211service.com
Ko mes nežinome fizikoje
Stovėdamas ant savo biuro Ženevoje (Šveicarija) priešgaisrinio laiptelio, fizikos docentas Stevenas Nahnas, 98 m. daktaras, mėgaujasi vakaro oru, vardydamas kai kurias didžiausias visatos paslaptis. Jis sako, kad klausimas, kurį jis dirba, yra toks paprastas, kad vaikas galėtų jo užduoti: iš kur atsiranda masė?
Kosminis detektyvas: Profesorė Gabriella Sciolla sukūrė aparatą tamsiajai medžiagai aptikti.
Norint atsakyti į jį, reikia paaiškinti, kodėl pagrindinės dalelės, sudarančios visą visatos materiją, turi masę. Taigi Nahnas ir apie 30 kitų MIT tyrėjų ir studentų dirba su eksperimentais, kuriuos atliks didelis hadronų greitintuvas – naujas dalelių greitintuvas, įsikūręs Europos branduolinių tyrimų organizacijoje. LHC yra ekstremalumo pratimas: esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, jis pagreitins daleles iki didžiausios kada nors eksperimentiškai pasiektos energijos, o tūkstančiai galingų magnetų nukreipia protonus 27 kilometrų perimetro apskritu keliu, kol jie susidurs. Numatyta, kad instrumentas visiškai pradės veikti vėliau šiais metais, o Nahnas mano, kad jis pusę metų praleis ten dirbdamas; jo studentai ir kiti mokslininkai didžiąją laiko dalį praleidžia LHC. Kiekvienas nori būti komandos, nagrinėjančios vieną didžiausių fizikos klausimų, dalimi.
Man tai ironiška, svarsto Nahnas. Tai atrodo labai paprastas klausimas, tačiau norint rasti teisingą atsakymą, reikia didžiulio greitintuvo ir tūkstančių fizikų.
Daugelis kitų MIT fizikus keliančių klausimų yra tokie pat pagrindiniai. Kitas svarbus dalykas, kurį galėtų išspręsti LHC eksperimentai, yra susijęs su maždaug 23 procentų visatos prigimtimi – vadinamąja tamsiąja medžiaga, kurios egzistavimas išplaukia iš gravitacinio poveikio matomiems objektams. Fizikai tiesiog nežino, kas tai yra. Kur visi daiktai? Nahn sako pusiau juokaudamas. Jūs manote, kad mes žinome.
Papildoma informacija : 'Ko dar mes nežinome'
Būti fiziku reiškia susimąstyti, ką mes visi laikome savaime suprantamu dalyku – kad objektai turi masę, kad visata susideda iš materijos, o ne iš antimedžiagos, kad veikia gravitacija.
Fizikai visame pasaulyje dabar siekia išplėsti ir peržiūrėti visatos dalių sąrašą – tai yra žinomas kaip standartinis modelis, kompaktiškas maždaug 100 metų tyrimų distiliavimas, kuriuo bandoma apibūdinti daleles ir jėgas, kurios lemia visus fizinius reiškinius. Standartinis modelis apima 12 pagrindinių dalelių, kurios sudaro mums žinomą materiją, ir joms lygias, bet priešingas antidaleles. Ji apima keturias pagrindines jėgas, reguliuojančias dalelių sąveiką: gravitaciją, elektromagnetizmą (kuris yra atsakingas už šviesą, magnetizmą ir elektrą) ir stipriąsias bei silpnąsias jėgas (kurios tarpininkauja sąveikai atomo branduoliuose). Ir tai apima daleles, kurios neša keturias jėgas, nors ta, kuri neša gravitaciją, lieka hipotetinė.
Ši sistema sujungia viską, ką dalelių fizikai žino esant tiesa. Jame pasakojama, kad atomų branduoliai, kurie kadaise buvo laikomi nedalomi, yra sudaryti iš protonų ir neutronų; protonai ir neutronai toliau skirstomi į daleles, vadinamas kvarkais, kurias kartu laiko stipri jėga, kurios nešiklis yra gliuonas.
Profesorius Frankas Wilczekas, 2004 m. gavęs Nobelio fizikos premiją už darbą su stipria jėga, sako, kad standartinis modelis yra geras pasaulio veikimo aprašymas. Tačiau visa tai nedera taip gražiai, kaip jis ir kiti mano, kad turėtų. Eksperimentinių įrodymų, susijusių su gravitacijos nešikliu, gravitonu, trūkumas yra vienas iš nusivylimo šaltinių, nors MIT fizikai atliko novatorišką vaidmenį bandydami jį aptikti ir šiuo metu atnaujina mašinas, kurios gali būti pirmosios sėkmės (žr. Einšteino bangų gaudymas, gegužės mėn. /1008 m. birželis). Ir tai tik vienas iš kelių pagrindinių laisvų galų, kuriuos MIT fizikai bando surišti.
Tuo tikslu jie kuria tamsiosios medžiagos detektorius; pagrindinių dalelių, kurios papildo mums žinomas daleles, paieška; ir nekantriai laukiame dalelių susidūrimų LHC rezultatų, kurie pagaliau leis fizikai išbandyti dešimtmečius trukusį teorinį darbą ties šiais ryškiais matematiniais mūsų visatos aprašymais.
Kodėl daiktai turi masę?
Nahnui labiausiai intriguojanti trūkstama dėlionės dalis yra masė. Jei paimtumėte paprasčiausią teoriją, ji jums pasakytų, kad visos [dalelės] yra bemasės, sako jis. Nesvarbu, ar esate pasaulietis, ar fizikas, apsiginklavęs sudėtingais dalelių detektoriais, tokia perspektyva atrodo absurdiška. Elektronų, kurie sudaro nedidelę atskirų atomų masės dalį, masė yra apie 0,0005 gigaelektronvoltų (GeV); Sunkiausios pagrindinės dalelės, viršutinio kvarko, masė yra apie 175 GeV. Kažkaip į teoriją turite įtraukti būdą, kaip sukurti šią masės įvairovę, sako Nahnas. Paprasčiausias būdas tai padaryti yra nustatyti kitą dalelę, kuri pradėta vadinti Higso bozonu. Kas fotonai yra elektromagnetiniam laukui, Higso bozonai yra tariamam Higso laukui – terpei, kuri supa viską visatoje ir sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis taip, kad suteikia joms masę.
Wilczekas sako, kad be Higgso bozono esame kaip protingų žuvų rasė, kuri nežino, kad yra panardinta į vandenį. Wilczek sako, kad šios žuvys turėtų daugiau galimybių suprasti savo visatos dėsnius, jei supras, kad aplinka, kurią jos laiko savaime suprantamu dalyku, yra medžiaga, pakeitusi jų judėjimą. Panašiai, jei darysime prielaidą, kad tai, kas mums atrodo kaip tuščia erdvė, yra terpė... turime gražesnes lygtis nei kitaip. Bet mes nežinome, kaip atrodo [Higso bozonas] – tarsi nebūtume matę vandens molekulių.
Fizikai lengvai pripažins, kad neišmanantiems žmonėms, pasitelkiant hipotetines, niekada nematytas daleles, kad išspręstų problemas, susijusias su jūsų teorijomis, gali atrodyti išgalvota ar net, Nahno žodžiais tariant, šiek tiek beprotiška. Tačiau šis požiūris pasirodė pagrįstas anksčiau. XIX amžiaus pabaigoje Dmitrijus Mendelejevas sukūrė periodinę lentelę ir numatė keletą cheminių elementų, kurie vėliau buvo pastebėti, įskaitant galį ir germanį. 1931 m. Paulas Diracas postulavo antimedžiagos egzistavimą, norėdamas paaiškinti mįslingą lygties, kurią jis išvedė, siekdamas suderinti mūsų supratimą apie elektronus su reliatyvumo teorija, pasekmes. Ir MIT Wilczek numatė gliuoną, kuris buvo tiesiogiai aptiktas 1979 m.
Kadangi Higso bozonai yra labai nestabilūs, vienintelis būdas juos stebėti yra sukurti jį didelės energijos susidūrimo metu. Ir jokie ankstesni dalelių greitintuvai nebuvo pakankamai galingi, kad sukurtų patikimai aptinkamą Higso bozonų skaičių, kurių, kaip prognozuojama, masė nuo 114 GeV iki 184 GeV. Tačiau LHC sudaužys protonus septynis kartus didesne energija, nei pasiekiama šiuo metu veikiančiu galingiausiu greitintuvu. Turime rasti šią Higgso dalelę ar kažką panašaus šioje energijos skalėje, sako Nahnas. Fizikai tikisi rasti Higgsą, nes jei to neras, bus priversti daryti išvadą, kad standartinio modelio masės problema turi sudėtingesnį sprendimą. Tačiau daugeliui iš jų, įskaitant Nahną, tai pakankamai įdomu, kad pagaliau galėtų eksperimentiškai išbandyti Higgso teoriją. Naujasis greitintuvas, kuris buvo uždarytas remontui netrukus po to, kai buvo atidarytas rudenį, planuojama vėl pradėti veikti 2009 m. pavasarį; iki tol Nahnas ir jo mokiniai dirba su programine įranga, kuri stebės vieno iš LHC detektorių veiklą ir galiausiai analizuos jo generuojamus duomenis (žr. The Making of a New Collider, 2008 m. gegužės / birželio mėn.).
Ar visos keturios jėgos yra vieningos?
Teoretikai, tokie kaip Wilczek, taip pat bando padaryti patį standartinį modelį matematiškai gražesnį ir eksperimentiškai perspektyvesnį. Kiekviena iš keturių jėgų turi savo valdymo lygčių rinkinį. Tačiau lygtys yra nevienodos, sako Wilczek. Tačiau jis ir kiti mano, kad jėgos yra tarsi keturios matematinio kabliuko pusės. Jie yra atskiri, bet kiekvienas taip pat yra visumos dalis. Wilczek pabrėžia, kad nors jėgos paprastai turi skirtingą stiprumą, dalelės, esančios labai arti viena kitos, jos turi tą patį stiprumą. Tai rodo, kad matematinis impulsas sujungti jėgas į visumą, valdomą didžiosios suvienijimo teorijos, yra teisingame kelyje. Elektromagnetizmas ir silpnoji jėga pakankamai gerai dera matematiškai, todėl jau dažnai jie vadinami viena jėga, elektrosilpne. Stipriosios jėgos lygtys yra panašios į elektromagnetizmo ir silpnosios jėgos lygtis. Wilczekas sako, kad sunku prisitaikyti prie gravitacijos.
Gali pasirodyti keista, kad fizikai taip pasitiki matematikos prognozėmis. Tačiau Wilczekas sako, kad aš nepasitikiu savo nuomone, nebent gamta mus padrąsina. Jis pastebi, kad lygtys yra tokios panašios, tikriausiai neatsitiktinai. Jis sako, kad jėgos neturėjo susijungti. Lygtys neturėjo atrodyti kaip skirtingi to paties kauliuko veidai.
Wilczekas dar nepasitenkino matydamas, kaip suvienijimas buvo patvirtintas eksperimentiškai: fizikai tiesiog neturėjo priemonių. Vis dėlto yra būdas patikrinti teoriją. Į standartinį modelį pridėjus dar vieną dalelių partiją, suvienodinimo matematika veikia. Kiekviena iš šių teorinių supersimetrinių dalelių sąveikauja su kitomis dalelėmis taip pat, kaip ir viena iš žinomų dalelių, bet būtų daug masyvesnė. Wilczekas tikisi, kad LHC didelės energijos susidūrimai sukurs bent vieną supersimetrišką dalelę. Tokie teoretikai kaip jis dešimtmečius dirbo su klausimais, negalėdami jų patikrinti; dabar, pasak jo, eksperimentatoriai vejasi.
Kas yra Tamsioji Medžiaga?
Gabriella Sciolla, MIT fizikos docentė, tikisi patvirtinti supersimetriją atlikdama eksperimentus su tamsiąja medžiaga. Fizikai, stebėdami galaktikų ir kitų dangaus objektų gravitacinę sąveiką, žino, kad visatoje yra daug daugiau masės, nei jie gali apskaičiuoti ieškodami standartinio modelio nustatytų rūšių. Ši trūkstama masė vadinama tamsiąja medžiaga, nes ji nesąveikauja su fotonais. Jo negalima pamatyti naudojant optinius ar rentgeno teleskopus. Žinoma, aš esu šiek tiek šališkas, bet man įdomiausias atviras fizikos klausimas yra: kas yra tamsioji materija? sako Sciolla. Vienas paprastas paaiškinimas yra tas, kad jį sudaro viena ar daugiau supersimetrinių dalelių.
NW13 pastato viduje, be langų, pelenų blokų patalpoje, kurią jos tyrimų grupė vadina požemiu, Sciolla išbando naują aparatą, vadinamą Tamsiosios medžiagos laiko projekcijos kamera – iš esmės didelį nerūdijančio plieno dujų baką su dviem skaitmeninėmis kameromis. . Detektoriaus veikimo principas yra paprastas. Kai tamsiosios medžiagos dalelė atsitrenks į dujų atomą, atomas atsitrauks, numušdamas laisvus elektronus, kuriuos aptiks kameros. Atsekdama šių elektronų kelius, Sciolla galės matyti ne tik tai, kad dalelė atsitrenkė, bet ir iš kurios pusės. Tai bus svarbu nustatant, kad detektorius iš tikrųjų mato tamsiąją medžiagą, o ne ką nors kita. Jei, kaip mano daugelis fizikų, mūsų galaktika sukasi per nejudantį tamsiosios materijos sritį, tamsioji medžiaga turėtų atsitrenkti į Sciolla detektoriaus atomus taip, kaip lietus trenktų į judančio automobilio priekinį stiklą. Šio lietaus kryptis kas 12 valandų turėtų kisti apie 90º, nes Žemės sukimosi ašis tamsiosios medžiagos atžvilgiu yra apie 45º.
Sciolla ir jos tyrimų grupė pastatys savo detektorių požeminėje laboratorijoje, kad izoliuotų jį nuo kosminių spindulių, pagrindinio triukšmo šaltinio, o 2009 m. jie rinks preliminarius duomenis, kad įrodytų, jog koncepcija veikia. Po metų „Sciolla“ tikisi turėti vieno kubinio metro detektorių, kuris bus 50 kartų jautresnis; po penkerių metų ji tikisi turėti net kelių šimtų kubinių metrų detektorių.
Tamsiosios medžiagos dalelių radimas prilygtų fiziko pasiekimui. Visi šie dideli fizikos klausimai yra kažkaip susiję, sako Sciolla. Tamsioji medžiaga yra vienintelis atsakymas, kuris patenkintų tiek daug įvairių neatsakytų klausimų įvairiose fizikos srityse. Jo aptikimas būtų tvirtas supersimetrijos įrodymas.
Jei paaiškės, kad tamsioji medžiaga susideda ne iš supersimetrinių dalelių, o iš aksionų, hipotetinių dalelių, kurias Wilczekas atliko svarbų darbą apibūdindamas, šis atradimas gali sukelti dar vieną didžiulį klausimą. Ezoterinėje teorijoje aiškinama, kodėl visatoje vyrauja materija, o ne antimedžiaga, nors per Didįjį sprogimą visų dalelių ir jų antidalelių atsirado vienodai.
Kas yra tamsioji energija?
Net jei tamsioji medžiaga būtų aptikta ir atskleista jos prigimtis, kitas keistas reiškinys, kurį fizikai pavadino tamsiąja energija, kelia daugybę kitų klausimų. Galaktikas stumia kažkokia atstumianti jėga, aiškina fizikos skyriaus vadovas Edmundas Bertschingeris. Pastarojo dešimtmečio matavimai rodo, kad visatą užvaldė kažkas panašaus į gravitacinį atstūmimą. Tai reiškia, kad visata plečiasi vis sparčiau, bet fizikai nežino kodėl. Ar tai dėl tamsios energijos? O gal tamsioji energija yra tik sąvoka, užlopanti klaidingą fizikos dėsnių supratimą?
Nepaisant jų pavadinimų panašumo, tamsioji energija tikriausiai visiškai nesusijusi su tamsiąja medžiaga ir yra daug didesnė paslaptis. Yra patikimų tamsiosios medžiagos paaiškinimų, sako Bertschinger. Neturime patikimų tamsiosios energijos modelių, kurie būtų prasmingi didelės energijos fizikos kontekste. Bertschingerio ir daugelio kitų atliktas darbas parodė, kad bandymus atskirti tamsiąją energiją nuo modifikuotos gravitacijos formos bus labai sunku. Tačiau Bertschingeris atlieka teorinį darbą, kuris, jo manymu, paskatins tokius bandymus per ateinantį dešimtmetį.
Tai didelis laikas fizikoje, sako Sciolla. Tikimės, kad per ateinančius kelerius metus viskas bus atsakyta. Ir tada kas? Na, tada ji ir jos kolegos gali neturėti darbo, juokauja Sciolla. Tačiau, priduria ji, esu tikra, kad bus daug naujų klausimų, į kuriuos nebus atsakyta.