Заглянути «за фізику»

Відео: Фізика - перший і другий закони Ньютона

Вчені ось-ось покладуть останній цеглинка в стандартну модель будови матерії і пояснять, як влаштований світ. Куди рухатися далі?

Бозон Хіггса, який учені розраховують не сьогодні завтра знайти на Великому адронному колайдері, стане останнім цеглинкою в так званій стандартній моделі будови матерії. Коли його зафіксують на детекторах, все в світі стане на свої місця. Буде експериментально доведена теорія про те, що електрони, кварки та інші елементарні частинки отримують свою масу за рахунок взаємодії з поки що міфічним бозоном і відповідно всім стане зрозуміло, як влаштована наша Всесвіт.

Здавалося б, на цьому фундаментальні праці фізиків-теоретиків доведеться згорнути. Навіщо витрачати величезні гроші на дослідження і будувати суперускорітелі за мільярди доларів, коли всі завдання вирішені? Питання начебто логічний. Однак сьогодні теоретична фізика все ближче підходить до тієї області, яку з недавніх пір прийнято називати Beyond Physics, або «за фізикою». За гранню тих принципів і законів, які можуть описати і пояснити все, що відбувається в нашому світі, все, що доступно людині, його діям і експериментальним спостереженнями.

Дальше більше

Вченим стає зрозуміло, що дві гігантські черепахи - квантова механіка і загальна теорія відносності, - на яких стоїть сучасна фізика, не можуть винести всього обсягу знань і явищ, що відбуваються у Всесвіті. Цих основоположних теорій, що описують відповідно мікросвіт і наші уявлення про макросвіті, космосі, глобальних відстанях і розмірах, з деяких пір стало просто не вистачати. «Сьогодні вже не можна сказати, що це як раз ті дві теорії, за допомогою яких ми можемо розібратися в будь-якому явищі», - заявив «Підсумками» старший науковий співробітник сектора теоретичної астрофізики Фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе РАН Олександр Іванчик. Що ж таке, що не потрапляє в наші уявлення про Всесвіт, збираються описувати фізики?

«Можливо, існують настільки малі відстані, настільки гігантські маси і енергії, що сучасна фізика не може правильно описати відбуваються на цих масштабах явища - результати виходять абсурдними, - каже Олександр Іванчик. - Такі відстані, маси і енергії називаються Планка, або граничними. І хоча людина на сучасному етапі їх досягти не може, теоретичні розрахунки показують, що він не зможе їх і пояснити, спираючись на нинішні знання. Тому фізики зараз намагаються знайти теорію, яка не скасує дві існуючі, а буде більш загальної і вбере їх в себе ».

Ця теорія отримала назву «теорія суперструн», і про неї, до речі, вже багато чули. В теорії суперструн 11 вимірювань: 10 просторових і один часовий - все не так, як ми звикли. Поглянувши на світ ширше стандартної моделі, вчені зробили ряд відкриттів, які і почали складати список того, що доведеться пояснювати і шукати за рамками стандартної теорії.

Близнюки

Одним з таких явищ стала суперсиметрія. Суть її полягає в тому, що в світі крім всіх відомих елементарних частинок імовірно існує ще стільки ж - це двійники вже відомих. Єдина їх відмінність від електронів, протонів, фотонів та інших частинок полягає в тому, що вони володіють іншим спіном - цей термін все пам`ятають з хімії 8-го класу, він визначає напрям обертання частинки навколо своєї осі. Насправді все набагато складніше - ця характеристика поряд з масою і зарядом є своєрідним паспортом, індивідуальною особливістю, яка дозволяє розрізняти елементарні частинки в усьому їх різноманітті. Вона ж і ділить всі частинки на два великі класи - з цілочисельним спіном (бозони) і ті, які мають напівцілими спинами (ферміони). У суперсиметрії стверджується, що кожна частка має своїм суперсиметричних двійником - повною копією частки за винятком того, що у неї є протилежний по цілісності спин. «Тобто у електрона, який є ферміоном, є копія, і у неї цілісний спин, - розповідає Олександр Іванчик. - Така ж ситуація і з протонами, нейтронами, нейтрино і іншими ». До таких частинок додають приставку «с».

Відео: КВН Номер року! Іспит з фізики

Суперсиметрія відкрита поки тільки теоретично, але якщо ці частинки існують, то вони рано чи пізно будуть виявлені, хоча зробити це не дуже-то просто. Фізики стверджують, що суперсиметрія може існувати тільки на високих енергіях, які були в перші моменти зародження Всесвіту, а зараз ми знаходимося в області дуже низьких енергій. Тому, як вважають вчені, суперсиметрія порушена, а з-частинки мають гігантськими масами, і через це, як не парадоксально, ми їх не бачимо. Правда, Олександр Іванчик каже, що Великий адронний коллайдер здатний відтворити умови для появи суперсиметрії. «Можливо, вона буде породжена при лобовому зіткненні двох протонів», - припускає фізик. Існує, втім, одне але: з-частинки можуть виявитися занадто важкими навіть для коллайдера, тому їх можуть і не відкрити. Принаймні до появи прискорювачів наступних поколінь, більш потужних.

Нарівні з суперсиметрією вчені-теоретики щосили зайняті розгадкою таємниці п`ятого агрегатного стану речовини. Ті, хто намагається заглянути «за фізику», вважають, що крім чотирьох основних станів - твердого, рідкого, газоподібного і плазми - може бути і кварк-глюонна плазма. Вона, за розрахунками, повинна проявитися, якщо речовина, що знаходиться в плазмі, розігріти до ще більших температур, наприклад, зіштовхуючи важкі ядра свинцю, золота або урану. При цьому будуть зруйновані протони з нейтронами і, можливо, з`явиться кварк-глюонна плазма. Як її можна використовувати - поки загадка не менш складна, ніж сама теорія про її існування. Але вчені впевнені, що все вишукування коли-небудь знайдуть своє застосування для користі людини. Адже і без колись міфічної звичайної плазми сьогодні не представляється можливим, наприклад, звичайна сварка. Але поки питання про практичне застосування в «народному господарстві» не варто. Найголовніше зараз - зрозуміти, з чого вишикувалася вся матерія, яку можна побачити і помацати.

Відео: ФІЗИКА ЗА 5 ХВИЛИН - МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА

Хто не сховався ...

Олександр Іванчик стверджує, що в існуванні суперсиметрії і кварк-глюонної плазми сьогодні у вчених є досить велика впевненість. Вони теоретично досить сильно обгрунтовані, але за межею фізики продовжують народжуватися ідеї, які звичайній людині здаються зовсім вже фантастичними. Наприклад, спроба створити нову фізичну теорію струн привела вчених до твердження, що наш Всесвіт аж ніяк не тривимірна, а має принаймні 10 просторових вимірів. І це не фантастичні паралельні світи, а, як стверджується, звичайні вимірювання, тільки дуже сильно стислі, компактифицированного. Їх можна уявити собі, взявши звичайний листок паперу, згорнутий в трубочку. «Поки радіус циліндра досить великий, ви бачите його двомірним, - каже Олександр Іванчик. - Якщо радіус почати зменшувати, то він стягнеться в одновимірну пряму. Чим сильніше стискати, тим більше цей циліндр буде здаватися одновимірним ». В результаті чисто теоретично він зовсім пропаде з поля зору і, хоча фактично буде існувати, людина його бачити і відчувати перестане. Приблизно така ж ситуація і з втраченими вимірами у Всесвіті. «Якщо інші виміри компактифицированного і згорнуті до розмірів, менших, ніж розміри елементарних частинок, то тоді ми їх не бачимо і не відчуваємо», - продовжує фізик. Відчути ж їх можна, спробувавши розігнати частинки до гігантських швидкостей, на яких вони будуть вриватися в інші виміри. Для нас ці частинки будуть просто безслідно зникати. Більш того, перевірити цю теорію не так вже й складно - якщо на прискорювачі частинки зникають і при цьому не реєструється їх розпад на більш дрібні з виділенням розрахованих енергії і імпульсу, значить, інші виміри існують, і втрачені частинки потрібно шукати в них.

І якщо ця фантастична теорія виявиться правдою, то вона нарешті пояснить фізикам, чому гравітаційна взаємодія слабкіше всіх інших, наприклад електромагнітного. «Поясненням цього феномена може бути те, що на відміну від звичайних частинок, з яких побудований наш світ, гравітація здатна вільно поширюватися в усіх вимірах», - говорить Олександр Іванчик. Вона як би розмазується по всіх вимірах. Правда, ця ідея, незважаючи на свою красу, сьогодні видається більш гіпотетичної, ніж реальною.

І суперсиметрія, і кварк-глюонна плазма, якщо вони, звичайно, існують не тільки в теорії, повинні виникати сьогодні в будь-якому місці і в будь-який час за рахунок взаємодії космічних часток високої енергії з атмосферою. У цих зіткненнях напевно відбуваються і переходи матерії в інші виміри. І те, що зареєструвати ні того, ні іншого, ні третього не вдалося, вважають фізики, - питання недосконалості наших технологій. Але, можливо, через 50 або 100 років вчені все-таки будуть говорити про ці явища так само просто, як, наприклад, сьогодні - про плазмової дузі зварювального апарату.