Ko mēs nezinām fizikā

Fizikas docents Stīvens Nāns, 98. gada doktora grāds, uz sava biroja Ženēvā, Šveicē, stāv uz ugunsdzēsības kāpnēm, izbaudot vakara gaisu, uzskaitot dažus no Visuma lielākajiem noslēpumiem. Viņš saka, ka jautājums, pie kura viņš strādā, ir tik vienkāršs, ka bērns to varētu uzdot: no kurienes nāk masa?

Kosmiskais detektīvs: Profesore Gabriella Sciolla ir izveidojusi aparātu tumšās vielas noteikšanai.

Lai uz to atbildētu, ir jāpaskaidro, kāpēc pamatdaļiņām, kas veido visu Visuma matēriju, ir masa. Tātad Nahn un aptuveni 30 citi MIT pētnieki un studenti strādā pie eksperimentiem, lai palaistu lielo hadronu paātrinātāju, jauno daļiņu paātrinātāju, kas atrodas Eiropas Kodolpētniecības organizācijā. LHC ir vingrinājums galējībām: temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei, tas paātrinās daļiņas līdz augstākajai enerģijai, kāda jebkad eksperimentāli sasniegta, tā tūkstošiem spēcīgu magnētu virzīs protonus pa apļveida ceļu 27 kilometru apkārtmērā, līdz tie saduras. Plānots, ka instruments pilnībā sāks darboties vēlāk šogad, un Nahn uzskata, ka viņš pusi gada pavadīs, strādājot tur; viņa studenti un citi pētnieki lielāko daļu sava laika pavada LHC. Katrs vēlas būt daļa no komandas, kas pēta vienu no lielākajiem fizikas jautājumiem.

Man tas šķiet ironiski, nodomā Nans. Šķiet, ka jautājums ir ļoti vienkāršs, taču ir vajadzīgs milzīgs paātrinātājs un tūkstošiem fiziķu, kas pie tā strādā, lai mēģinātu atrast pareizo atbildi.

Daudzi citi jautājumi, kas virza MIT fiziķus, ir tikpat vienkārši. Vēl viens liels jautājums, ko LHC eksperimenti varētu atrisināt, attiecas uz aptuveni 23 procentiem Visuma - tā saukto tumšo matēriju, kuras esamība tiek secināta no gravitācijas ietekmes uz redzamiem objektiem. Fiziķi vienkārši nezina, kas tas ir. Kur ir visas lietas? Nahn saka, pa pusei jokojot. Jūs domājat, ka mēs to zinām.

Papildus informācija : 'Ko vēl mēs nezinām'

Būt fiziķim nozīmē saprast, ko mēs pārējie uzskatām par pašsaprotamu – ka objektiem ir masa, ka Visums sastāv no matērijas, nevis antimatērijas, ka gravitācija darbojas.

Fiziķi visā pasaulē šobrīd strādā, lai paplašinātu un pārskatītu Visuma daļu sarakstu — to sauc par standarta modeli, kas ir aptuveni 100 gadu pētījumu kompakta destilācija, kas mēģina aprakstīt daļiņas un spēkus, kas veido visas fiziskās parādības. Standarta modelī ir iekļautas 12 pamatdaļiņas, kas veido matēriju, kā mēs to zinām, kā arī tām līdzvērtīgās, bet pretējās antidaļiņas. Tas ietver četrus pamatspēkus, kas regulē daļiņu mijiedarbību: gravitāciju, elektromagnētismu (kas ir atbildīgs par gaismu, magnētismu un elektrību) un stipros un vājos spēkus (kas ir starpnieks mijiedarbībā atomu kodolos). Un tajā ir iekļautas daļiņas, kas nes četrus spēkus, lai gan gravitācijas spēks joprojām ir hipotētisks.

Šī sistēma saista visu, ko daļiņu fiziķi zina par patiesību. Tas stāsta, ka atomu kodoli, kas kādreiz tika uzskatīti par nedalāmiem, sastāv no protoniem un neitroniem; protoni un neitroni tālāk dalās daļiņās, ko sauc par kvarkiem, kuras kopā satur spēcīgais spēks, kura nesējs ir gluons.

Profesors Frenks Vilčeks, kurš 2004. gadā ieguva Nobela prēmiju fizikā par darbu pie spēcīga spēka, saka, ka standarta modelis ir labs pasaules darbības apraksts. Bet tas viss nesader tik labi, kā viņš un citi domā, ka tam vajadzētu būt. Eksperimentālu pierādījumu trūkums par gravitācijas nesēju gravitonu ir viens no neapmierinātības avotiem, lai gan MIT fiziķiem ir bijusi novatoriskā loma, mēģinot to atklāt, un pašlaik viņi modernizē iekārtas, kas varētu būt pirmās, kurām tas izdosies (sk. Einšteina viļņu ķeršana, maijs /1008. gada jūnijs). Un tas ir tikai viens no vairākiem galvenajiem vaļējiem galiem, ko MIT fiziķi cenšas sasaistīt.

Šim nolūkam viņi būvē tumšās vielas detektorus; fundamentālo daļiņu meklēšana, kas papildina mums zināmās; un ar nepacietību gaida daļiņu sadursmju rezultātus LHC, kas beidzot ļaus fiziķiem pārbaudīt gadu desmitiem ilgušo teorētisko darbu pie šiem mūsu Visuma skarbajiem matemātiskajiem aprakstiem.

Kāpēc lietām ir masa?

Par Nahn visvairāk intriģējošs trūkstošais puzles gabals ir masa. Viņš saka, ka, ja jūs vienkārši ņemtu vērā vistīrāko teoriju, tā jums pateiktu, ka visas [daļiņas] ir bezmasas. Neatkarīgi no tā, vai esat nespeciālists vai fiziķis, kas bruņots ar sarežģītiem daļiņu detektoriem, šī iespēja šķiet absurda. Elektroniem, kas veido niecīgu daļu no atsevišķu atomu masas, masa ir aptuveni 0,0005 giga-elektronvolti (GeV); smagākās fundamentālās daļiņas, augšējā kvarka, masa ir aptuveni 175 GeV. Kaut kā teorijā ir jāiekļauj veids, kā radīt šo masu daudzveidību, saka Nahn. Vienkāršākais veids, kā to izdarīt, ir ievietot citu daļiņu, ko sāka saukt par Higsa bozonu. Kas fotoni ir elektromagnētiskajam laukam, Higsa bozoni ir iespējamajam Higsa laukam, videi, kas ieskauj visu Visumā un mijiedarbojas ar elementārdaļiņām tādā veidā, kas piešķir tām masu.

Vilčeks saka, ka bez Higsa bozona mēs esam kā saprātīgu zivju rase, kas nezina, ka ir iegremdēta ūdenī. Šīm zivīm būtu lielākas izredzes izprast sava Visuma likumus, ja tās saprastu, ka vide, ko tās uzskata par pašsaprotamu, ir materiāls, kas mainīja viņu pārvietošanās veidu, saka Vilčeks. Tāpat, ja pieņemam, ka tas, kas mums šķiet tukša vieta, ir vide… mums ir jaukāki vienādojumi nekā citādi. Bet mēs nezinām, kā izskatās [Higsa bozons] – it kā mēs nebūtu redzējuši ūdens molekulas.

Fiziķi labprāt atzīs, ka nezinātājam hipotētisku, nekad neredzētu daļiņu piesaukšana, lai atrisinātu problēmas ar savām teorijām, var šķist izdomāta vai pat, Nāna vārdiem sakot, mazliet traka. Taču šī pieeja jau iepriekš ir izrādījusies pamatota. 19. gadsimta beigās Dmitrijs Mendeļejevs izstrādāja periodisko tabulu un paredzēja vairākus ķīmiskos elementus, kas pēc tam tika novēroti, tostarp galliju un germāniju. 1931. gadā Pols Diraks postulēja antimatērijas esamību, lai izskaidrotu mulsinošas sekas vienādojumam, kuru viņš bija atvasinājis, lai saskaņotu mūsu izpratni par elektroniem ar relativitātes teoriju. Un MIT Vilčeks prognozēja gluonu, kas tika tieši atklāts 1979.

Tā kā Higsa bozoni ir ļoti nestabili, vienīgais veids, kā tos novērot, ir izveidot to augstas enerģijas sadursmē. Un neviens iepriekšējais daļiņu paātrinātājs nebija pietiekami spēcīgs, lai radītu ticami nosakāmu skaitu Higsa bozonu, kuru masa ir no 114 GeV līdz 184 GeV. Tomēr LHC sagraus protonus kopā ar enerģijām, kas ir septiņas reizes lielākas par tām, kas tiek sasniegtas ar jaudīgāko paātrinātāju, kas pašlaik darbojas. Mums ir jāatrod šī Higsa daļiņa vai kaut kas tamlīdzīgs šajā enerģijas skalā, saka Nahn. Fiziķi cer, ka viņi atradīs Higsus, jo, ja viņi to neatradīs, viņi būs spiesti secināt, ka standarta modeļa masas problēmai ir sarežģītāks risinājums. Bet daudziem no viņiem, tostarp Nanam, tas ir pietiekami aizraujoši, lai beidzot varētu eksperimentāli pārbaudīt Higsa teoriju. Plānots, ka jaunais koliders, kas tika slēgts remonta dēļ neilgi pēc tā atvēršanas rudenī, atkal darbosies 2009. gada pavasarī; līdz tam laikam Nahn un viņa studenti strādā pie programmatūras, kas uzraudzīs viena no LHC detektoru darbību un galu galā analizēs tā ģenerētos datus (skatiet The Making of a New Collider, 2008. gada maijs/jūnijs).

Vai četri spēki ir vienoti?

Teorētiķi, piemēram, Vilčeks, arī cenšas padarīt pašu standarta modeli matemātiski skaistāku un eksperimentāli dzīvotspējīgāku. Katram no četriem spēkiem ir savs regulējošo vienādojumu kopums. Taču vienādojumi ir neviendabīgi, saka Vilčeks. Viņš un citi tomēr uzskata, ka spēki ir kā matemātiskā kauliņa četras puses. Tie ir diskrēti, bet katrs ir arī daļa no veseluma. Vilčeks norāda, ka, lai gan spēkiem parasti ir dažādas stiprības, daļiņām, kas atrodas ļoti tuvu viena otrai, tiem ir vienāds spēks. Tas liek domāt, ka matemātiskais impulss apvienot spēkus veselumā, ko pārvalda grandiozā apvienošanās teorija, ir uz pareizā ceļa. Elektromagnētisms un vājais spēks matemātiski sader kopā pietiekami labi, ka jau tagad tos bieži dēvē par vienu spēku – elektrovāju. Spēcīgā spēka vienādojumi ir līdzīgi elektromagnētismam un vājajam spēkam. Vilčeks saka, ka grūti iekļauties tajā ir gravitācija.

Var šķist dīvaini, ka fiziķi tik ļoti uzticas matemātikas prognozēm. Tomēr Vilčeks saka: es neuzticos saviem uzskatiem, ja vien daba mūs neiedrošina. Viņš atzīmē, ka, iespējams, nav nejaušība, ka vienādojumi ir tik līdzīgi. Viņš saka, ka spēkiem nebija jāsanāk kopā. Vienādojumiem nebija jāizskatās kā viena un tā paša kauliņa dažādām sejām.

Vilčeks vēl nav guvis gandarījumu, redzot apvienošanos eksperimentāli: fiziķiem vienkārši nav bijuši līdzekļi. Tomēr ir veids, kā pārbaudīt teoriju. Pievienojot standarta modelim vēl vienu daļiņu partiju, apvienošanas matemātika darbojas. Katra no šīm teorētiskajām supersimetriskajām daļiņām mijiedarbotos ar citām daļiņām tādā pašā veidā, kā to dara viena no zināmajām daļiņām, taču tā būtu daudz masīvāka. Vilčeks cer, ka LHC augstas enerģijas sadursmes radīs vismaz vienu supersimetrisku daļiņu. Tādi teorētiķi kā viņš ir strādājuši pie jautājumiem gadu desmitiem ilgi, nespējot tos pārbaudīt; Tagad viņš saka, ka eksperimentālisti tuvojas.

Kas ir tumšā matērija?

Gabriella Sciolla, MIT fizikas asociētā profesore, cer apstiprināt supersimetriju, veicot eksperimentus ar tumšo vielu. Novērojot galaktiku un citu debess objektu gravitācijas mijiedarbību, fiziķi zina, ka Visumā ir daudz vairāk masas, nekā viņi var aprēķināt, meklējot veidus, kas identificēti ar standarta modeli. Šo trūkstošo masu sauc par tumšo vielu, jo tā nesadarbojas ar fotoniem. To nevar redzēt ar optiskajiem vai rentgena teleskopiem. Protams, esmu nedaudz neobjektīvs, bet man visinteresantākais atklātais jautājums fizikā ir: Kas ir tumšā matērija? saka Sciolla. Viens vienkāršs skaidrojums ir tāds, ka to veido viena vai vairākas supersimetriskas daļiņas.

Ēkas NW13 iekšienē bezlogu plēnes bloku telpā, ko viņas pētnieku grupa sauc par cietumu, Sciolla testē jaunu aparātu, ko sauc par Tumšās matērijas laika projekcijas kameru — būtībā lielu nerūsējošā tērauda gāzes tvertni, ko papildina divas digitālās kameras. . Detektora darbības princips ir vienkāršs. Kad tumšās vielas daļiņa ietriecas gāzes atomā, atoms atsitās, izsitot vaļējus elektronus, ko uztvers kameras. Izsekojot šo elektronu ceļus, Sciolla varēs redzēt ne tikai to, ka daļiņa ietriecās, bet arī no kura virziena. Tas būs svarīgi, lai noteiktu, vai detektors patiešām redz tumšo vielu, nevis kaut ko citu. Ja, kā uzskata daudzi fiziķi, mūsu galaktika griežas cauri stacionāram tumšās matērijas apgabalam, tad tumšajai vielai vajadzētu ietriekties Sciollas detektora atomos kā lietum, kas skar braucošas automašīnas vējstiklu. Šī lietus virzienam vajadzētu mainīties par aptuveni 90º ik pēc 12 stundām, jo ​​Zemes rotācijas ass ir aptuveni 45º attiecībā pret tumšo vielu.

Sciolla un viņas pētnieku grupa izvietos savu detektoru pazemes laboratorijā, lai izolētu to no kosmiskajiem stariem, kas ir galvenais trokšņa avots, un viņi pavadīs 2009. gadu, apkopojot provizoriskos datus, lai pierādītu, ka koncepcija darbojas. Pēc gada Sciolla cer iegūt viena kubikmetra detektoru, kas būs 50 reizes jutīgāks; pēc pieciem gadiem viņa cer iegūt dažus simtus kubikmetru lielu detektoru.

Tumšās matērijas daļiņu atrašana būtu fiziķa līdzvērtīga džekpota iegūšanai. Visi šie lielie jautājumi fizikā ir kaut kādā veidā saistīti, saka Sciolla. Tumšā matērija ir viena atbilde, kas apmierinātu tik daudz dažādu neatbildētu jautājumu dažādās fizikas jomās. Tā noteikšana sniegtu pārliecinošus pierādījumus par supersimetriju.

Ja izrādīsies, ka tumšā matērija nesastāv no supersimetriskām daļiņām, bet no aksioniem, hipotētiskām daļiņām, kuru aprakstīšanai Vilčeks paveica svarīgu darbu, šis atklājums varētu radīt vēl vienu milzīgu jautājumu. Aksioni ir redzami ezotēriskā teorijā, kas izskaidro, kāpēc matērija (pretstatā antimaterijai) dominē Visumā, lai gan Lielais sprādziens radīja visas daļiņas un to antidaļiņas vienādos daudzumos.

Kas ir tumšā enerģija?

Pat ja tiek atklāta tumšā matērija un atklāta tās būtība, cita ziņkārīga parādība, ko fiziķi nodēvējuši par tumšo enerģiju, rada daudz citu jautājumu. Galaktikas atgrūž kāds atgrūdošs spēks, skaidro fizikas nodaļas vadītājs Edmunds Bertšingers. Pēdējās desmitgades mērījumi liecina, ka Visumu ir pārņēmis kaut kas līdzīgs gravitācijas atgrūšanai. Tas nozīmē, ka Visums paplašinās ar paātrinātu ātrumu, bet fiziķi nezina, kāpēc. Vai tas ir tumšās enerģijas dēļ? Vai arī tumšā enerģija ir tikai jēdziens, kas novērš fizikas likumu pārpratumus?

Neskatoties uz to nosaukumu līdzību, tumšā enerģija, iespējams, nav pilnīgi saistīta ar tumšo vielu, un tā ir daudz lielāka noslēpums. Ir ticami tumšās matērijas skaidrojumi, saka Bertschinger. Mums nav ticamu tumšās enerģijas modeļu, kam būtu jēga augstas enerģijas fizikas kontekstā. Bertšingera un daudzu citu veiktais darbs ir parādījis, ka būs ļoti grūti izstrādāt testus, lai atšķirtu tumšo enerģiju no modificētas gravitācijas formas. Tomēr Bertšingers veic teorētisku darbu, kas, viņaprāt, novedīs pie šādiem pārbaudījumiem nākamajā desmitgadē.

Šis ir liels laiks fizikā, saka Sciolla. Mēs ceram, ka tuvāko gadu laikā viss saņems atbildi. Un tad ko? Tad viņa un viņas kolēģi varētu būt bez darba, Sciolla joko. Taču, viņa piebilst, esmu pārliecināta, ka būs daudz jaunu jautājumu, kas paliks neatbildēti.

paslēpties