Ночью в Москве: 
Понятные неизвестные. Что еще осталось исследовать во Вселенной?
Весь окружающий нас мир построен
из 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 сегодняшний
день теория в физике элементарных частиц) все фермионы классифицируются в
зависимости от того, с какими бозонами они могут взаимодействовать.
Теория суперсимметрии утверждает,
что при очень высокой энергии бозоны и фермионы могут превращаться друг в
друга. Иными словами, вещество может переходить во взаимодействие (или в
излучение) и наоборот. Математически это достигается за счет добавления к
обычным трехмерным координатам специальных (помимо длины, ширины, высоты, например координаты времени и др.), с помощью которых становится
возможно преобразовывать частицы друг в друга.
Экспериментальная проверка этой
теории уже началась – для этого используется Большой адронный коллайдер. Частицы
разгоняются до очень больших энергий, затем их сталкивают друг с другом и
изучают, что получилось в результате такого столкновения. Наблюдение
суперсимметрии является одной из основных задач CERN. Однако на текущий момент
она не подтверждается результатами экспериментов, и часть ученых начинают
сомневаться в ее существовании.
Один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере
Denis Balibouse / Reuters
Стоит
отметить, что в данном случае важна сама возможность подтверждения или
опровержения теории суперсимметрии. Она описывает объекты, которые находятся в
своем роде на границе наших текущих знаний. Если ее действительно найдут, это станет первым шагом в
«новую» физику. Кроме того, суперсимметрия позволяет объяснить один из самых
загадочных космологических феноменов – темную материю.
Темная материяИзучение космоса – это другая
область физики. Звезды, туманности, скопления галактик являются объектами
совсем иных масштабов и требуют другого языка для своего описания. Кроме того,
мы не можем поставить эксперимент над галактикой, мы можем только наблюдать за
ней. Несмотря на это, микро- и макромир тесно связаны.
Термин «темная материя»
применяется в астрономии с 20-х годов прошлого века. Именно тогда у ученых
появилось предположение, что большая часть массы во Вселенной невидима, то есть
не взаимодействует или слабо взаимодействует с электромагнитным излучением.
Дальнейшее развитие астрономической техники лишь подтвердило это. Наблюдая за
небом, мы можем определить скорость вращения звезд вокруг центра нашей Галактики. Но если оценить массу всех видимых звезд, то получится, что вращение
должно быть медленнее. Этому может быть два объяснения: либо законы гравитации
неверны (в данном случае закон Ньютона), либо есть какая-то невидимая нам
масса, 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 массаИ тут приходит на помощь суперсимметрия. Одним из ее следствий является то, что у
каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнер,
своего рода отражение в «суперсимметричном зеркале». Для фотона, кванта электромагнитного
поля, таким партнером будет фотино. У этой частицы нет заряда, она достаточно
тяжелая и вполне может быть частицей темной материи. Таким образом,
проверка суперсимметрии позволит не только подтвердить красивую теорию в физике
элементарных частиц, но и разрешить одну из самых больших проблем современной
космологии. Сейчас существует несколько экспериментальных комплексов в мире,
которые пытаются”поймать” темную материю. Пока, к сожалению, безуспешно. Например, в
рамках CDMS (Cryogenic Dark Matter Search
– криогенный поиск темной материи) эти частицы пытаются обнаружить с помощью
полупроводниковых кристаллов, которые находятся при температуре порядка 0,01° Кельвина. Для защиты от помех установка расположена глубоко под
землей, в бывшей шахте по добыче железной руды.
Обнаружение таких частиц
позволит не только понять, что собой представляет темная материя, но и
подтвердит теорию суперсимметрии. В связи с этим существует ряд альтернативных
гипотез, согласно которым нужно искать другие частицы или вообще использовать
альтернативные законы гравитации. Несмотря на это, темная материя является
концептуально понятным феноменом. Скорее всего, во Вселенной есть нечто, что мы
пока не можем зафиксировать. Но в космологии существует и гораздо более масштабная
проблема – темная энергия.
Темная энергияСогласно современным оценкам,
темная материя составляет примерно 26% массы Вселенной, еще около 4% приходится
на “обычную” материю, из которой состоят звезды и планеты. Остальные 70% –
темная энергия; явление, которое приводит к главному парадоксу современной
физики, иногда его еще называют проблемой космологической постоянной.
Космологическая постоянная – это величина, введенная Эйнштейном в уравнения общей
теории 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 обладает
весьма 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, приводя
тем самым к расширению Вселенной. Во-вторых, она равномерно распределена по всему
пространству, а ее плотность практически не зависит от времени. Получается, что
каждый кусочек пространства обладает некоей собственной, постоянной энергией.
На самом деле это не так безумно, как кажется на первый взгляд. В квантовой
физике такой феномен известен и называется энергией вакуума.
Темная энергия создает антигравитацию, приводя к расширению Вселенной, а ее плотность практически не зависит от времениКазалось бы, вакуум – это пустота.
Как там, где ничего нет, может быть какая-то энергия? Но согласно современной
физике, пустота оказывается полна жизни. В квантовой физике существует принцип
неопределенности Гейзенберга, который, если упростить, состоит в том, что мы
никогда не можем точно измерить энергию частицы. Эта неопределенность приводит
к тому, что в вакууме могут на очень короткое время рождаться и умирать
“несуществующие” частицы (их называют виртуальными). Такой процесс называется
нулевыми 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 это
называют худшим предсказанием в истории физики. Тут возникает сложная ситуация:
либо мы не понимаем, из чего состоит большая часть окружающего нас мира, либо
нужно перестраивать две фундаментальные физические теории, пытаясь увязать их
друг с другом. Ясно лишь, что общая теория относительности создавалась для
описания гравитации на космических масштабах и ее нельзя применять для работы с
квантовыми объектами, но какой-то общепринятой квантовой теории гравитации на
сегодняшний день не существует.
С большими оговорками выходит,
что мы представляем себе устройство лишь четырех процентов Вселенной. И чем больше мы узнаем о
ней, тем больше вопросов возникает.
Квантовые петли и теория струнДаже без учета парадокса
космологической постоянной гравитация – больное место для всей физики
элементарных частиц. Основной проблемой является то, что непонятно, какая
теория заменяет общую теорию относительности на квантовых масштабах. Мы умеем
описывать пространство и время на крупных масштабах. Но физики мечтают понять
саму природу пространства. В теории Эйнштейна пространство-время является
единой переменной, зависящей от характеристик объектов внутри ее. Квантовая
физика, в свою очередь, использует некое внешнее пространство-время, в которое
погружены частицы.
Как связать обе эти теории, на
сегодняшний день непонятно. Но существует множество предполагаемых решений этой
проблемы – 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 определенным
образом, что приводит к возникновению гравитации.
Согласно же теории струн, каждая
частица является двумерной вселенной с одним пространственным и одним временным
измерениями. При этом пространственное измерение имеет конечные размеры.
Например, оно может быть замкнуто в очень маленькую петлю. Такие объекты
называются струнами. И их колебания с разной частотой отвечают разным
элементарным частицам, которые мы наблюдаем, ведь с больших расстояний мы видим
маленькую струну как точечную частицу. За счет этого появляется возможность
элегантно связать все фундаментальные взаимодействия: гравитационное и
эл ...
)
){kind=avatar}
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
- Если Вы заметили ошибку, пожалуйста, выделите её мышкой и нажмите Ctrl+Enter
|
Выделите любой фрагмент прямо в тексте статьи и нажмите Ctrl+Insert
Мы весьма признательны всем, кто использует наши тексты в блогах и форумах. Пожалуйста, уважайте труд журналистов: не перепечатывайте в блогах статьи целиком (они всегда доступны по этому адресу), не забывайте ставить ссылки на полный текст на нашем сайте.
|
||||
...
