрытой массе.

Либо законы гравитации неверны (в данном случае закон Ньютона), либо есть какая-то невидимая нам масса

И тут приходит на помощь суперсимметрия. Одним из ее следствий является то, что укаждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнер,своего рода отражение в «суперсимметричном зеркале». Для фотона, кванта электромагнитногополя, таким партнером будет фотино. У этой частицы нет заряда, она достаточнотяжелая и вполне может быть частицей темной материи. Таким образом,проверка суперсимметрии позволит не только подтвердить красивую теорию в физикеэлементарных частиц, но и разрешить одну из самых больших проблем современнойкосмологии. Сейчас существует несколько экспериментальных комплексов в мире,которые пытаются”поймать” темную материю. Пока, к сожалению, безуспешно. Например, врамках CDMS (Cryogenic Dark Matter Search– криогенный поиск темной материи) эти частицы пытаются обнаружить с помощьюполупроводниковых кристаллов, которые находятся при температуре порядка 0,01° Кельвина. Для защиты от помех установка расположена глубоко подземлей, в бывшей шахте по добыче железной руды.

Обнаружение таких частицпозволит не только понять, что собой представляет темная материя, но иподтвердит теорию суперсимметрии. В связи с этим существует ряд альтернативныхгипотез, согласно которым нужно искать другие частицы или вообще использоватьальтернативные законы гравитации. Несмотря на это, темная материя являетсяконцептуально понятным феноменом. Скорее всего, во Вселенной есть нечто, что мыпока не можем зафиксировать. Но в космологии существует и гораздо более масштабнаяпроблема – темная энергия.

Темная энергия

Согласно современным оценкам,темная материя составляет примерно 26% массы Вселенной, еще около 4% приходитсяна “обычную” материю, из которой состоят звезды и планеты. Остальные 70% –темная энергия; явление, которое приводит к главному парадоксу современнойфизики, иногда его еще называют проблемой космологической постоянной.

Космологическая постоянная – это величина, введенная Эйнштейном в уравнения общейтеории относительности во многом из эстетических соображений. До недавнего времени она рассматривалась как необязательная, пока в 1998 году не было открыто, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Так как любое ускорение нуждается в энергии, то получалось, что есть какая-то невидимая сила, влияющая на происходящее расширение. Именно это явление получило название темной энергии.

Из наблюдений получалось, что темная энергия обладаетвесьма странными свойствами. Во-первых, она создает своего рода антигравитацию: частицы привычной нам материи притягиваются друг к другу, взаимодействуя с помощью гравитации, и чем ближе они находятся, тем больше становится их энергия. В отличии от них, темная энергия работает по-другому: при увеличении плотности, она наоборот уменьшается, приводятем самым к расширению Вселенной. Во-вторых, она равномерно распределена по всемупространству, а ее плотность практически не зависит от времени. Получается, чтокаждый кусочек пространства обладает некоей собственной, постоянной энергией.На самом деле это не так безумно, как кажется на первый взгляд. В квантовойфизике такой феномен известен и называется энергией вакуума.

Темная энергия создает антигравитацию, приводя к расширению Вселенной, а ее плотность практически не зависит от времени

Казалось бы, вакуум – это пустота.Как там, где ничего нет, может быть какая-то энергия? Но согласно современнойфизике, пустота оказывается полна жизни. В квантовой физике существует принципнеопределенности Гейзенберга, который, если упростить, состоит в том, что мыникогда не можем точно измерить энергию частицы. Эта неопределенность приводитк тому, что в вакууме могут на очень короткое время рождаться и умирать“несуществующие” частицы (их называют виртуальными). Такой процесс называетсянулевыми колебаниями вакуума.

Скопление галактик в центре содержит столько темной материи, что гравитация изгибает лучи света

NASA, ESA, CRAL, LAM, STScI

И здесь главная проблема в том,что предсказанное квантовой физикой значение космологической постоянной в 10120 раз больше, чем получаемое из общей теории относительности. Иногда этоназывают худшим предсказанием в истории физики. Тут возникает сложная ситуация:либо мы не понимаем, из чего состоит большая часть окружающего нас мира, либонужно перестраивать две фундаментальные физические теории, пытаясь увязать ихдруг с другом. Ясно лишь, что общая теория относительности создавалась дляописания гравитации на космических масштабах и ее нельзя применять для работы сквантовыми объектами, но какой-то общепринятой квантовой теории гравитации насегодняшний день не существует.

С большими оговорками выходит,что мы представляем себе устройство лишь четырех процентов Вселенной. И чем больше мы узнаем оней, тем больше вопросов возникает.

Квантовые петли и теория струн

Даже без учета парадоксакосмологической постоянной гравитация – больное место для всей физикиэлементарных частиц. Основной проблемой является то, что непонятно, какаятеория заменяет общую теорию относительности на квантовых масштабах. Мы умеемописывать пространство и время на крупных масштабах. Но физики мечтают понятьсаму природу пространства. В теории Эйнштейна пространство-время являетсяединой переменной, зависящей от характеристик объектов внутри ее. Квантоваяфизика, в свою очередь, использует некое внешнее пространство-время, в котороепогружены частицы.

Как связать обе эти теории, насегодняшний день непонятно. Но существует множество предполагаемых решений этойпроблемы – например, петлевая квантовая гравитация и теория струн.

Первая предполагает, что пространство и время состоят из отдельных частей,своего рода квантовых ячеек, которые соединены друг с другом определеннымобразом, что приводит к возникновению гравитации.

Согласно же теории струн, каждаячастица является двумерной вселенной с одним пространственным и одним временнымизмерениями. При этом пространственное измерение имеет конечные размеры.Например, оно может быть замкнуто в очень маленькую петлю. Такие объектыназываются струнами. И их колебания с разной частотой отвечают разнымэлементарным частицам, которые мы наблюдаем, ведь с больших расстояний мы видиммаленькую струну как точечную частицу. За счет этого появляется возможностьэлегантно связать все фундаментальные взаимодействия: гравитационное иэлектромагнитное, слабое и сильное.

Это можно представить как то, что каждая точка нашего пространства при пристальном взгляде имеет внутреннюю шестимерную структуру

Помимо этого, теория струнпостроена таким образом, что непротиворечиво существовать она может только в пространстве-времени размерностидесять. Таким образом, в рамках этой теории предполагается, что наш мир состоитиз большой четырехмерной части (того пространства, в котором мы живем) ималенькой шестимерной. Это можно представить как то, что каждая точка нашегопространства при пристальном взгляде имеет внутреннюю шестимерную структуру. Напервых порах даже существовала надежда, что из логической непротиворечивоститеории струн на столь странном десятимерном пространстве возникнет объяснение,почему мы живем в четырехмерном пространстве-времени. На данный момент, однако,большая часть сообщества ученых, занимающихся струнами, придерживаются тойточки зрения, что эта надежда не оправдалась.

И наконец, в теории струн всезаряды и массы частиц приобретают геометрический смысл. Некоторые из нихвозникают, например, как размеры различных частей маленького шестимерногопространства. Таким образом, теория струн является наукой на стыке физики,геометрии и алгебры, что отчасти объясняет ее исключительную привлекательностьв среде научного сообщества.

Это напоминает ситуацию с Общейтеорией относительности, первоначально сформулированной Эйнштейном на бумаге итолько спустя годы окончательно подтвержденной. Однако невозможность даже косвеннойэкспериментальной проверки и большое число различных ответвлений теорииприводят к скептическому отношению к ней множества ученых.

Пожалуй, всовременной физике нет другой области, которая вызывала бы такое количестводискуссий. Причем это споры философского характера, по существу сводящиеся ктому, что же именно является предметом изучения этой науки.

Бесконечность вопросов

Каждая из решенных проблем вфизике приводит нас к вопросам из категории “почему?”. Поэтому даже когда всевопросы “как?” иссякнут, нам еще предстоит многое познать. Например, мы неможем объяснить, почему наш мир трехмерный и действительно ли он такой. Когдамы смотрим на бумажную салфетку, нам кажется, что она плоская, хотя на самомделе у нее есть и третье измерение. Что, если и размерность нашего мира на самомделе больше, а мы просто не можем это увидеть? Все это сейчас проверяетсяэкспериментально с помощью измерения закона всемирного тяготения Ньютона намалых масштабах.

Мы также не можем объяснить, зачемнужны три поколения частиц в Стандартной модели. Наш мир построен из частицодного поколения, но существуют еще два, причем эти частицы идентичны другдругу, но отличаются по массе: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего.Зачем природе потребовалось создавать их?

Другой вопрос, почему существуетименно четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное,сильное и слабое? Можноответить на это, исходя из антропного принципа, объяснив, что все во Вселеннойнастроено таким образом, чтобы появился человек. Тогда все выглядитсогласованно: гравитационное взаимодействие формирует объекты на космическихмасштабах, создавая звезды и планеты. Живые организмы получают энергию отСолнца вместе с солнечными лучами, то есть за счет электромагнитноговзаимодействия. Для того чтобы Солнце светило, на нем должны происходитьтермоядерные реакции, а это распадные процессы, слабое взаимодействие. Веществовокруг нас и составляющее нас состоит из атомов, внутри атома есть ядро,которое распалось бы на протоны и нейтроны, если бы они не удерживались вместеза счет сильного взаимодействия. Но почему нужно именно такое количествовзаимодействий? Возможно, есть еще что-то, о чем мы просто пока не знаем?

На этом вопросы не заканчиваются.Почему наш мир состоит из материи, а не из антиматерии? Почему Вселеннаяимеет такую малую энтропию? Что происходит с информацией внутри черных дыр?

Уученых еще масса вопросов, ответов на многие из которых пока нельзя получитьдаже математическим путем, не говоря уже о практическом подтверждении. Всяистория человечества пестрит примерами, как самые, казалось бы, стройныетеории, в том числе и научные, рушились под давлением прогресса и новой научноймысли. И мы не можем утверждать, что этого не произойдет и в наше с вами время,и в будущем. А пока мы живем в таком мире, какой он есть, с понятныминеизвестными, и наша цель как человечества – понять не только как, но и почему Вселенная устроена именно так.

источник


Комментарии отключены

Для этой записи комментарии отключены.

?

Log in