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 подверженной любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 1040 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 1040 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 1020 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 1056 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 1056 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.
И, наконец…
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!
Комментарии (52)
nkie
07.09.2016 12:21Интересный вопрос, решается ли эта проблема иерархии при голографическом описании вселенной, в котором гравитация появляется как некий артефакт при переходе от двухмерного пространства на «поверхности» вселенной к трехмерному пространству в ее объеме?
CyberAndrew
07.09.2016 12:43+4«если вы возьмёте два фотона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10^40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение»
А разве фотоны отталкиваются друг от друга? Вроде бы для электромагнитного отталкивания обязательно нужен заряд. А то получается если мы возьмем один луч света и посветим на него другим лучом света, то лучи изменят направление.Alexey2005
07.09.2016 12:57+7Похоже на опечатку, в оригинале написано немного по-другому:
if you placed two protons a single meter apart, the electromagnetic repulsion between them would be approximately 10^40 times stronger than the gravitational attraction
Delics
07.09.2016 13:43-1>… сдвинутой относительно нашей всего на 10-31 метров в
> четвёртом пространственном измерении
>… дополнительные измерения
Ставлю 100 рублей, что все эти глупости со «сдвинутыми», «свернутыми» и «дополнительными» измерениями не подтвердятся.geisha
07.09.2016 15:14+12000 лет назад внезапно оказалось, что Земля — это сфера. Тоже ведь нетривиальная топология поверхности. А лично вы, между прочим, даже это проверить не сможете на практике.
ploop
07.09.2016 15:29А лично вы, между прочим, даже это проверить не сможете на практике.
На самом деле легко проверяется с помощью лазерной указки и спокойного водоёма размерами километра два. Даже радиус вычислить можно.geisha
07.09.2016 16:01+1Локальная кривизна как и любая другая локальная величина не позволяют судить о топологии. Топология — глобальное свойство пространства.
DoctorManhattan
08.09.2016 12:51+2Прошу прощения, но я не до конца понимаю ваш комментарий: Тот факт, что вода ИСКРИВЛЯЕТCЯ(!). Вода(!). Причем в разных частях планеты искривление у нее одинаковое, не дает сделать довольно логичное предположение что поверхность земли имеет форму близкую к сфере?
Или я вас неправильно понял?
Robotex
07.09.2016 16:32Если двигаться по поверхности сферы из полюса в сторону экватора, потом пройти по экватору и затем двигаться обратно, то придешь снова в полюс. А на плоской поверхности не придешь.
geisha
07.09.2016 17:10+2Да, действительно, часть предмета топологии — анализ с помощью петель (не уверен, что подходящий перевод, в оригинале — loop). Но ваш метод в текущей ревизии не отличит тор от сферы. Ну и да, я не знаю никого, кто бы совершил подобное путешесвтие.
Robotex
07.09.2016 17:11Древние греки что-то подобное делали и пришли к выводу, что земля круглая. Но там они как-то по теням расчитывали.
BalinTomsk
07.09.2016 17:12-1— внезапно оказалось, что Земля — это сфера.
не читайте коммунистичеких классиков
«Мир создан как шар» (Иерусалимский Талмуд, Авода Зара 3:1).
: «Он есть( Бог ) Тот, Который восседает над кругом земли» (Исаия 40:22).
Еврейское слово хуг, переведенное в этом стихе словом «круг», можно также перевести словом «шар». Интересно, что только шарообразный предмет, под каким бы углом на него ни смотрели, всегда кажется кругом. Итак, намного опережая время, пророк Исаия записал утверждение, правильное с научной точки зрения и не поддерживающее мифических представлений, которые существовали в древние времена.
Pоман «Война и мир»:
«Встало солнце над Аустерлицем».
Толстой, образованный человек, а написал такую не гелиоцентрическую чушь. А ещё совесть нации.
Delics
07.09.2016 18:05Некорректное сравнение.
Проверить шарообразность Земли вполне возможно. Выше уже предложили варианты. Есть и ещё один простой способ — посмотреть в хорошую подзорную трубу за уплывающим кораблём.
А вот «другие измерения» от начала и до конца высосаны из пальца.
Таки я правильно понял, вы хотите принять вызов? Тогда здесь же, на этом месте, через 10 лет. Я утверждаю, что за это время большинство ученых отвергнет подобные глупые теории.geisha
07.09.2016 18:27Я и не говорю, что невозможно. Я говорю что вы лично проверить не сможете. Труба и корабль — это локальная кривизна. Про нее уже ответил выше.
Давайте через 2000 лет на этом месте, чтобы наверняка.
Zenitchik
08.09.2016 13:32Почему же? Можно измерить высоту одних и тех же звёзд на разных широтах, и сделать нехитрое умозаключение о том, что местная вертикаль разных широт отличается на тот же угол, на который, собственно широты. В последних веках до н.э. это вообще очевидным полагали, и писали, что «нет смысла обсуждать форму Земли».
Lain_13
07.09.2016 15:26+6Ты даже не представляешь сколько денег ты бы так просадил ставя на «здравый смысл» за всё время научных изысканий человечества.
IgorKolpakov
07.09.2016 18:00Вряд ли в борьбе за такую даже в рублях небольшую сумму все физики мира скопом бросятся опровергать или подтверждать данное предположение.
mafia8
07.09.2016 14:01+1Так это радоваться надо, что гравитация такая слабая. Была бы сильная — вселенная «слиплась» бы в один комок.
Alexey2005
07.09.2016 14:07Не очень-то радостно, что гравитации не хватает даже на преодоление расширения Вселенной, которое в результате постепенно ускоряется и со временем развалит не только галактики, но даже и планетные системы.
abstracto
07.09.2016 15:32-3если в реальности вселенная бесконечна, то рано или поздно в нашу обозримую вселенную рано или поздно влетят новые галактики и начнут сталкиваться и пересоздавать всё. ну а если нет… «беда» :)
ARad
07.09.2016 16:35Бог все исправит ;) А если по серьезному, то вполне логично что и у вселенной должен быть конец.
OKyJIucT
07.09.2016 18:01+1При условии, что с течением времени не проявятся другие свойства пространства/времени/темной энергии/материи.
ls1
07.09.2016 18:01Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики.
А почему собственно «проблема»? Не понимаю. Феномен — да, факт — да, но причем тут проблема? Заказчику потребовался физический движок, в котором будут образовываться устойчивые объекты из ~10^56 примитивов, разработчик реализовал это путем добавления примитивам свойства притяжения с силой на 40 порядков меньше остальных сил. Нормальное решение, если оперируешь ресурсами масштаба вселенной.
yea
08.09.2016 01:32+3Проблема в том, что мы не понимаем, почему так происходит.
И, к тому же, в оригинале используется слово «problem» — оно имеет смысл дальше от «неприятность» и ближе к "[нерешённая] задача", так что в переводе при использовании аналогичного русского слова мы получили немного другую смысловую окраску.ls1
08.09.2016 05:11А я и не имел в виду «неприятности». Просто если исходить из идеи что суть нашей вселенной — физический симулятор (ведь кроме физики в ней ни кто ни чего интересного пока не обнаружил), то вопрос «почему константа x=y» теряет смысл. Вобщем, чтоб движок работал так, как мы видим, примитивы (элементарные частицы) должны иметь именно те свойства, которые имеют. А то, что мы не имеем понятия, кому и зачем это было надо и надо ли вообще — так это простите капитанство, ясное дело нам не доложат такие вещи, да и вопрос несколько за гранью физики.
NeoCode
07.09.2016 19:28Еще может оказаться что «темная энергия» это сила сродни гравитации, тоже очень слабая (вероятно еще более слабая чем гравитация) и действующая лишь в мегакосмических масштабах.
Arxitektor
07.09.2016 19:47Нормальное решение, если оперируешь ресурсами масштаба вселенной
И если бы гравитация была хотя бы раз в 10 больше то разумная жизнь вряд ле появилась бы и испытала бы сильные проблемы с выходом в космос.
А есть какие нибудь статьи что будет если сила гравитационного взаимодействия возрастёт?
на ум приходит резко уменьшиться срок жизни звёзд.
из-за того что звезда в основном баланс давления и гравитации.
может упасть минимальная масса для появления черных дыр.ls1
07.09.2016 20:11+1И если бы гравитация была хотя бы раз в 10 больше то разумная жизнь вряд ле появилась бы и испытала бы сильные проблемы с выходом в космос.
Ну так и не факт, что это первая версия движка. Мы, аборигены, обычно называем это Антропный_принцип
jcksmt
08.09.2016 12:46-1Все частицы имеют положительную массу. Допустим что существуют частицы которые имеют отрицательную массу. И во время большого взрыва их было поровну. Что произойдет после взрыва? Все что с отрицательной массой окажется за пределами вселенной. Внутри наша вселенная. И за счет начального взрыва мы и получаем нашу расширяющуюся вселенную.
AlekseiMorozov19730316Ru
08.09.2016 12:51-1>… для проблемы иерархии…
> или решения ей вообще нет;
> это просто может быть свойство природы
> безо всякого объяснения для него…
«Cвойство природы безо всякого объяснения для него» уместно лишь для трёх базовых первичных сущностей: пространства, времени и, разумеется, частицы эфира…
SergeyNick
08.09.2016 20:43-1В рамках стандартной модели эта «проблема» не решается, поскольку она (модель) не предлагает никакого внутреннего механизма возникновения и существования четырех основных взаимодействий. Эфиродинамика — худо-бедно, но такой механизм предлагает. И в рамках этого механизма никакой «проблемы иерархии взаимодействий» не существует.
glazunoff
09.09.2016 14:05+1Standard Model of Fundamental Particles and Interactions — красивый плакат. Переведённый никто не встречал?
willmore
Чуть устаревшая статья в том плане, что по сеансу БАКа на 13 ТэВ уже есть первые результаты, и никаких тяжелых частиц там не видно.
PavelGatilov
Вот мне интересно, если теория струн напрямую зависит от подтверждения теории суперсимметрии, что теперь будет с теорией струн? Найдут варианты где суперсимметрия не подтверждается? Или отбросят как бесперспективную?
napa3um
Даже Шелдон уже разочаровался и отказывается от струн.
willmore
Нет точных предсказаний масс суперпартнеров, они могут оказаться слишком тяжелые для БАКа. Все, что пока есть — это некоторые ограничения снизу. Так что пока рано говорить, что пора отказываться от суперсимметрии.
PavelGatilov
Я не говорю, что нужно отказаться, я говорю если. И вот мне интересно, что будет с теорией струн, если суперсимметрия не подтвердится экспериментально.
zemoff
Никакие эксперименты не мешают верить в общую теорию относительности, так и с теорией струн все и дальше будут верить может только математику чутка подправят. Вообще попытка описать весь мир антинаучна, наука нужна только чтобы находить лайфхаки которые может использовать техника, как только наука пытается объяснить мир она превращается в религию с хреновыми мантрами.
Zenitchik
Вы несёте что-то странное. Для того, чтобы находить лайфхаки нужно описание мира. И по мере роста сложности лайфхаков — всё более сложное описание.
ivaneska
Вот эту статейку читали? https://geektimes.ru/post/280080/
PavelGatilov
Читал и там нет ни слова о теории струн.
Mad__Max
Тогда вот эту: https://geektimes.ru/post/278820/
И ответ на исходный вопрос (что теперь будет с теорией струн? Найдут варианты где суперсимметрия не подтверждается? Или отбросят как бесперспективную? ) будет:
— кто-то разочаруется и забросит ее, оставшиеся (большинство) же придумают еще с десяток ее вариаций, где частицы по каким-то причинам должны быть еще более тяжелыми (или редкими) и поэтому для их опровержения нужен будет еще более мощный ускоритель чем БАК.
И так до бесконечности — пока ТС всем не надоест или хотя бы один из сотен ее вариантов не подтвердится. БАК в этом смысле ничего «закрыть» (доказать что суперсиметрии нет и что ТС не верны) не может — в ТС нет жестких ограничений на эти параметры и всегда можно будет говорить, что мы еще просто не добрались до нужного уровня по энергии и/или светимости и вот-вот эти недостающие частицы откроем.
artemt
Теория струн — это ненаучная теория в строгом смысле. Она ничего не предсказывает и никак не опровергается. Задумка была красивая, но вылилось всё в некое математическое описание реальности как мы её понимаем на основе каких-то искусственно внесённых параметров. Если завтра откроют что-то, что не вписывается в теорию струн, то можно будет добавить новых параметров и подобрать их значения под новую реальность.
Так что да, бесперпесктивна и бесполезна. Надо отказываться.