Познать микромир и макрокосмос. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг ― о расширении Вселенной и фундаментальных задачах физики
Как физика мельчайших частиц помогает изучать космос? С какими фундаментальными проблемами до сих пор сталкиваются ученые? И что они собираются делать дальше? Об этом и не только рассказал лауреат Нобелевской премии по физике, популяризатор науки Стивен Вайнберг. Открытая лекция прошла в рамках фестиваля NAUKA 0+. Записали самое главное.
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Разница величин, с которыми работают современные физики, потрясает воображение. С одной стороны, ученых интересуют процессы, происходящие на уровне мельчайших частиц, а с другой — свойства нашего мира в масштабе всей Вселенной. При этом есть шанс, что ответы на фундаментальные вопросы науки исследователи могут обнаружить именно на уровне измерений величин меньше атомного ядра.
По крайней мере, так считает Стивен Вайнберг, один из самых известных физиков-теоретиков современности и лауреат Нобелевской премии по физике в 1979 году «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов». При этом исследовать микромир далеко не просто. По словам ученого, даже при всем технологическом богатстве мира ученые не знают, с чего начать.
«Основная проблема для физиков заключается в том, что энергия, необходимая для исследования того, что на самом деле происходит на минимальных уровнях, намного превышает современные технологии. Это примерно в 10 триллионов раз больше максимальной энергии, которую мы можем использовать сейчас», — говорил Вайнберг в одной из своих лекций.
В ходе выступления в рамках фестиваля NAUKA 0+ он поделился своими мыслями об истории изучений микромира и макрокосмоса, об их актуальном состоянии и перспективах, а также о том, что общего есть у этих сфер. Ученые пытаются придумать новые обобщающие теории. И в этом контексте особенно актуальна дискуссия о том, как физики микромира и макрокосмоса взаимодействуют друг с другом и помогают ученым познавать законы природы.
Фестиваль NAUKA 0+. Источник: minobrnauki.gov.ru
О прогрессе в физике
Еще в 19 веке ученые считали, что наша галактика — это и есть вся вселенная. Вплоть до начала 20 века они совершенно не интересовались туманностями, которые «мешали» им наблюдать кометы — настоящий предмет интереса астрономов, напоминает Вайнберг.
В 1912 году американский астроном Генриетта Ливитт заметила «Малое Магелланово Облако», а в нем обнаружила цефеиды — особый тип звезд, блеск которых периодически изменяется. Именно благодаря интенсивности их света и перемещениям удалось понять расстояние до них.
Малое Магелланово Облако. Источник: apod.nasa.gov. Автор фото – Bogdan Jarzyna
В 1923 году американский астроном Эдвин Хаббл, в честь которого назван известный космический телескоп, обнаружил похожие переменно-светящиеся звезды в Туманности Андромеды. С помощью корреляции света и периода он выяснил, что она находится в миллионе световых лет от Земли. Тем самым он доказал, что существуют и другие скопления звезд, хотя позже астрономы выяснили, что они находятся примерно в два раза дальше, потому что Хаббл ошибся в расчетах. Несмотря на это, ученые поняли, что есть другие галактики, которые находятся на разных расстояниях и во всех направлениях от нас.
Масштаб Вселенной расширился до невероятных размеров, и сейчас мы понимаем, что ее всю не получится охватить даже новейшими приборами, а астрономы могут видеть объекты, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Однако границу в 14 млрд световых лет превзойти пока не удалось.
В то же время, на другом конце шкалы измерений ― на микроуровне ― в физике продолжалась своя работа. Еще 400 лет до нашей эры Демокрит предположил, что материя состоит из атомов. Конечно, он не мог ничего утверждать, только знал, что они слишком маленькие для человеческого глаза. В 19 веке измерение размера атомов стало большой задачей для физиков и химиков. Сегодня наука дошла до изучения ядра атома.
Эдвин Хаббл. Источник: space.com
Стивен Вайнберг сравнивает атом по строению с солнечной системой.
«Атом также, по большей части, состоит из “пустого” пространства. Электроны вращаются внутри атома как планеты солнечной системы, которые только преодолевают огромные расстояния. В центре атома по аналогии с солнечной системой находится ядро, которое содержит практически всю его массу и положительный электрический заряд», ― говорит он.
Наименьшее расстояние, которое сегодня могут исследовать ученые с существующими ускорителями — примерно 10 в минус 16 степени сантиметров. Это то, насколько люди смогли расширить границы изучения физики.
Более того, мы думаем, что понимаем, что там происходит и даже можем описать силы, действующие на микроуровне. Для этого используется стандартная модель — теоретическая конструкция, которая описывает строение и взаимодействие элементарных частиц. Она включает в себя описание трех из четырех основных физических взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное, все три происходят на уровне микромира.
Стивен Вайнберг. Источник: worldsciencefestival.com
По словам Стивена Вайнберга, именно на таких расстояниях мы сталкиваемся с проблемой, которая связана с энергией пустого пространства, которую еще называют темной энергией.
«Пустое пространство не может быть полностью пустым из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Это принцип квантовой механики, который гласит, что для квантовой частицы невозможно одновременно определить координаты в пространстве (положение) и ее импульс (скорость). Так же применительно к полям: невозможно для поля в один момент иметь определенное значение и изменение этого значения. Значит невозможно сказать, как ведет себя электромагнитное поле, оно меняет значение, оно может быть любым, и мы не сможем его предсказать», ― объясняет он.
Это дает нам то, что, даже если в какой-то момент времени энергия пространства нулевая, мы не можем точно судить, будет ли она такой в следующий момент.
О расширении Вселенной
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Еще с начала 20 века исследователи космоса предсказывали расширение Вселенной. Например, в 1913-1914 годах американский астроном Весто Слайфер изучал туманность Андромеды и другие небесные объекты и установил, что они движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями. Что важнее, почти все из них удаляются от нее.
Затем, в 1927 году, Жорж Леметр, а в 1929 году и Эдвин Хаббл вывели законы для расширения Вселенной. Последним открытием стало доказательство в 1998 году того, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, а все быстрее и быстрее. За это астрономы Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт получили Нобелевскую премию в 2011 году. В 2019 году Рисс в составе группы других ученых показал, что вселенная расширяется даже быстрее, чем он предполагал до этого.
Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт. Источник: businessinsider.in
До сих пор нельзя точно сказать, что именно постоянно повышает эту скорость, однако многие ученые предполагают, что это происходит из-за так называемой темной энергии. Это энергия «пустого» пространства между галактиками, создающего некую силу, которая и заставляет их отдаляться друг от друга. Ведь Вселенная, как было доказано, расширяется с ускорением, а для ускорения необходима энергия. При этом масштабы и скорость расширения вселенной показывают, что эта энергия пустого пространства колоссальна.
«Наше понимание физики вплоть до мельчайших частиц указывает на то, что должна существовать определенная плотность энергии пустого пространства, и многие физики 20 века пришли к выводу, что темная энергия, энергия пустого пространства, меньше, чем можно было бы ожидать. Расширение Вселенной можно объяснить только существованием энергии пустого пространства. Она доминирует над обычной и темной материями, — объясняет ученый. — Это означает, что наши расчеты были неправильны. И только когда мы применили стандартные методы, которые мы используем для микромира, мы поняли, как существует макрокосмос. И теперь мы столкнулись с фундаментальной физической проблемой: как объединить физические гипотезы относительно самых маленьких величин и расстояний с космологическим масштабами, которые мы изучаем, например, величиной темной энергии».
Снимок с телескопа Хаббл. Источник: nasa.gov
Еще одна область соприкосновения микромира и макрокосмоса — тот факт, что исследования в этих сферах очень дороги, шутит Стивен Вайнберг. Он надеется, что интерес публики к ним покажет государствам, что им надо поддерживать будущие физические разработки.
«Что нам нужно делать — так это это расширить наши измерения на огромных расстояниях и найти, постоянная ли темная энергия во времени или она уменьшается. Это большая задача, требующая времени и денег», ― заключает ученый.
Проект NAUKA 0+ реализуется ежегодно с октября по ноябрь в 80 регионах России на более чем 400 площадках. Мероприятие проводится Минобрнауки РФ при поддержке Правительства Москвы, МГУ и РАН.
Источник
Общий вид на Вселенную: за что дали Нобелевскую премию по физике
Премия по физике была в этом году разделена на две равные части, доставшиеся ученым, которых объединяют достижения в области исследований Вселенной. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе».
Первую половину премии получил Джеймс Пиблз — физик-теоретик и космолог, предложивший в конце прошлого века теоретическую основу наших современных представлений о бесконечной и расширяющейся Вселенной. Вторую половину разделили между собой два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Кело, углубивших человеческие представления о космосе: именно они в середине 1990-х установили, что наша Солнечная система — не исключение, а, как окончательно установлено к настоящему времени, очень типичный космический объект.
Плоский и вечный мир
Космология, сложившаяся к середине ХХ века, рассматривает Вселенную как объект, описываемый эйнштейновской Общей теорией относительности. У этого объекта есть два принципиальных параметра: скорость расширения и геометрические свойства пространства. Скорость расширения Вселенной зависит от плотности материи в ней: если материи слишком мало, Вселенная будет расширяться бесконечно, однако если плотность велика, то расширение неизбежно сменится сжатием.
От плотности материи зависит и геометрия пространства. При некоторой определенной («критической») плотности это пространство будет «эвклидовым», то есть будет иметь ту геометрию, к которой мы привыкли. В нем параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника — как бы далеко в космосе не располагались его вершины — всегда будет равна 180 о . При более высокой плотности пространство будет иметь «положительную кривизну»: в таком пространстве параллельные прямые сближаются, как земные меридианы, а сумма углов треугольника больше 180 о , как если бы он был нарисован на сфере (например, на поверхности Земли). Если плотность меньше критической, кривизна будет отрицательной, и параллельные будут расходиться.
Ко 1980 годам наблюдательные данные астрономии свидетельствовали, что наше пространство с большой точностью являются эвклидовым (его кривизна равна нулю). При этом видимая материя — то есть все галактики и межгалактический газ — никак не могла составлять больше 5% от критической плотности. Это был серьезный вызов для космологии: во Вселенной недоставало 95% плотности, необходимой для того, чтобы пространство было таким, какое наблюдается в реальности. Парадокс пытались разрешить, предположив существование «темной материи», состоящей из нейтрино, однако эта гипотеза имела множество проблем и не выдерживала проверки наблюдательными данными.
В 1982 году Джеймс Пиблз предположил существование иного типа темной материи, состоящей из холодных и тяжелых частиц. Такая материя могла объяснить видимое движение звезд в галактиках. Однако количество обычной и темной материи в сумме все равно составляло бы лишь 31% от критической плотности, необходимой для поддержания «плоской Вселенной» (то есть пространства с нулевой кривизной).
К 1984 году группа теоретиков, включая Пиблза, решила вернуться к идее, которую когда-то предлагал Эйнштейн: ввести в уравнения Общей теории относительности дополнительный параметр. Этот параметр описывает свойство пустого пространства — давление, как бы расталкивающее его изнутри. Параметр получил название «темной энергии». Темная энергия — это свойство вакуума, побуждающее его к расширению. А поскольку в теории Эйнштейна энергия всегда эквивалентна массе, темная энергия прибавляет к плотности те самые недостающие 69%, так что суммарная плотность «всего на свете» становится в точности равна критической. Таким образом, три компонента — обычная видимая материя, «темная материя» и «темная энергия» — вместе создают такую плотность, чтобы пространство, в котором мы живем, оставалось «плоским» и эвклидовым, подчиняющимся законам школьной геометрии.
«Темная энергия» гарантирует, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно и «Большой Взрыв» не сменится в конце времен «Большим схлопыванием». Эта теоретическая идея была подтверждена в 1998 году, когда ученые обнаружили, что скорость расширения Вселенной возрастает со временем. За это открытие в 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис были удостоены Нобелевской премии, а восемь лет спустя высокая награда нашла и автора концепции — Джеймса Пиблза.
Множественность миров
Трудно поверить, но еще 40 лет назад существовала гипотеза, что планетная система вокруг нашего Солнца — уникальное для космоса явление, и вокруг других звезд никаких планет быть не может. Из этого следовала бы и уникальность жизни на Земле, и исключительное положение человеческой цивилизации во Вселенной (вопрос об инопланетянах был бы закрыт навсегда).
В конце 1980-х начали появляться первые данные о том, что у других звезд все же могут быть планеты. В 1988-м канадские астрономы получили данные о существовании планеты возле оранжевого гиганта в созвездии Цефея, а в 1991 году польский астроном Александр Вольшчан обнаружил планету у нейтронной звезды в созвездии Девы. Однако только в 1995 году двое швейцарских астрономов — Дидье Кело и Мишель Майор — доложили на конференции о своем открытии планеты возле звезды солнечного типа.
С помощью спектрометра, то есть по сдвигам в частоте света, астрономы обнаружили небольшие колебания звезды 51 в созвездии Пегаса, находящейся в 50 световых годах от Солнца. Колебания были вызваны гравитационным взаимодействием с обращающейся вокруг звезды планетой размером примерно с Юпитер, раскаленной примерно до 1000℃. Несмотря на то, что сама планета совершенно не похожа на нашу, это открытие было окончательным подтверждением, что Солнечная система не уникальна и вокруг подобных Солнцу звезд где-то в космосе обращаются планеты.
Как правило, экзопланеты не имеют собственных имен, однако для планеты 51 Пегаса b, ввиду важности ее в истории астрономии, было сделано исключение: на следующий год после открытия астроном Джеффри Марси предложил назвать ее Беллерофон в честь греческого героя, укротившего Пегаса. В 2015 году Международный астрономический союз официально присвоил планете другое имя — Димидий.
К настоящему времени открыты сотни экзопланет. В 2011 году телескоп «Кеплер» обнаружил у звезды Кеплер-20 две планеты, близкие по размерам к Земле. В 2017 году возле звезды TRAPPIST-1 обнаружено целых семь землеподобных планет.
Открытию новых экзопланет посвящено несколько масштабных проектов. В ходе работы космического телескопа Kepler открыто 132 экзопланеты и более 2000 потенциальных кандидатов. Затраты на проект составили более $0,5 млрд. В 2013 году запущена на орбиту космическая обсерватория Gaia, которая может открыть, согласно некоторым оценкам, до 10 000 экзопланет. Стоимость проекта составляет около €577 млн. В 2018 году запущен космический телескоп TESS, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом. На этот проект NASA выделено около $200 млн.
Источник