Естественные науки

Открытия на горизонте физики и астрономии

9 февраля 2018 0

Физика, открытие, энергия

 

В 2012 году Большой адронный коллайдер открыл бозон Хиггса, это стало кульминацией десятилетней охоты на так называемую частицу бога. Открытие гравитационных волн с помощью детектора LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) в 2017 году, за которое трое ученых — Райнер Вайс, Барри Бэриш и Кип Торн — получили Нобелевскую премию по физике, произошло спустя 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн предсказал это явление. Но даже сейчас, с такими крупными прорывами в физике в нашем понимании мироздания, пока еще остаются огромные пробелы, которые ученым только предстоит заполнить. Что же ждёт нас дальше?

Суперсимметрия

Стандартная модель — это набор уравнений, который описывает, как взаимодействуют известные нам элементарные частицы с тремя из четырех фундаментальных сил Вселенной: слабым и сильным ядерными взаимодействиями, а также электромагнетизмом. На сегодняшний день стандартная модель главенствует в физике элементарных частиц, но она далеко не идеальна.

Она отлично связывает три фундаментальные силы, но не касается гравитации. Потому что она является самой слабой силой. Гравитация очень важна для физики, но ее описывает общая теория относительности Эйнштейна. Также стандартная модель не может объяснить наличия загадочного вещества во Вселенной, которое не дает галактикам развалиться и именуется тёмной материей.

Суперсимметрия же призвана расширить стандартную модель и дать ответы на многие вопросы. Суперсимметрия предполагает, что у каждой элементарной частицы должен существовать партнер “близнец”. Открытый в 2012 году бозон Хиггса оказался намного легче, чем это прогнозировала стандартная модель. Он должен был быть в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики при запуске Большого адронного коллайдера, так как бозон Хиггса взаимодействует с большим количеством частиц и, соответственно, придаёт им массу.

Наличие частиц-близнецов могло бы исправить положение и объяснить легкость бозона Хиггса: эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в его массу. И тогда бозон Хиггса стал бы легким, в соответствии с наблюдениями.

Плюс ко всему суперсимметрия могла бы объяснить тёмную материю. Ученые охотятся за ней уже более сорока лет и все еще не могут её обнаружить. Неуловимые частицы тёмной материи могут оказаться теми самыми суперсимметричными частицами. Они будут носить нейтральный заряд, не рассеивать свет и едва ли взаимодействовать с другими, уже привычными нам, частицами. Таких же свойств ученые ждут от тёмной материи. Еще пока никто не нашел ни малейшего доказательства суперсимметрии, тем не менее эта теория не сдаёт позиции. Кто знает, что ждёт нас в ближайшем будущем.

Стандартная модель

Стандартная модель

 За пределами стандартной модели

Стандартная модель, как уже говорилось выше, не идеальна. У нее есть проблемы, и потому она не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Ученые уверены, что стандартная модель — это лишь небольшая часть более глубокой теории, которая могла бы полностью описать микромир.

На данный момент уже существует большое количество различных теорий. Их называют новой физикой, и, естественно, они включают в себя те элементы, что не входят в стандартную модель. Суперсимметрия, кстати, также является одной из таких теорий. И её поиск на данный момент считается одной из важнейших задач Большого адронного коллайдера.

К тому же при создании стандартной модели в 80-х годах прошлого столетия слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую силу, которую физики называют электрослабой. Это объединение значительно упрощало теорию. И сегодня ученые небезосновательно подозревают, что при очень высоких энергиях происходит объединение сильного взаимодействия и электрослабого. Так появилась теория великого объединения. Она включает в себя три фундаментальных взаимодействия, без гравитации. Ученые надеются, что такая теория сможет объяснить, почему существует именно такое количество фундаментальных взаимодействий с именно такими свойствами.

Но все становится значительно сложнее при попытке объединить все четыре взаимодействия в единую теорию. Остро встаёт вопрос, как включить гравитацию в квантовое описание микромира? Тут и появляется теория суперструн с её этапами развития в виде М-теории и F-теории, претендующая на роль теории всего.

Согласно ей, фундаментальными объектами во Вселенной являются не точечные частицы, как в стандартной модели, а протяженные объекты — квантовые струны, которые совершают колебания и тем самым задают свойство материи.

Однако за способность объединить все четыре взаимодействия приходится платить сложностью теории — она работает лишь в 11-мерном пространстве, где десять пространственных измерений и одно временное. Если же измерений меньше, математические уравнения дают результаты, уходящие в сингулярность.

Все это существует пока только в поле теоретической физики, на бумаге. Но ученые работают над ней и ищут экспериментальные подтверждения этой красивой теории.

Тёмная материя и тёмная энергия

Для того чтобы Вселенная расширялась с такой интенсивностью, с которой мы наблюдаем за ее процессами, в ней должно быть очень много энергии и материи. Но проблема в том, что наблюдаемая нами материя, называемая барионной, составляет лишь 5 % от общего объёма Вселенной, и она образует все видимые нами объекты. С помощью гравитации ученые регистрируют 25 % темной материи, оставшиеся 70 % — это тёмная энергия.

По предположению ученых, тёмная материя представляет собой вещество, состоящее из новых, еще не открытых в земных условиях частиц. Эти частицы никак не взаимодействуют с фотонами, и потому они невидимы. Тёмная материя, как и обычное вещество, может собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях, только эти сгустки могут намного превышать размеры целых галактик.

Сегодня ученые во всем мире пытаются получить на Земле частицы тёмной материи с помощью специального оборудования и множества научно-исследовательских методов. Один из таких методов — проведение экспериментов в ускорителях частиц высокой энергии, то есть в коллайдерах. 

Тёмной материи во Вселенной значительно больше, чем барионной, но она составляет лишь четверть всего. Вселенная изобилует тёмной энергией. С момента Большого взрыва пространство постоянно расширяется. Ученые предполагали, что расширение давно должно было остановиться, но наблюдения демонстрируют нам, что оно только ускоряется. Это говорит о том, что во Вселенной огромное количество энергии, способное преодолеть гравитационные силы. Иначе бы наша Вселенная начала коллапсировать в саму себя.

темная материя, черная дыра

Одним из вероятных кандидатов на роль тёмной энергии является так называемая квинтэссенция — сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Некоторые называют её еще не открытой пятой фундаментальной силой. Помимо этого, существуют и другие кандидаты, например вакуум. Но пока ни один из них не ответил на вопрос, что такое тёмная энергия? Уже сейчас понятно, что тёмная энергия — это что-то совершенно необычное, то, с чем мы никогда не сталкивались. И это до сих пор остаётся одной из главных загадок физики XXI века.

Эпоха реионизации

Мы знаем основные факты о том, как началась наша Вселенная. Около 13,8 млрд лет назад произошел Большой взрыв, после чего Вселенная начала стремительно расширяться. Через несколько сотен миллионов лет стали формироваться первые галактики. Это время называется эпохой реионизации, и оно, по большому счету, покрыто тайной для астрономов.

На данный момент ученые уже получили снимки нескольких галактик с помощью космического телескопа “Хаббл”, образование которых приходится на начало этой эпохи. Экспериментальное изучение процессов формирования галактик в эпоху реионизации поможет понять, как Вселенная приобрела знакомую нам структуру.

Но их изучение осложняется отсутствием чувствительных приборов. Ученые надеются получить больше данных после ввода в эксплуатацию космического телескопа имени Джеймса Уэбба в 2019 году. Ведь он сможет заглянуть гораздо дальше в недра Вселенной, чем его предшественник “Хаббл”.

К тому же “Джеймс Уэбб” нацелен и на поиск внеземной жизни. Он сыграет ключевую роль в этом вопросе, так как технически оснащен лучше, чем любой другой космический телескоп, используемый сейчас для обнаружения планет, потенциально пригодных для развития жизни.

Выше описана только небольшая часть задач, стоящих перед современными физиками и астрономами. В действительности же их гораздо больше. Вселенная полна загадок. Чем больше мы получаем ответов, разгадываем тайн, тем больше появляется вопросов. Сможем ли мы ответить на них? Время покажет. А пока работа кипит.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

0 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться