Будущее физики: в поисках Теории всего

Sigmund / Unsplash

«В физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого» — еще в 1900 году сказал британский физик лорд Кельвин. В последующие десятилетия физика доказала ошибочность его утверждения. В науке произошла настоящая революция после появления квантовой механики и теории относительности Эйнштейна, а сколько еще новых открытий нас ждет в будущем!

Даже сегодня, когда уже совершено так много значимых открытий, ни один физик в мире не может сказать, что мы наконец-то узнали все и изучать больше нечего. Более того, с каждым открытием мы попадаем в очередной тупик и перед нами встают новые неразрешенные проблемы.

В поисках связующего звена, которое объединило бы все законы природы, — «теории всего» —физики продолжают свою кропотливую работу. Как малое может быть объединено с немыслимо большим?

С помощью своего закона всемирного тяготения, Исаак Ньютон связал падение яблока с орбитами планет. Альберт Эйнштейн в своей теории относительности сплел пространство и время в единую ткань. И сегодня все известные элементарные частицы аккуратно включаются в математическую структуру, называемую Стандартной моделью. Но наши физические теории по-прежнему полны разногласий, пробелов и несоответствий. Чтобы прийти к той самой «теории всего» нужно для начала найти ответы на все эти вопросы.

Перед современной физикой стоит немало проблем, над решениями которых из года в год бьются ученые. К ответам на некоторые вопросы мы уже почти приблизились, а другие по-прежнему остаются для нас полной загадкой.


Темнее темного

Вы прямо сейчас во время чтения этой статьи движетесь. Причем наше с вами движение происходит на огромных скоростях. Земля вращается вокруг своей оси на экваторе со скоростью 0,465 км/с и движется по орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Солнечная система со всем ее «содержимым» движется в Млечном Пути по винтовой спирали со скоростью 250 км/с. Млечный путь вместе с Большим и Малым Магеллановыми облаками входят в Местную группу галактик, которая тоже движется со скоростью около 700 км/с.

Земля вместе с Солнечной системой, двигаясь в Галактике со скоростью 250 км/с, пролетает за год 7884 млрд. километров. Куда несет нас неведомая сила — никто не знает, но Вселенная расширяется с ускорением. Это было установлено еще в конце прошлого века, благодаря уменьшению блеска удаленных «стандартных свечей» — объектов светимость которых была ранее известна, но впоследствии изменилась, что красноречиво говорило об их движении.

Все космологические теории, существовавшие ранее, утверждали обратное — Вселенная должна была замедляться, а на деле все происходит наоборот. Как объяснить этот феномен? Ученые попытались. Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар — самая старая аналогия этого явления. Галактики, которые расположены на поверхности шара, остаются неподвижными, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик остаются неизменными.

Стрела времени всегда направлена только в одну сторону. Она не извивается и не поворачивает. Самая распространенная гипотеза связывает стрелу времени с энтропией.

Существующие законы физики не могут объяснить нашу Вселенную. Хотя ученые действительно пытались, они регулярно заходили в тупик. Если брать в расчет только видимое вещество, то его гравитации явно недостаточно для удерживания галактик от распада на отдельные куски. Проблема скрытой массы требовала решения. В физике было немало случаев, когда у ученых не было оборудования, сумевшего бы найти им нечто, в существовании которого они были убеждены.

Самый яркий пример — тот самый загадочный бозон Хиггса с нулевым спином. О его существовании Питер Хиггс заявил еще в 1964 году, хотя поймать бозон тогда не представлялось возможным. Только в 2013 году ученые из ЦЕРНа подтвердили, что они действительно смогли обнаружить бозон Хиггса. Спустя полвека после своего открытия Питер Хиггс был награжден Нобелевской премией, но вернемся к видимому веществу.

Так как его гравитации недостаточно для удержания галактик от распада, а галактики все уже удерживаются, значит существует иной вид материи, обеспечивающий их стабильность. Ученые ввели гипотетическое вещество, которое взаимодействует с обычной материей только с помощью гравитации и не испускает электромагнитное излучение.

Хотя термин «темная материя» уже успел набить оскомину за десятки лет, воз и ныне там. На руках у ученых есть только косвенные доказательства ее существования — динамика систем галактик, галактик-спутников и шаровых скоплений возле них, кривые вращения галактик, гравитационное линзирование, распределение масс в сталкивающихся скоплениях галактик.

Одной лишь темной материи ученым показалось мало и они добавили еще и гипотетическую энергию, которая тоже была названа темной. Этот тип энергии был добавлен в математическую модель Вселенной для объяснения того самого расширения с ускорением, о котором мы говорили в самом начале.

Физики зайдут в очередной тупик без темной энергии — космологической константы, то есть неизменной энергетической плотности, равномерно распределенной по Вселенной. А самое интересное в этой теории — это количество темной энергии и материи. В модели физиков обычное видимое вещество составляет всего 4% Вселенной, темная материя — 22%, а темная энергия — 74%. Главная проблема для ученых — это прямое, а не косвенное доказательство их существования.

Гиганские волокна межгалактического газа. Они не видимы в видимом свете, но хорошо различимы в рентгеновском спектре. NASA/CXC/CfA/Kovács et al.

Все в этом мире асимметрично

Какая субстанция на Земле считается самой дорогой? Золото? Алмазы? Нефть? Такие предположения обывателя вызвали бы нервный смешок у физика, который знает, что нет ничего дороже антиматерии.

В 1999 году стоимость одного грамма антиводорода составляла 62,5 триллиона долларов. В 2006 году один грамм позитронов стоил около 25 миллионов долларов. Античастицы — это практически неуловимые двойники известных нам элементарных частиц, которые обладают тем же спином и той же массой, но отличаются по всем остальным характеристикам. Они состоят из антинейтронов и антипротонов, покрытых оболочкой из позитронов.

Античастицы образуют антивещество или антиматерию — вещество, которое стабильно в природе не образуется, но может синтезироваться при различных естественных процессах. Именно из-за отсутствия стабильности, античастицы так сложно «поймать». Во время изучения самых дальних уголков космоса, ученые так и не смогли обнаружить антиматерию.

Ее синтезируют искусственно в лабораториях. И антивещество представляет большой интерес не только для ученых, но и для военных. При столкновении элементарных частиц с античастицами они аннигилируются, а реакция сопровождается выделением фотонов и иных частиц с колоссальным выбросом энергии. Один грамм антивещества может спровоцировать взрыв мощностью в несколько килотонн.

Многие эксперты полагают, что именно такие позитронные бомбы в скором времени придут на смену ядерному оружию, но ученых куда больше интересует, почему обычного вещества во Вселенной так много, а антиматерии нет. Этот феномен, получивший название барионной асимметрии Вселенной не находит логического объяснения ни в общей теории относительности, ни в Стандартной модели. Условия для барионной асимметрии были сформулированы еще Андреем Дмитриевичем Сахаровым в одной из его работ, опубликованной в 1967 году.

Ученые не сидели сложа руки и уже успели разработать сразу несколько гипотез, которые объясняли бы барионную асимметрию Вселенной. Согласно самой простой и примитивной из них, изначальные условия расширения нашей Вселенной были асимметричными, что соответственно породило и барионную асимметрию.

Черные дыры нельзя назвать вечными. Они испаряются под действием излучения Хокинга. Скорость этого процесса напрямую зависит от физических характеристик объекта.

Действительно слишком просто — это объяснение буквально плавает на поверхности, поэтому физики решили копать более глубоко и отталкиваться от идеи о том, что изначально Вселенная была симметрична, а асимметрия возникла позже. По какой же причине подобное могло произойти?

Асимметрия могла возникнуть, как следствие несимметричности некоторых реакций. Барионная асимметрия возникала постепенно. Чем больше таких реакций происходило, тем больше материи накапливалось и тем меньше становилось антиматерии. В результате перевес оказался настолько сильным, что антиматерия в природе просто перестала стабильно образовываться.

Конечно, на такие процессы ушли миллиарды лет. Есть и еще несколько распространенных гипотез. Согласно одной из самых интересных, по пока, увы, недоказуемых, антиматерия при условии нарушения СР-инвариантности (нарушении комбинированной четности или неинвариантности законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы) может отделяться от материи с последующим поглощением черными дырами.

В этом случае должны гипотетически существовать тяжелые частицы, которые распадаются с сильным нарушением СР-инвариантности. Уже десять лет назад появилась еще одна свежая гипотеза — античастицы напрямую связаны с темной материей, частицы которой и являются носителями отрицательного барионного заряда. Так или иначе, у ученых нет ответа на животрепещущие вопросы, почему материи так много и куда же подевалась вся антиматерия, если она вообще когда-то существовала?

Подземная часть Большого адронного коллайдера во французской части проекта CERN. Shutterstcok

Вперед и только вперед

Ох, как бы каждому из нас хотелось вернуться в прошлое в определенный день, который стал судьбоносным. Изменить свое решение, пойти направо, а не налево, не произносить слова, сказанные вслух, поступить иначе. Эти мечты нашли свое воплощение в многочисленных фантастических фильмах и книгах.

Пожалуй, самой знаменитой машиной времени стал DeLorean DMC-12, на котором доктор Эммет Браун ездил в прошлое и в будущее вместе со своим напарником Марти МакФлаем. В реальности прошлое уже прошло, будущее еще не наступило, а мы вынуждены жить только настоящим. Так почему путешествия во времени невозможны? Точнее, почему время движется только вперед и его нельзя промотать назад до нужного момента? Почему вода, пролитая на ковре завтра, не может оставить на нем пятно еще вчера? Физики уже давно задаются этим вопросом.

Стрела времени всегда направлена только в одну сторону. Она не извивается и не поворачивает. Самая распространенная гипотеза связывает стрелу времени с энтропией. Энтропию можно назвать мерой хаоса в нашей Вселенной, но это не беспорядок в прямом смысле данного слова. Это мера того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную работу.

Земля вместе с Солнечной системой, двигаясь в Галактике со скоростью 250 км/с, пролетает за год 7884 млрд. километров. Куда несет нас неведомая сила — никто не знает, но Вселенная расширяется с ускорением.

Когда у вас мало такой энергии, энтропия системы высокая, а если ее много, то энтропия считается низкой. Теперь обратимся к единственному закону физики, у которого есть предпочтительное направление времени — второму закону термодинамики. Энтропия закрытой системы может только возрастать либо оставаться неизменной. Она никогда не снижается. Все, что мы делаем, приводит к увеличению энтропии.

Возьмите в руки любимую мамину вазу. У нее низкая энтропия. Теперь разбейте вазу. Ее энтропия увеличится. Казалось бы, что может быть проще, чем повернуть время вспять — собрать осколки и склеить их, восстановив вазу. Чем вам не машина времени? Увы, на сборку и склеивание осколков человек израсходует энергию, а значит энтропия снова возрастет и именно это по мнению многих физиков объясняет течение времени только в одном направлении.

Человек не может разделить кофе и молоко, которые были смешаны в чашке. Изначальное состояние низкой энтропии двигается к состоянию с более высокой энтропией с течением времени вперед.

Представьте себе комнату, которая наполнена холодными и горячими молекулами, расположенными в разных ее сторонах. Первые движутся медленно, а вторые очень активны. Если помещение закрыть и изолировать на некоторое время, то молекулы перемешаются, а комната будет наполнена частицами средней энергии. Энтропия возрастет и эта реакция необратима. По крайней мере она такой остается до тех пор, пока некая энергия не вмешивается в реакции, происходящие в закрытой системе, для которой и работает второй закон термодинамики.

Впервые способ обращения такой реакции вспять предложил Максвелл. Представим некое крошечное существо, которое олицетворяет эту энергию извне. Оно получило название «демон Максвелла». В комнате горячие и холодные молекулы перемешались, но посередине есть перегородка, которую «демон» открывает, пропуская холодные медленные молекулы только в правую сторону комнаты, а быстрые горячие — только в левую. Внешняя сила сортирует молекулы, оценивая их скорость, и уже через некоторое время все холодные молекулы окажутся отделенными от горячих. Такую систему уже нельзя назвать закрытой, но второй закон термодинамики этот эксперимент не нарушает.

«Демон» понижает энтропию только этой маленькой комнаты. Если к ней прибавить энтропию самого демона, из-за колоссальной энергии, которую он затрачивает на разделение молекул, общая энтропия все равно возрастает. Однако этот мысленный эксперимент наводит на крайне интересные мысли. Для молекул, которые живут в этой комнате время все также движется вперед! Оно не поворачивает вспять.

Если бы мы жили в карманной вселенной, а над нами проводил эксперименты невидимый «демон», мы бы все равно не смогли вернуться в прошлое. Выходит, что термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором мы воспринимаем ход времени. Кто же ее определяет? Физики не знают. Они также не знают, почему энтропия возрастает с момента Большого Взрыва.

Черная дыра и диск, светящейся, плазмы. Художественное представление. Shutterstok

Хороший аппетит — залог здоровья

Черные дыры фантастически прожорливы. Будучи деформацией в пространственно-временном континууме, они втягивают в себя все, что попадает за горизонт событий, включая пыль, газ и кванты света, из-за чего их и называют «черными». После пересечения определенной границы все частицы начинают двигаться к центру аномалии и нет такого способа, который помог бы им вернуться обратно или хотя бы изменить свое направление.

Черные дыры завтракают звездами и закусывают астероидами, разрывая их приливными силами и отправляя прямиком в сингулярность. Впервые концепция массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения, равна скорости света или превышает ее, была высказана физиком Джоном Мичеллом в 1784 году. Он составил собственную теорию, подробно расписал ее и отправил письмом в Королевское общество.

Для тел, плотность которых равна плотности Солнца, а радиус в 500 раз больше радиуса Солнца, вторая космическая на его поверхности будет равна скорости света. Из этого следовало, что свет не сможет покинуть астрономический объект, а значит в космосе он будет невидимым.

По мнению Мичелла, в космическом пространстве могли быть тысячи таких объектов. Увы, его идею практически никто в то время не поддержал, хотя на самом деле Мичелл смотрел в будущее, а его теория через добрую сотню лет приведет ученых к очередному великому открытию. Что же мешало физикам обратить на нее внимание?

Существующие законы физики не могут объяснить нашу Вселенную. Хотя ученые действительно пытались, они регулярно заходили в тупик.

Законы электродинамики Масквелла, которые использовались в классической физике и аннулировали фундаментальную значимость скорости света. Затем в науке произошла революция, которую провел не только Эйнштейн, но и Жюль Пуанкаре, Хендрик Лоренц, Карл Шварцшильд. Астрономы и физики не только доказали существование черных дыр, но и смогли получить напрямую в радиодиапазоне снимки этих объектов.

По современным представлениям в ядре абсолютно каждой крупной галактики есть своя сверхмассивная черная дыра. Млечный Путь тоже не стал исключением. В нашей галактике есть Стрелец А*. Это неактивная черная дыра, масса которой равна примерно четырем миллионам солнечных.

Что едят черные дыры? Они пожирают буквально все, в том числе и само время. Ради удовлетворения их непомерных аппетитов погибают даже огромные звезды. Сила гравитации черных дыр превращает их в огромных космических пауков, которые оплетают паутиной свое логово. Как только звезда попадает в эти путы, ее смерть уже неизбежна. Сила гравитации черных дыр сплющивает объекты, разрывает их на куски и уничтожает без остатка.

Пожалуй, самой драматичной и эффектной становится смерть белых карликов. Непосредственно перед поглощением термоядерные реакции внутри такого объекта затухают. Когда приливные силы одновременно растягивают и сжимают звезду, возникает колоссальное давление, которое напоследок совсем ненадолго заново запускает термоядерный процесс. Белый карлик перед своей смертью невероятно ярко вспыхивает.

Итак, ученые знают, что дыры едят все, что им подвернется, но что происходит дальше со «съеденной» информацией? Запустите в нее зонд и вы не получите никакого ответа. Черные дыры тоже нельзя назвать вечными. Они испаряются под действием излучения Хокинга. Скорость этого процесса напрямую зависит от физических характеристик объекта.

Вернемся к нашему зонду. После попадания в черную дыру данные о нем теряются. Точно также полностью теряются данные о булыжнике той же массы, что и зонд, который попал под действие приливных сил. И вот здесь возникает серьезный парадокс. Согласно законам квантовой физики, информация не может потеряться или скопироваться. Если у вас есть данные о состоянии объекта, то с их помощью вы можете рассчитать и его последующие состояния.

Вещество, которое проходит через черную дыру эту информацию теряет. У нас получается парадокс, решение которого играет ключевую роль для построения законов квантовой гравитации. На данный момент у этой проблемы решения нет.

Shutterstock

Еще немного о проблематике

Мы рассмотрели более подробно только небольшую часть проблем, которые уже сегодня пытаются решить физики в разных странах. Они проводят сутки в лабораториях и тратят все свое время на вычисления, проверяют догадки, разочаровываются, ошибаются, но берутся за свою работу снова и снова.

В 1999 году стоимость одного грамма антиводорода составляла 62,5 триллиона долларов. В 2006 году один грамм позитронов стоил около 25 миллионов долларов.

Еще осталось очень много пробелов в теории Большого взрыва. Ученые так и не сумели обнаружить гипотетический гравитон или доказать теорию Мультивселенной или найти космические струны, которые подтверждали бы популярную теорию струн. Хотя и сделано было уже немало.

Например, физики измерили анизотропию реликтового микроволнового излучения и обнаружили гравитационные волны, бозон Хиггса, истинные кварки, пентакварки и тетракварки. Наконец-то удалось распутать загадочное дело квазаров — астрономических объектов, которые излучают колоссальную энергию. Физики даже сумели более точно определить возраст Вселенной, снизив погрешность за счет включения в космологическую модель темной энергии. Физика не стоит на месте и решение одних проблем вдохновляет на поиски ответов на другие, не менее важные вопросы.

«С самого зарождения цивилизации люди отказывались считать явления лишенными взаимосвязей и необъяснимыми. Они жаждали постичь лежащий в основе всего миропорядок. Сегодня мы все еще стремимся узнать, откуда и каким образом появились мы в этом мире. Фундаментальная тяга человечества к знанию — достаточное основание для продолжения поисков. И мы не удовольствуемся меньшим, чем полное постижение Вселенной, в которой мы живем» — писал Стивен Хокинг в своем международном бестселлере «Краткая история времени».


Источник: