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
Путешествие в микромир
В предыдущей статье мы говорили о числах-гигантах. Можно сказать, что мы совершили путешествие к бесконечности, а когда подошли к Числу Грэма, то лично у меня создалось ощущение, что вот еще чуть-чуть – и мы прикоснемся к ней рукой. Сегодня я предлагаю вам еще одно путешествие. На этот раз в микромир – мир малых объектов. Настолько малых, что среди всех тех, которые мы рассмотрим, песчинка будет самой крупной. Сразу скажу, что эта статья не о физике. Мы не будем говорить о квантовых эффектах, принципе неопределенности и теории струн. Я не физик (впрочем, я думаю, что вы поняли это и на основании моего предыдущего текста). Это статья о цифрах, масштабах и красоте. Добро пожаловать.
Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх. Мне кажется, что макромасштабы знакомы нам все-таки чуть лучше, чем микро. Образованный читатель более-менее представляет себе, как велики расстояния во Вселенной. Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца – 150 миллионов, до модного ныне Плутона (который уже не виден без телескопа) – 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра (не видна тоже) – 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды (а вот она как раз замечательно видна без всяких приборов) – 25 квинтиллионов и наконец до окраин обозримой Вселенной (видны они или нет – вопрос спорный) – 130 секстиллионов. Впечатляюще конечно, но все мы любим космические новости и, честно говоря, где-то глубоко внутри уже смирились с тем, что космос очень, очень, очень велик. Да и разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается.
Попробуйте ответить на такой вопрос. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом – самое большое, то что будет посередине? Что представляет собой это самое «среднее» расстояние? Если только что вы думали о галактиках и звездах, то наверное предположите, что оно должно быть достаточно большим, ведь Вселенная так огромна. Но на самом деле это расстояние будет равно примерно 0.1 миллиметра. Удивительно, правда? Что-то очень необъяснимое творится в этом самом микромире, раз он перевешивает громады целого космоса. Итак, 0.1 мм — размер песчинки, давайте с нее и начнем.
Песчинка является одним из мельчайших объектов из тех, которые мы все еще видим невооруженным глазом. 100 песчинок, поставленных в ряд, уместятся на ногте человеческого пальца. 10 тысяч песчинок – и вот перед нами уже метр. А если расположить их «бок о бок» вдоль земного экватора, то нам понадобится 400 миллиардов штук. Всего-то. Отдаете ли вы себе отчет, что все эти песчинки можно собрать в один большой, но совсем даже не громадный, мешок, и весить он будет всего лишь около тонны?
Что еще у нас есть такого, что едва можно рассмотреть? Человеческий волос. Волосы у людей бывают разными, но в среднем их толщина равна 50-70 микронам, то есть их 15-20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.
Двигаемся дальше — в мир уже невидимых невооруженным глазом объектов. Бактерии. Их размер может различаться в 10 раз — от 0.5 до 5 микрон (хотя есть и уникальные экземпляры размером вплоть до 1 миллиметра). Таким образом, в толщине человеческого волоса их поместится до 100, а в сантиметре — до 20 тысяч штук. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. На секунду остановитесь и задумайтесь, сколь значительную часть вас самих составляют бактерии. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек — это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.
Вирусы. Легко могу допустить, что кому-то они кажутся примерно тем же, что и бактерии, — я и сам иногда использую эти слова как синонимы. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, — чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем. Но в целом вирусы меньше, чем бактерии. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей — 100 нанометров или 10 -7 степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса — 50 метров.
И, кстати, именно на этом масштабе мы подходим к размерам, которые уже не сможем разглядеть в оптический микроскоп. И вот почему. Длина волны видимого света — 400-750 нанометров, и увидеть объекты, меньшие этой величины, попросту невозможно (если только не применить какую-нибудь хитрость, например заставив их излучать). Попытавшись осветить объект, волна просто обогнет его и не отразится. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. Когда-то очень давно мне казалось, что для ответа на него нужно просто посмотреть в микроскоп, и если не хватит увеличения, то взять еще один и присоединить к первому, а потом еще и еще, пока не получится яркое и отчетливое изображение, которое уж очевидно будет какой-то формы и какого-то цвета (да, я был смышленым малым и мне это казалось отличной идеей). На самом же деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»… Мне просто показалось важным это отметить еще и потому, что все дальнейшие иллюстрации будут, скорее, просто картинками, а не чем-то реально отражающим формы рассматриваемых объектов.
Возвращаемся к вирусам. Если мы снова возьмем для сравнения толщину человеческого волоса, то их там поместится около 500 штук среднего размера. Когда в следующий раз будете рассматривать найденный в супе волос, представьте, как вокруг него идет хоровод из 1.5 тысяч вирусов. А вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца. Всего-то.
Вообще, на масштабах нанометров имеется много разных интересных объектов, но мы будем останавливаться только на тех, названия которых широко известны. Поэтому наша следующая остановка — молекулы. Например, молекула ДНК с шириной 3 на 10 -9 метра. То есть при увеличении в миллион раз ее ширина станет равной 3 миллиметрам, а если в миллиард — 3 метрам (с другой стороны, если просто взять миллиард молекул, то их даже не будет видно без очков). Таким образом, молекула ДНК меньше среднего вируса в несколько десятков раз. Хотя это не совсем честно, ведь мы сравниваем ширину (ДНК) с длиной (вируса). Но все равно соотношения здесь примерно таковы. Давайте еще для сравнения возьмем молекулу воды. Ее примерный размер — 3 на 10 -10 метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов — примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).
Молекулы, как известно, состоят из атомов, и их размеры вполне сопоставимы. Например, диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) — 3.5 на 10 -10 метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше — 3 на 10 -11 метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое (здоровое) воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов. И я имею в виду не крупную соль с большими, хорошо различимыми гранулами, а мелкую, — ту, которая в солонках. При случае, попробуйте выделить из них одну, рассмотрите на свет и скажите про себя: «кви-нти-лли-он» (между прочим, это 10 18 ). Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).
Погружаемся еще на один шаг вглубь. Небольшой такой «шажок» сразу на 4 порядка, — как от размера футбольного стадиона до размера пчелы, сидящей в центре его поля. Частицы. Сразу следует сказать, что на таких масштабах само понятие размера достаточно условно. И если мы говорим об элементарных частицах, то уже приходится учитывать, какую модель мы применяем, квантовую или классическую. Так называемый «классический» диаметр электрона — 5.5 фемтометров или 5.5 на 10 -15 метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Ирония в том, что протоны тяжелее электронов в 1 836 раз, — уже одно это должно кое-что сказать об условностях приведенных выше размеров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля, хотя я не уверен, что эти два значения как-то связаны друг с другом (лично меня шокирует в этом даже не то, что протон такой маленький, а то, что муравьев у нас как-то уж чересчур много). Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, — и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца. 
Вам не кажется, что дальше быть уже просто нечему? Да, мы что-то слышали о кварках, но об их размерах вообще сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10 -19 — 10 -18 метра. Самый маленький — истинный кварк — «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10 -22 метра. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10 -24 метра — эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной (точнее, был меньше, пока не вымер). Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли. Вот так.
А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Выбирайте любую из них и наслаждайтесь. Первая — мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая — но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Какое из этих утверждений кажется вам более удивительным? Лично мне, наверное, все-таки второе. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати. Если вас это не поражает, то я просто не знаю, о чем с вами можно разговаривать…
Итак, на размерах 10 -35 метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, — минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке). Еще здесь обитают квантовые струны — объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, — у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10 -35 метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.
Наконец мы подошли к самой структуре мироздания — масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…
Ну что ж, я надеюсь, что вам было интересно, и что если вы дочитали до этого места, то не пожалели о потраченном времени. Если так, то не поленитесь зайти по следующей ссылке, и вы сможете увидеть всё то же самое и многое другое, но только в картинках и со шкалой реальных масштабов объектов микро- и макромира.
А если вы заметите в моем тексте какую-то ошибку, то напишите, пожалуйста, об этом в комментариях. Я буду рад исправить данный текст, чтобы он более точно отражал окружающую нас действительность, такую удивительную и многообразную.
Источник