П'ять загадок, з якими фізика не в змозі справитись

Статті

20.11.2013 15:17

Статті

У сучасній науці чим більше нових відкриттів, тим більше виникає запитань.

Чим більше відкриттів, тим більше загадок

У сучасній науці чим більше нових відкриттів, тим більше виникає запитань.

Журнал Symmetry вирішив провести опитування серед фізиків на тему найбільших таємниць у науці, і зробив це в цікавій формі. Вчених попросили написати на плакаті запитання, відповідь на яке вони найбільше хотіли б дізнатись.

Клер Московіц із Scientific American вибрала 5 популярних прикладів запитань, які довгі роки не дають фізикам спати.

Що буде далі з нашим Всесвітом?

Американський поет, лауреат Пулітцеровської премії Роберт Фрост написав:

Деякі кажуть, що від вогню загине світ,

А деякі говорять: «Смертю стане лід».

Відповісти на дилему “що знищить Всесвіт?” фізики не можуть. Питання про долю нашого Світу підняв Стів Вімпені з Університету Каліфорнії.

Справа в тому, що відповідь залежить в першу чергу від темної енергії — феномену, який поки що ніхто не може пояснити. Залежно від її природи, Всесвіт можуть спіткати різні варіанти розвитку подій.

Фізики знають, що зараз Всесвіт постійно розширюється з певним прискоренням. Відомо, що темна енергія відіграє в цьому важливу роль.

Але що таке темна енергія?  Звідки вона береться, залишаєтсья таємницею. Гіпотетично, темна енергія дуже рівномірно розподілена у Космосі, і вона не вступає ні в яку взаємодію із матерією, окрім гравітаційної. Її навряд чи вдасться виявити за допомогою експериментів.

Існує два варіанти пояснення природи темної енергії — це або космічна константа із незмінною щільністю, яка рівномірно заповнює Космос, або динамічне поле, щільність якого змінюється у часі і просторі. Від відповіді на це запитання залежить і доля Всесвіту.

Якщо темна енергія постійна, а Світ розширюється, то в майбутньому його спіткає “велика заморозка”. Всесвіт збільшуватиметься швидше і швидше, і в результаті галактики настільки віддаляться одна від одної, що Космос перетвориться на суцільний великий пустир і застигне.

У випадку, якщо темна енергія зібльшується з часом, розширюватиметься не тільки відстань між галактиками, а й простір всередині них. Тому у якийсь момент галактики “розірвуться на шматки”. У такому випадку Космос спіткає так званий “Великий Розрив”.

Існує ще одна теорія — темна енергія зменшується. Тоді вона не зможе протистояти силі гравітації, спрямованої в центр Всесвіту, і світ “всмокчеться сам у себе”. Таким чином відбудеться “Велике стиснення”.

У будь-якому випадку ми приречені, але — хороші новини! - це станеться через мільярди чи трильйони років. До того часу вже якось визначимось, що нас уб'є — вогонь чи лід.

Яким буде кінець Всесвіту, передбачити важко

Бозон Хіггса — суцільна нісенітниця. Чому він існує?

Таке іронічне запитання поставив Річард Руз із Пітсбурзького університету. Бозон Хіггса або “частинку бога” відкрили завдяки експерименту у Великому адронному колайдері минулого року. Пітер Хіггс і Француа Енглер отримали Нобелівську премію за свою теорію, яку вони створили ще в 50-х, але остаточно підтвердили тільки у 2012.

Бозон Хіггса пояснює, як частинки матерії набувають своєї маси.

Професори з ЦЕРНу знайшли чудовий наглядний спосіб, щоб пояснити, як працює бозон Хіггса.

Припустимо, кільканадцять фізиків сидять в аудиторії і розмовляють між собою. Раптом в аудиторію заходить красива і відома, жінка-професор. Вчені звертають на неї увагу.

В аудиторію заходить жінка-професор

Науковці відразу оточують професора і спілкуються з нею. Жінка намагається пройти в протилежний кінець залу, але їй важко «пробитись» через натовп шанувальників. А от якщо вона раптом стане важчою, їй стане простіше просуватись через «стіну» вчених. У даній алегорії жінка-професор – це елементарна частинка, а фізики навколо неї – бозони Хіггса.

Вчені наколо неї - бозони Хіггса

Таким чином, частинка, яка сильно взаємодіє із полем Хіггса (оточена багатьма «шанувальниками»), здатна набувати більшу масу, щоб рухатись.Тепер в приміщення заходить незнайомий чоловік. Кілька фізиків підходять до нього і починають розмову. Але, якщо професор захоче перейти в іншу точку, ці кілька людей йому не заважатимуть.

На іншу частинку діє менше бозонів Хіггса

За допомогою поля Хіггса частинки й усі предмети у Всесвіті мають масу. 

Але його існування викликає ще більше запитань: чому з різними частинками він взаємодіє по-різному? Наприклад, чому він діє на електрони слабше, ніж на кварки? Як він взагалі вибирає частинки, з якими більше взаємодіяти, з якими менше?

“Це — єдиний приклад неуніверсальної сили, яка діє у Стандартній моделі”, - розповідає Річард Руз. Бозон Хіггса є першою відомою на сьогодні частинкою із нульовим спіном. “Ця теорія створює абсолютно новий напрямок у сучасній фізиці. Як вона працює — ніхто не має уявлення”.

Чому Всесвіт сформований настільки бездоганним, що у ньому можливе життя?

Чесно кажучи, ми не повинні були тут з'явитись. Ерік Рамбер, який поставив запитання, цікавиться, чи людство з'явилось за збігом обставин.

Галактики, зірки і планети, якими ми їх знаємо, стали такими тільки через те, що Всесвіт розширювався із певною швидкістю у свої перші дні (дні?..) після народження у Великому вибуху.

Всесвіт почав розширюватись через те, що темна енергія, яка випромінювалась із його центру, “воювала” із силою гравітації, що тягнула її назад. Теоретично, гравітаційні ефекти створює космічна речовина, яку називають темною матерією (вона майже “невидима” для сучасної техніки через те, що не взаємодіє зі світлом).

Важливу роль відіграє те, як темна енергія “виривається” від гравітації. Якби, наприклад, вона була трішечки сильнішою, і після Великого вибуху змогла перемогти притягання темної матерії, то вона “втекла” б значно далі і Всесвіт би розширився так швидко, що зірки й планети просто не сформувались би.

А якби темна енергія виявилась занадто “слабкою”, то гравітація б її перемогла, і Всесвіт би згорнувся. Тобто, у Космосі все працює так налагоджено, і кожна деталь налаштована так досконало, що врешті решт ми з'явились на світ.

Ерік Рамбер дивується, яким чином Всесвіт настільки збалансований, і кількість темної енергії саме така, як потрібно для виникнення нашої планети і нашої раси. 

Великий вибух

Звідки взялись космічні нейтріно?

Нейтріно — це елементарні частинки із нейтральним зарядом, які беруть участь тільки у слабкій і гравітаційній взаємодії. 

Фізики вважають, що нейтріно з великою енергією, які можна знайти у Космосі, утворюються в результаті зіткнення  космічних променів із фотонами.
Але що керує цим процесом і чому космічні промені рухаються так швидко?

Космічні промені — це заряджені частинки високих енергій, які рухаються із величезним прискоренням. “Промені” існують за межами Сонячної системи, але зрідка потрапляють в атмосферу Землі. Вони гіпотетично можуть виникати із наднових зірок, як побачив телескоп Fermi. Але це не єдине їхнє джерело. 

Іще одна гіпотеза — космічні промені з'являються тоді, коли матерія потрапляє у супермасивні чорні діри, які знаходяться в центрі кожної галактики.

Космічні промені несуть дуже велику енергію — так одну частинку за кількістю енергії можна порівняти із бейзбольним м'ячем у польоті (який у стільки разів більший!).

Ебігейл Віріг із Університету Чікаго, яка зацікавилась даним питанням, пояснила: “Ми навіть близько не здогадуємся, звідки беруться ці речі [космічні промені]. Якщо нам вдасться з'ясувати, то ми дізнаємось про джерело надзвичайно великої енергії, яке надає прискорення частинкам”.

Космічні промені входять в атмосферу Землі у вигляді "душів" з частинок

Чому Всесвіт зроблений з матерії а не антиматерії?

Антиматерія недарма так називається. Вона точно така ж, як і все, з чого складається світ навколо нас, але є нюанс: в антиматерії заряд частинок має зворотні знаки. Тобто, всі елементарні частинки мають своїх побратимів — античастинки. Відповідно вони можуть складатись в антиатоми та антимолекули.

Коли Весвіт народився, кількість матерії та антиматерії в ньому була однаковою. Через протилежні заряди вони поглинули одна одну, після чого залишилась тільки невелика кількість матерії — з неї і сформувались всі галактики, зірки й планети.

Але чому лиха доля спіткала антиматерію? І чому два види частинок у рівній кількості не з'їли один одного, а залишилась решта, з якої міг сформуватись величезний Космос?

Фізики-прихильники теорії СР-симетрії вважають, що частинки з певних причин надають перевагу перетворенню у матерію. 

“Ми зараз спостерігаємо за перетворенням нейтріно із одного виду в інший, і намагаємся простежити, чи відрізняється цей процес у нейтріно та антинейтріно”, - розповідає Алісія Маріно із Університету Колорадо, автор питання. “Ми сподіваємось, наступна серія експериментів розставить крапки над “і”.

Вчені можуть штучно отримувати антиматерію - наприклад, їм вдалось створити і "затримати" антиводень

За матеріалами: Scientific American