Пяць фактаў, якія не даюць спаць фізікам
Група ядзершчыкаў расказала пра самыя важныя загадкі прыроды.
Уся фізіка як навука выражаецца ў даследаванні найбольш фундаментальных пытанняў навакольнага свету, таму нядзіўна, што фізікі пастаянна думаюць пра некалькі асноўных пытанняў адносна сусвету. Нядаўна групу фізікаў-ядзершчыкаў папрасілі назваць адкрытыя пытанні ў фізіцы, на якія яны больш за ўсё хацелі б атрымаць адказы. Scientific American.
Які лёс чакае наш сусвет?
Як вядома, паэт Роберт Фрост аднойчы спытаў, як скончыцца сусвет, у агні ці ў лёдзе. І фізікі да гэтага часу не могуць адказаць на гэтае пытанне. Будучыня сусвету — гэтае пытанне назваў Стыў Уімпені з Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Рыверсайдзе — шмат у чым залежыць ад цёмнай энергіі, якая цяпер застаецца невядомай велічынёй.
Цёмная энергія адказная за паскарэнне пашырэння сусвету, аднак паходжанне гэтай энергіі застаецца загадкай.
Калі цёмная энергія стане з часам пастаяннай, то, імаверна, у будучыні нас чакае «вялікі холад» — у гэты момант сусвет будзе пашырацца ўсё хутчэй і хутчэй, і ў выніку галактыкі апынуцца так далёка адна ад адной, што касмічная прастора будзе здавацца велічэзнай пусткай. Калі цёмная энергія будзе ўзрастаць, то пашырэнне можа стаць яшчэ больш інтэнсіўным, і тады не толькі прастора паміж галактыкамі, але і прастора ўнутры іх будзе пашырацца, і тады самі галактыкі разляцяцца на шматкі. Гэты варыянт прадказання атрымаў назву «вялікі разрыў».
Яшчэ адна магчымасць палягае ў тым, што цёмная энергія будзе памяншацца, і ў такім выпадку яна ўжо не зможа супрацьстаяць цэнтраімклівай сіле гравітацыі, што прывядзе да адступлення сусвету ўнутр сябе ў працэсе «вялікага сціскання» (big crunch). Гэта значыць, у любым выпадку мы асуджаныя.
Што да светлага боку, то ні адна з гэтых магчымых падзей не адбудзецца ў найбліжэйшыя мільярды або нават трыльёны гадоў — дастаткова часу для вырашэння пытання аб тым, які варыянт абраць, агонь ці лёд.
У базоне Хігса няма абсалютна ніякага сэнсу. Чаму ён тады існуе?
Тон гэтага пытання насмешлівы. Задае яго Рычард Руіс з Пітсбургскага ўніверсітэта, аднак само па сабе пытанне паказвае на рэальнае неразуменне прыроды часцінкі, якая была адкрытая ў мінулым годзе на Вялікім адронным калайдары у Еўропе. Базон Хігса дапамагае растлумачыць, якім чынам усе астатнія часцінкі атрымалі сваю масу, аднак ён падымае і вялікую колькасць іншых пытанняў. Чаму, да прыкладу, базоны Хігса па-рознаму ўзаемадзейнічаюць з іншымі часцінкамі: верхні кварк больш моцна ўзаемадзейнічае з базонам Хігса, чым электрон, што дае верхнім кваркам большую масу, чым электрону.
«Гэта толькі адзін прыклад дзеяння «неўніверсальных» сіл у Стандартнай мадэлі», — падкрэслівае Руіс. Прынамсі базон Хігса ёсць першай фундаментальнай часцінкай, выяўленай у прыродзе з нулявым кручэннем. «Гэта зусім новы сектар Стандартнай мадэлі фізікі элементарных часцін, — адзначае Руіс. — Аднак мы не маем нават найменшага разумення аб тым, як гэта адбываецца».
Чаму сусвет збалансаваны такім дасканалым чынам, што можа існаваць жыццё?
З пункту гледжання імавернасці нас на самай справе тут наогул не павінна было быць.
Галактыкі, зоркі, планеты і людзі магчымыя толькі ў такім сусвеце, які пашыраўся з неабходнай хуткасцю ў свой ранні перыяд.
Гэтае пашырэнне кіравалася напрамкам ціску цёмнай энергіі вонкі, якая знаходзілася ў канфлікце з накіраванымі ўнутр гравітацыйнымі сіламі масы сусвету, дзе дамінавала нябачная субстанцыя, якую называюць цёмнай матэрыяй. Калі б суадносіны сіл паміж гэтымі элементамі былі іншымі, калі б, напрыклад, цёмнай энергіі было толькі крышачку больш пасля нараджэння сусвету, то прастора пашыралася б занадта хутка для таго, каб змаглі ўтварыцца галактыкі і зоркі. А калі б цёмнай энергіі было крышачку менш, то гэта прывяло б да калапсу ўнутры самога сусвету.
Але чаму ж, пытаецца Эрык Рамберг з лабараторыі Фермілаб у горадзе Батавія, штат Ілінойс, яны былі так добра збалансаваныя, што ўтварыўся сусвет, у якім мы можам жыць? «Нам невядомая фундаментальная прычына, — адзначае ён. — Няма сумневу ў тым, што колькасць цёмнай энергіі ў сусвеце ёсць найбольш дасканала наладжанай сістэмай у гісторыі фізікі».
Адкуль прыходзяць астрафізічныя нейтрына?
Нейтрына, якія валодаюць выключна вялікай энергіяй, як мяркуюць многія, ёсць вынікам сутыкнення хуткіх зараджаных часцінак, якія называюцца касмічнымі прамянямі, са светлавымі часціцамі (фатонамі) ва ўмовах фонавай касмічнай мікрахвалевай радыяцыі, што распаўсюджваецца ў сусвеце. Але што ж прыводзіць у рух гэты працэс і якім чынам касмічныя прамяні разганяюцца — гэта адкрытыя пытанні. Галоўная тэорыя ў тым, што матэрыя падае ў галодныя звышмасіўныя чорныя дзіркі, якія знаходзяцца ў цэнтры галактык, і такім чынам спараджае касмічныя прамяні, аднак доказаў гэтай гіпотэзы пакуль няма. Нейтрына, якія ўтварыліся, як мяркуюць, перамяшчаюцца з такой высокай хуткасцю, што кожная маленечкая часцінка мае такую ж колькасць энергіі ўнутры сябе, як і бейсбольны мяч, які ляціць з вялікай хуткасцю, (складаецца з мільярдаў мільярдаў атамаў). «Мы не можам нават зразумець, адкуль з'яўляюцца гэтыя часцінкі, - прызнаецца Абігейл Віерэг з факультэта касмалагічнай фізікі Каўлі Чыкагскага ўніверсітэта. — Высветліўшы гэта, мы зможам даведацца аб крыніцах паскарэння гэтых часцінак да выключна высокіх энергій».
Як атрымалася, што сусвет складаецца з матэрыі, а не з антыматэрыі?
Антыматэрыя падобная да матэрыі, толькі ў ёй усё наадварот. У яе такія ж якасці, як і ў таго рэчыва, з якога складаюцца планеты, зоркі і галактыкі, але адзін важны элемент у яе іншы — зарад. Сусвет, як мяркуецца, зарадзіўся з роўнай колькасцю матэрыі і антыматэрыі, але нейкім чынам матэрыя перамагла, і ў выніку значныя часткі абедзвюх субстанцый знішчылі адна адну ў час вялікага выбуху, пасля чаго засталася толькі невялікая колькасць матэрыі. Чаму антыматэрыя прайграла спаборніцтва ў перацягванні каната, ніхто не ведае. Для тлумачэння такога дыспарытэту навукоўцы займаюцца пошукамі працэсу, які атрымаў назву парушэння зарадавай цотнасці, пры якім часцінкі чамусьці раскладаюцца да матэрыі, а не да антыматэрыі. «Мы асабліва зацікаўленыя ў тым, каб зразумець наступнае: ці адрозніваюцца ваганні нейтрына ад ваганняў антынейтрына, — адзначае Алісія Марына з Каларадскага ўніверсітэта, якая падзялілася сваімі поглядамі з часопісам Symmetry. — Пакуль яшчэ гэтага не ўдалося ўбачыць, але мы спадзяемся, што ўдзельнікі наступных пакаленняў эксперыментаў змогуць больш дэталёва ў гэтым разабрацца.
