Протягом століть людство вгризаються в граніт науки, намагаючись з'ясувати точний склад Всесвіту. Стародавні греки першими припустили існування атомів, які, на їхню думку, були дрібними частками - #xAB; будівельними блоками # xBB; всього сущого. Протягом 1500 років це було всім, що ми знали про матерії. У 1897 році відкриття електрона зруйнувало науковий світ до руїн. Виявилося, що точно так само, як молекули складалися з атомів, атоми складаються з компонентів.
І чим глибше ми дивилися, тим більше відповідей, здавалося, витікає крізь наші пальці. Навіть протони і нейтрони - будівельні блоки атомів - виготовлені з ще менших частинок - кварків. Кожне відкриття породжувало більше питань. Чи полягає час і простір з розсипів найдрібніших частинок, які навіть неможливо побачити? Можливо. Перед вами десять теоретичних частинок, які можуть пояснити все. Якщо ми їх знайдемо.
Почнемо з чогось, близького до того, що ми вже знаємо - кварки. Налічується шість типів кварків. #xAB; Верхні # xBB; і #xAB; нижні # xBB; кварки більш поширені, з них складаються протони і нейтрони. #xAB; Дивні # xBB; кварки, з іншого боку, не так поширені. Коли дивні кварки об'єднуються з верхніми і нижніми кварками в рівних кількостях, вони створюють частку під назвою #xAB; стрейнджлет # xBB; (від #xAB; дивний # xBB; і #xAB; крапелька # xBB;). Стрейнджлет - це найтонші фрагменти, з яких складається дивна матерія.
Відповідно до теорії дивної матерії, стрейнджлет утворюються в природі, коли масивна нейтронна зірка - важка коллапсирующая зірка - видає стільки тиску, що електрони і протони в ядрі зливаються, а потім коллапсируют далі в щось подібне до міцного кваркового міхура, який ми називаємо дивною матерією. І хоча великі стрейнджлет можуть теоретично існувати за межами центрів зірок з високим тиском, найімовірніше, вони попливли від таких зірок в інші сонячні системи - включаючи нашу власну.
Але знову ж таки: якщо вони існують, велика стрейнджлет може перетворити ядро атома в іншу стрейнджлет, якщо зіткнеться з ним. Нова стрейнджлет зіткнеться з іншими ядрами, що викличе ланцюгову реакцію, поки вся матерія на Землі не буде перетворена в дивну матерію. Насправді, подібні страхи були викликані роботою Великого адронного коллайдера, представникам якого вдалося свого часу переконати людей в надуманості цього факту. Навряд чи вони могли б випадково створити стрейнджлет, яка знищила б планету.
Теорія суперсиметрії говорить, що у кожної частинки у Всесвіті є протилежна частка-близнюк, відома як суперсиметричних частка, суперпартнери або счастіца. Таким чином, у кожного кварка є Скварка, який розділяє з першим ідеальну симетрію. У кожного фотона є Фотину. І так далі, поки жодна з 61 відомих елементарних частинок не залишиться без уваги. Що ж, якщо їх так багато, чому ми не виявили ні одну?
Є така теорія: у фізиці елементарних частинок важчі частинки розпадаються швидше, ніж більш легкі. Якщо утворюється досить важка частка, вона зламається практично відразу після створення. Якщо припустити, що счастіци неймовірно важкі, вони повинні руйнуватися в одну мить, поки їх суперпартнери - частинки, які ми спостерігаємо - живуть. Це може пояснити, чому у Всесвіті спостерігається така перевага темної матерії - счастіци можуть містити темну матерію і існувати в поле, яке для нас далеко і ненаблюдаемо.
Матерія складається з частинок - і точно так же антиречовину складається з античастинок. У цьому є здоровий глузд. Античастинки мають таку ж масою, що і нормальні частинки, але протилежним зарядом і протилежним кутовим моментом (спіном). Схоже на суперсиметрії, але на відміну від частинок, античастинки поводяться точно так же, як частинки, навіть беруть участь в створенні антіелементов начебто антиводню. В принципі, на будь-яку матерію знайдеться антиматерія.
У всякому разі, повинна знайтися. У цьому-то і проблема - навколо багато матерії, а антиматерії не знайшли ніде. Тільки створили штучно. За межами Великого адронного коллайдера вільний антиречовину не існує навіть в теорії.
Відповідно до теорії Великого Вибуху, спочатку була рівна кількість частинок і античастинок. Вся матерія у Всесвіті була створена в точці цього вибуху. За замовчуванням, всі антиречовину мало бути створено в той же час. Інша теорія говорить, що в інших частинах Всесвіту антиречовину переважає. Все, що ми бачимо, найбільш віддалені зірки, складаються з матерії. Але наша видимий Всесвіт може бути лише невеликою ділянкою всесвіту, десь там можуть бути цілі зоряні системи з антиречовини.
На даний момент античастинки представляють собою величезну проблему в сучасній теоретичній фізиці елементарних частинок. Іншою проблемою є гравітація. У порівнянні з іншими силами, наприклад електромагнетизмом, гравітація - вкрай слабка сила. Крім того, вона відмінно працює на планетарному рівні - за допомогою гравітації легко спостерігати інші зірки і планети, але на молекулярному рівні її практично неможливо вловити і там вона творить безглузді речі. На додаток до всього іншого, у гравітації немає частинок, які її переносять, на кшталт фотонів, які переносять світло.
І тут з'являється гравітон. Це теоретична частка, яка повинна вмістити гравітацію в ту ж модель, що і будь-яку іншу спостережувану силу. Оскільки гравітація має слабку тяжіння на кожен об'єкт, незалежно від відстані, вона повинна бути безмассовой. Але це не проблема - у фотонів немає маси, і вони всюди. Ми зайшли так далеко, що можемо навіть визначити точні параметри, яким повинен відповідати гравітон, тому якщо ми знайдемо частку - будь-яку частку - задовольняє цим параметрам, у нас буде гравітон.
Знайти гравітон дуже важливо, оскільки зараз загальна теорія відносності і квантова фізика несумісні. Однак на певних рівнях енергії, відомих як масштаби Планка, гравітація перестає слідувати правилам відносності і зісковзує до квантовим правилам. Тому вирішення проблеми гравітації може бути ключем до єдиної теорії.
Є й інша теоретична гравітаційна частка, і вона прекрасна трохи менше, ніж повністю. Гравіфотон - це частинка, яка створюється, коли гравітаційне поле проявляється в п'ятому вимірі. Вона бере початок з теорії Калуци - Клейна, яка пропонує об'єднати електромагнетизм і гравітацію в одну силу за умови, що в просторі-часі є більше, ніж п'ять вимірів. Гравіфотон мав би характеристиками Гравітон, але також брав би властивості фотона і створював те, що фізики називають #xAB; п'ятої силою # xBB; (Ну а взагалі є тільки чотири фундаментальних сили).
Інші теорії стверджують, що гравіфотон міг би бути суперпартнери Гравітон, але вони відштовхувалися б і притягувалися одночасно. У теорії, це могло б створити ефект антигравітації. І це тільки в п'ятому вимірі. Теорія супергравітації теж постулює існування гравіфотонов, але пропонує розширити кількість вимірювань до ... одинадцяти.
З чого складаються кварки? Для початку, давайте ознайомимося з масштабами. В ядрі атома золота сімдесят дев'ять протонів. Кожен протон складається з трьох кварків. Ширина ядра атома золота - приблизно вісім фемтометрів в поперечнику. Це вісім мільйонних часток нанометра, а нанометр - це одна мільярдна від метра. Кварки дуже маленькі, а преонов, в такому випадку, повинні бути настільки мізерно малі, що їх просто неможливо виміряти сучасними методами.
Є й інші слова, які використовуються для опису теоретичних будівельних блоків кварків, включаючи прімони, субкваркі, Квінке і Твідл, але #xAB; преонов # xBB; взяли краще за всіх. І преонов - вельми важлива частина теоретичної фізики, тому що на даний момент фундаментальної часткою залишаються кварки. Якщо з'ясується, що вони складаються з інших частин, це відкриє шлях до тисяч нових теорій. Наприклад, одна з теорій свідчить, що невловиме антиречовину у Всесвіті насправді міститься в преонов, тому все навколо має частинками антиматерії, яка замкнена в цьому всьому. Відповідно до цієї теорії, і ви є носієм антиречовини - просто ви не зможете її побачити, бо матерія складається з більших блоків.
Ніщо не наближається до порушення відомих законів відносності ближче, ніж Тахіон. Ця частинка рухається швидше за світло, і якби вона існувала, фундаментальне обмеження швидкості більше не було б обмежена швидкістю світла. Насправді, це означало б, що швидкість світла стала б центральною точкою - і по обидва боки від цієї точки будуть частинки, які рухаються нескінченно повільно (НЕ рухаються взагалі), і тахіони, які можуть рухатися нескінченно швидко.
Як не дивно, їх ставлення до швидкості світла було б дзеркальним. Грубо кажучи, коли звичайна частка прискорюється, її енергетичні потреби збільшуються. Щоб прорвати бар'єр швидкості світла, потрібно нескінченну кількість енергії. У випадку з ТАХІОН, чим повільніше він рухається, тим більше енергії вимагає. Коли він сповільнюється і наближається до швидкості світла з іншого кінця, його енергетичні вимоги наближаються до нескінченності. Але коли його швидкість зростає, і потреба в енергії зменшується - йому не потрібно енергії взагалі, щоб рухатися з нескінченною швидкістю.
Уявіть його як магніт - один магніт приклеєний до стіни, а інший у вас в руці. Коли ви стикалися однакові полюси магнітів, ваш магніт відштовхується. Чим ближче ви наближаєте свій магніт, тим важче вам натискати. Тепер уявіть, що по той бік стіни є інший магніт, який робить те ж саме. Магніт на стіні - це швидкість світла, а два інших магніту - це тахіони і звичайні частинки. Якби навіть Тахіон існував, вони завжди будуть замкнуті по ту сторону пастки, яку ми самі не можемо обійти. Хоча технічно вони можуть бути використані для відправлення повідомлень в минуле.
Майже всі частинки, про які ми розповіли, називаються точковими частинками: кварки і фотони існують як одна точка - маленька крихітна цяточка - з нульовими вимірами. Теорія струн передбачає, що ці елементарні частинки - далеко не точки, а струни, одномірні нитки частинок. За своєю суттю, теорія струн - це якась #xAB; теорія всього # xBB ;, яка хоче примирити гравітацію і квантову фізику. У теорії струн - безліч окремих теорій, та й самих теорій струн теж багато. З того, що нам зараз відомо, гравітація і квантова механіка не можуть співіснувати фізично в одному просторі - гравітація не працює на квантовому рівні.
Таким чином, в широкому сенсі, теорія струн насправді являє собою квантову теорію гравітації. Для порівняння, струни можуть замінити преонов в якості будівельних блоків для кварків, хоча на більш високих рівнях все залишиться тим самим. І в теорії струн струна може перетворитися на що завгодно залежно від форми, в яку згортається. Якщо струна залишається відкритою, вона стає фотоном. Якщо кінці однієї струни замикаються в петлю, вона стає Гравітоном. Приблизно так само дерево може стати цілою хатиною або флейтою.
Як ми відзначили, теорій струн багато, і кожна з них передбачає різну кількість вимірювань. Більшість з цих теорій стверджує, що існує десять або одинадцять вимірів, а бозон-струнна теорія (або теорія суперструн) стверджує, що вимірів не менше двадцяти шести. У цих інших вимірах гравітація має рівною або більшою силою щодо інших фундаментальних сил, що пояснює слабкість гравітації в наших трьох просторових вимірах.
Якщо ви дійсно хочете отримати пояснення гравітації, вам потрібно заглибитися в М-теорію, або мембранну теорію. Мембрани, або Брани - це частинки, які можуть курсувати по декільком вимірам. Наприклад, 0-брану - це точкова брану, яка існує в нульових вимірах як кварк. 1-брану володіє одним виміром - це струна. 2-брану - двомірна мембрана і так далі. Багатовимірні Брани можуть володіти будь-якими розмірами, що призводить до теорії про те, що наш Всесвіт - це одна велика брану з чотирма вимірами. Ця брану - наш Всесвіт - просто шматок багатовимірного простору.
Що стосується гравітації, наша чотиривимірна брану просто не може утримувати її, тому енергія гравітації випаровується в інші Брани, в багатовимірний простір; ми просто задовольняємося тим, що залишилося, тому гравітація здається такою слабкою порівняно з іншими силами.
Зрозуміло, неважко додумати, що є багато бран, що рухаються через простір - нескінченних бран через нескінченний простір. Звідси народжуються теорії мультивселенной і циклічної всесвіту. Згідно з останньою, всесвіт підкоряється циклам: вона розширюється через енергії Великого Вибуху, потім гравітація стягує все в одну точку. Це стягування породжує новий Вибух, і так до нескінченності.
Бозон Хіггса народився з поля Хіггса і був запропонований як пояснення того, чому деякі частинки, які повинні мати масу, фактично нею не володіють. Поле Хіггса - яке ніхто ніколи не чув од - має існувати у всьому Всесвіті і надавати силу, необхідну для того, щоб частинки набували масу. Бозон Хіггса повинен заповнити величезні прогалини в Стандартної моделі, вельми популярної і пояснює практично всі (крім гравітації, звичайно).
Бозон Хіггса важливий тим, що доводить існування поля Хіггса і пояснює, як енергія всередині поля Хіггса може проявлятися у вигляді маси. Також він важливий, оскільки створює прецедент. До його виявлення він був звичайною теорією. У нього була математична модель, фізичні властивості, спін - все. Просто потрібні були докази його існування. І ми його знайшли.
І якщо ми змогли зробити це один раз, хто може посперечатися, що будь-яка з цих частинок не може бути реальною? Тахіони, стрейнджлет, Гравітон - ці частинки можуть повністю перевернути нашу картину світу і наблизити нас до розуміння фундаментальних основ світу, в якому ми живемо.