- Величайшая нерешённая задача современной физики: почему гравитация такая слабая?
- 10 таинственных мест, где гравитация не работает
- Гора Арагац и автомобили, едущие вверх сами по себе
- Плотина Гувера и вода, не падающая вниз
- Мистери Спот и довольные туристы
- Золотой камень и запрет приближения к нему для женщин
- Оптическая иллюзия и никаких чудес
- Бруф Хилл и идущие вверх авто
- Перевернутый водопад и суперсильный ветер
- Летающая девочка и ее невозмутимая мать
- Даваско – валун, простоявший тысячи лет и упавший в 19 веке
Величайшая нерешённая задача современной физики: почему гравитация такая слабая?
Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.
А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!
Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.
С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.
Если вдруг вы читали эту прекрасную книгу автора Лизы Рэндал, она очень много написала про эту загадку, которую я бы назвал величайшей нерешённой проблемой теоретической физики: про проблему иерархии.
Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженные любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10 40 раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10 40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.
При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10 20 раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.
Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10 56 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10 56 протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.
Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?
Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.
Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.
Существует четыре возможных способа, известных мне – то есть, четыре хороших идеи – решения проблемы иерархии. Хорошие новости в том, что если природа выбрала какой-то один из них, то БАК его найдёт! (А если нет, поиски продолжатся).
Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.
Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?
1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.
Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).
Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.
2) Техницвет (Technicolor). Нет, то не система цветового кино из 1950-х, это физический термин для обозначения теорий, требующих новых калибровочных взаимодействий, и либо не имеющих хиггсовских частиц, либо имеющих нестабильные или ненаблюдаемые (т.е. композитные) хиггсовские частицы. Если бы техницвет подтвердился, ему бы тоже потребовался новый и интересный набор наблюдаемых частиц. В принципе, эта система могла бы быть решением нашей проблемы, но недавнее открытие частицы спина ноль на нужном уровне энергии, судя по всему, опровергает это возможное решение. Вот если бы эта хиггсовская частица оказалась бы не фундаментальной, а композитной, сделанной из нескольких фундаментальных, это бы помогло теории остаться приемлемым решением. Будущей проверки на БАК на энергиях в 13-14 ТэВ будет достаточно, чтобы узнать это наверняка.
Есть ещё две возможности, одна из них более многообещающая, но обе они включают дополнительные измерения.
3) Свёрнутые дополнительные измерения. Эта теория, введённая упомянутой уже Лизой Рэндал [Lisa Randall] вместе с Раманом Сандрамом [Raman Sundrum], постулирует, что гравитация, на самом деле, такая же сильная, как и остальные воздействия, но только не во Вселенной с тремя пространственными измерениями. Она обитает в другой Вселенной с тремя пространственными измерениями, сдвинутой относительно нашей всего на 10 -31 метров в четвёртом пространственном измерении (или, как изображено на диаграмме выше, в пятом измерении, при включении времени). Эта теория интересна, поскольку такая система была бы стабильной и могла бы предложить объяснение того, почему Вселенная так быстро расширялась в самом начале (а свёрнутое пространство-время способно на такое), поэтому у неё есть сильные преимущества.
В неё также должен входить дополнительный набор частиц; не суперсимметричных, а частиц Калуцы-Клейна, и это является следствием наличия дополнительных измерений. Кстати, в космическом эксперименте был получен намёк на существование частиц Калуцы-Клейна при энергиях в 600 ГэВ, или с массой в 5 раз больше, чем у Хиггса. И, хотя на текущих коллайдерах такие энергии пока не достигаются, новый БАК должен будет суметь создать такие частицы в изобилии, если они существуют.
Но существование этой новой частицы не гарантировано, поскольку полученный сигнал – всего лишь избыток наблюдавшихся электронов по сравнению с ожидаемым фоном. Но её нужно иметь в виду, поскольку, когда БАК разгонится до максимальных энергий, почти все частицы массой ниже 1000 ГэВ должны будут оказаться в пределах его досягаемости.
4) Большие дополнительные измерения. Дополнительные измерения могут быть не свёрнутыми, а большими, но большими только по сравнению со свёрнутыми, размер которых составляет 10 -31 м. «Большие» измерения должны быть миллиметровых размеров, поэтому новые частицы должны начать появляться в пределах возможностей БАК. Опять-таки, могут проявиться и частицы Калуцы-Клейна, и это может стать возможным решением проблемы иерархии.
Но одним следствием этой модели будет то, что гравитация будет сильно отклоняться от ньютоновской на расстояниях меньше миллиметра, а проверить это очень нелегко. Современные экспериментаторы, тем не менее, уже готовы принять вызов.
Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними порядка микронов. Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.
Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение, которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!
Источник
10 таинственных мест, где гравитация не работает
Исаак Ньютон внес огромный вклад в науку, открыв закон всемирного тяготения. Предмет, брошенный на землю, обязательно падает вниз. С этим не поспоришь. Однако, на нашей планете есть загадочные места, где законы гравитации не работают. Ученые всего мира пытаются разгадать тайны этих явлений, но некоторые из них не поддаются объяснению.
“Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений… Природа ничего не делает напрасно, а было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не роскошествует излишними причинами”.
Исаак Ньютон, «Математические начала натуральной философии», книга третья
Гора Арагац и автомобили, едущие вверх сами по себе
В Армении находится необычная гора, обладающая силой антигравитации. Машины не скатываются со склона этой горы, а катятся вверх . Рядом протекает река, воды которой тоже текут в гору. Удивительно, но и людям легче подниматься по склону, нежели спускаться с него.
Ученые так и не смогли объяснить причину такой аномалии. Либо это обман зрения, когда человек не может понять, где находится линия горизонта, либо все дело в особых магнитных излучениях. Кто-то связывает аномалию с влиянием космоса.
Плотина Гувера и вода, не падающая вниз
Уникальная плотина сооружена на реке Колорадо. Туристов забавляет одно необычное явление. Когда стоишь на дамбе и пытаешься вылить воду из бутылки вниз, струя удивительным образом летит вверх . Ученые доказали, что гравитацию нарушают сильнейший поток воздуха снизу, который выталкивает жидкость. plotina.guvera.jpeg Плотина Гувера имеет высоту 221 м. Сооружена на границе между штатами Аризона и Невада в Черном каньоне.
Мистери Спот и довольные туристы
В штате Мичиган есть необычный дом, в котором отсутствует гравитация. Все началось в начале 50-х годов прошлого века, когда на одном участке геодезисты заметили, что их оборудование дает сбой и ведет себя довольно странно. Это наблюдалось лишь на площади диаметром 300 футов. За ее пределами все было нормально. Для привлечения туристов было решено построить дом, в котором нет гравитации . Это очень забавляет людей.
В этом месте можно спокойно ходить по стенам, не боясь упасть. Туристы любят проводить любопытные опыты с гравитацией. Любые предметы в этом доме стоят не вертикально, а под углом. Шар катится по наклонной не вниз, как этого требуют законы физики, а вверх.
Золотой камень и запрет приближения к нему для женщин
Огромный камень повис над пропастью в Мьянме (Бирма). Буддисты считают это место своей святыней. Нечто божественное есть в том, что огромный золотой валун вот уже несколько тысяч лет замер в одном положении и не падает в пропасть. Местные жители верят, что только женщина может сбросить камень вниз, поэтому им запрещено приближаться к святыне.
Буддисты говорят, что камень держится на волосах самого Будды. Их замуровал в гору некий отшельник Тайку Та, а сам камень поместили на склон бирманские духи. Так это или нет, но Золотой камень не падает вопреки законам гравитации.
Оптическая иллюзия и никаких чудес
Один из холмов в Пенсильвании знаменит отсутствием гравитации на его склоне. С него не скатываются предметы. Но оказалось, что все дело в оптической иллюзии. Ученые и психологи пришли к выводу, что там нет горизонта, либо его не видно. Человеческий глаз не может уловить, как склоны холмов соотносятся с остальными частями ландшафта. Людям кажется, что склон – это и есть холм.
Бруф Хилл и идущие вверх авто
Этот холм с аномальной гравитацией находится в Южной Австралии. Тут нет никакой оптической иллюзии, и горизонт отчетливо виден. Однако, машина, оставленная на склоне, сама покатится вверх. Из-за чего такое происходит, ученые пока не знают. Знаменитый холм назван в честь фермера Джеймса Бруфа, который впервые обнаружил интересное природное явление.
Перевернутый водопад и суперсильный ветер
Диковинный водопад находится в Чили. Вода падает не вниз, как это должно быть, а вверх. Законы физики нарушают мощные потоки воздуха с пропасти. Они и выталкивают воду наверх. Перевернутый водопад привлекает тысячи туристов со всего мира. Кстати, таких водопадов по всему миру как минимум пять. Как бы не хотелось верить в чудо, но причина – в сильном ветре, который поднимает потоки воды над самими водопадами.
Летающая девочка и ее невозмутимая мать
Случай произошел в одной из деревень Сибири. Человек выгуливал собаку в лесу и увидел странную девочку, которая парила в воздухе. Рядом стояла ее мама и спокойно наблюдала за дочкой. Случайный свидетель успел заснять летающую девочку на камеру телефона. Мать и девочка, заметив его, поспешили скрыться. Так и не понятно, что это было.
Даваско – валун, простоявший тысячи лет и упавший в 19 веке
Этот огромный валун весом более 300 тонн находился в Аргентине. Он повис на склоне скалы и даже покачивался от сильных порывов ветра. Так продолжалось несколько тысяч лет. Однако, в начале прошлого века камень упал.
Так и осталось загадкой, почему камень Даваско висел так долго и вдруг сорвался со скалы. В память об этом случае была создана точная копия валуна, которая и сегодня украшает склон каменной горы.
Источник