http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=213dc450-cef6-4388-8ae0-2782e8d6b907&print=1
© 2024 Российская академия наук

Заглянуть «за физику»

Казалось бы, на этом фундаментальные труды физиков-теоретиков придется свернуть. Зачем тратить гигантские деньги на исследования и строить суперускорители за миллиарды долларов, когда все задачи решены? Вопрос вроде бы логичный. Однако сегодня теоретическая физика все ближе подходит к той области, которую с недавних пор принято называть Beyond Physics, или «за физикой». За гранью тех принципов и законов, которые могут описать и объяснить все, что происходит в нашем мире, все, что доступно человеку, его действиям и экспериментальным наблюдениям.

Дальше — больше

Ученым становится понятно, что две гигантские черепахи — квантовая механика и общая теория относительности, — на которых стоит современная физика, не могут вынести всего объема знаний и явлений, происходящих во Вселенной. Этих основополагающих теорий, описывающих соответственно микромир и наши представления о макромире, космосе, глобальных расстояниях и размерах, с некоторых пор стало просто не хватать. «Сегодня уже нельзя сказать, что это как раз те две теории, с помощью которых мы можем разобраться в любом явлении», — заявил «Итогам» старший научный сотрудник сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН Александр Иванчик. Что же такое, не попадающее в наши представления о Вселенной, собираются описывать физики?

«Возможно, существуют столь малые расстояния, столь гигантские массы и энергии, что современная физика не может правильно описать происходящие на этих масштабах явления — результаты получаются абсурдными, — говорит Александр Иванчик. — Такие расстояния, массы и энергии называются планковскими, или предельными. И хотя человек на современном этапе их достигнуть не может, теоретические расчеты показывают, что он не сможет их и объяснить, опираясь на нынешние знания. Поэтому физики сейчас пытаются найти теорию, которая не отменит две существующие, а будет более общей и вберет их в себя».

Эта теория получила название «теория суперструн», и о ней, кстати, уже многие слышали. В теории суперструн 11 измерений: 10 пространственных и одно временное — все не так, как мы привыкли. Взглянув на мир шире стандартной модели, ученые сделали ряд открытий, которые и начали составлять список того, что придется объяснять и искать за рамками стандартной теории.

Близнецы

Одним из таких явлений стала суперсимметрия. Суть ее заключается в том, что в мире помимо всех известных элементарных частиц предположительно существует еще столько же — это двойники уже известных. Единственное их отличие от электронов, протонов, фотонов и других частиц состоит в том, что они обладают другим спином — этот термин все помнят из химии 8-го класса, он описывает направление вращения частицы вокруг своей оси. На самом деле все гораздо сложнее — эта характеристика наряду с массой и зарядом является своеобразным паспортом, индивидуальной особенностью, которая позволяет различать элементарные частицы во всем их многообразии. Она же и делит все частицы на два больших класса — с целочисленным спином (бозоны) и те, которые обладают полуцелыми спинами (фермионы). В суперсимметрии утверждается, что каждая частица обладает своим суперсимметричным двойником — полной копией частицы за исключением того, что у нее имеется противоположный по целостности спин. «То есть у электрона, который является фермионом, есть копия, и у нее цельный спин, — рассказывает Александр Иванчик. — Такая же ситуация и с протонами, нейтронами, нейтрино и другими». К таким частицам добавляют приставку «с».

Суперсимметрия открыта пока только теоретически, но если эти частицы существуют, то они рано или поздно будут обнаружены, хотя сделать это не очень-то просто. Физики утверждают, что суперсимметрия может существовать только на больших энергиях, которые были в первые моменты зарождения Вселенной, а сейчас мы находимся в области очень низких энергий. Поэтому, как полагают ученые, суперсимметрия нарушена, а с-частицы обладают гигантскими массами, и из-за этого, как ни парадоксально, мы их не видим. Правда, Александр Иванчик говорит, что Большой адронный коллайдер способен воссоздать условия для появления суперсимметрии. «Возможно, она будет порождена при лобовом столкновении двух протонов», — предполагает физик. Существует, впрочем, одно но: с-частицы могут оказаться слишком тяжелыми даже для коллайдера, поэтому их могут и не открыть. По крайней мере до появления ускорителей следующих поколений, более мощных.

Наравне с суперсимметрией ученые-теоретики вовсю заняты разгадкой тайны пятого агрегатного состояния вещества. Те, кто пытается заглянуть «за физику», считают, что помимо четырех основных состояний — твердого, жидкого, газообразного и плазмы — может быть и кварк-глюонная плазма. Она, по расчетам, должна проявиться, если вещество, находящееся в плазме, разогреть до еще больших температур, например, сталкивая тяжелые ядра свинца, золота или урана. При этом будут разрушены протоны с нейтронами и, возможно, появится кварк-глюонная плазма. Как ее можно использовать — пока загадка не менее сложная, чем сама теория о ее существовании. Но ученые уверены, что все изыскания когда-нибудь найдут свое применение для пользы человека. Ведь и без некогда мифической обычной плазмы сегодня не представляется возможным, например, обычная сварка. Но пока вопрос о практическом применении в «народном хозяйстве» не стоит. Самое главное сейчас — понять, из чего построилась вся материя, которую можно увидеть и потрогать.

Кто не спрятался…

Александр Иванчик утверждает, что в существовании суперсимметрии и кварк-глюонной плазмы сегодня у ученых есть достаточно большая уверенность. Они теоретически довольно сильно обоснованы, но за гранью физики продолжают рождаться идеи, которые обычному человеку кажутся совсем уж фантастическими. Например, попытка создать новую физическую теорию струн привела ученых к утверждению, что наша Вселенная отнюдь не трехмерная, а имеет по крайней мере 10 пространственных измерений. И это не фантастические параллельные миры, а, как утверждается, обычные измерения, только очень сильно сжатые, компактифицированные. Их можно представить себе, взяв обычный листок бумаги, свернутый в трубочку. «Пока радиус цилиндра довольно большой, вы видите его двухмерным, — говорит Александр Иванчик. — Если радиус начать уменьшать, то он стянется в одномерную прямую. Чем сильнее сжимать, тем больше этот цилиндр будет казаться одномерным». В итоге чисто теоретически он совсем пропадет из виду и, хотя фактически будет существовать, человек его видеть и чувствовать перестанет. Примерно такая же ситуация и с потерянными измерениями во Вселенной. «Если другие измерения компактифицированы и свернуты до размеров, меньших, чем размеры элементарных частиц, то тогда мы их не видим и не чувствуем», — продолжает физик. Почувствовать же их можно, попробовав разогнать частицы до гигантских скоростей, на которых они будут врываться в другие измерения. Для нас эти частицы будут просто бесследно исчезать. Более того, проверить эту теорию не так уж и сложно — если на ускорителе частицы исчезают и при этом не регистрируется их распад на более мелкие с выделением рассчитанных энергии и импульса, значит, другие измерения существуют, и потерянные частицы нужно искать в них.

И если эта фантастическая теория окажется правдой, то она наконец объяснит физикам, почему гравитационное взаимодействие слабее всех других, например электромагнитного. «Объяснением этого феномена может быть то, что в отличие от обычных частиц, из которых построен наш мир, гравитация способна свободно распространяться во всех измерениях», — говорит Александр Иванчик. Она как бы размазывается по всем измерениям. Правда, эта идея, несмотря на свою красоту, сегодня представляется более гипотетической, чем реальной.

И суперсимметрия, и кварк-глюонная плазма, если они, конечно, существуют не только в теории, должны возникать сегодня в любом месте и в любое время за счет взаимодействия космических частиц высокой энергии с атмосферой. В этих столкновениях наверняка происходят и переходы материи в другие измерения. И то, что зарегистрировать ни того, ни другого, ни третьего не удалось, считают физики, — вопрос несовершенства наших технологий. Но, возможно, через 50 или 100 лет ученые все-таки будут говорить об этих явлениях так же просто, как, например, сегодня — о плазменной дуге сварочного аппарата.