Спросите итана кто такой итан
Спросите Итана: как близко мы подошли к Теории Всего?
Идея того, что все взаимодействия и частицы, наблюдаемые сегодня, являются проявлениями единой, всеобъемлющей теории, притягательна, но требует дополнительных измерений и кучи новых видов частиц и взаимодействий
Задолго до Эйнштейна у людей, изучавших Вселенную, была мечта найти единое уравнение, охватывающее как можно больше явлений. Вместо того, чтобы для каждого физического свойства Вселенной иметь свой закон, можно было бы объединить их в единую, всеобъемлющую платформу. Все законы электрических зарядов, магнетизма, электрических токов, индукции и прочего были объединены в одну платформу Джеймсом Клерком Максвеллом в середине XIX века. С тех пор физики мечтали о Теории всего: едином уравнении, управляющем всеми законами Вселенной. Какого прогресса мы достигли? Таков вопрос нашего читателя, желающего узнать:
Добилась ли наука прогресса в отношении Теории Великого объединения (ТВО) и Теории всего? Не могли бы вы пояснить, что для нас означало бы, если бы мы нашли объединяющее уравнение?
Да, прогресс достигнут, но до цели мы пока не добрались. Кроме того, нет даже уверенности в том, что Теория всего вообще существует.
Электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия — это четыре известных фундаментальных взаимодействия Вселенной
Идея объединения гравитации и электромагнетизма восходит к началу 1920-х и к работам Теодора Калуцы и Оскара Клейна.
Добавление дополнительного пространственного измерения к эйнштейновской ОТО, пятого по счёту (кроме стандартных трёх пространственных и одного временного) дало в результате появление эйнштейновской гравитации, максвелловского электромагнетизма и нового, дополнительного скалярного поля. Дополнительное измерение должно быть достаточно малым, чтобы не мешать законам гравитации, а у дополнительного скалярного поля не должно быть различимого влияния на Вселенную. Поскольку с таким подходом сформулировать квантовую теорию гравитации было никак невозможно, открытие квантовой физики и ядерных сил — которые эта попытка объединения была неспособна учесть — лишило подход популярности.
Кварки, антикварки и глюоны Стандартной модели обладают цветным зарядом, кроме всех остальных свойств, таких, как масса и электрический заряд. Стандартную модель можно записать в виде одного уравнения, но внутри неё взаимодействия не будут объединены.
Однако сильное и слабое ядерные взаимодействия привели к формулировке Стандартной модели в 1968 году, собравшей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие под одним всеохватывающим зонтиком. Были учтены все частицы и их взаимодействия, было сделано несколько новых предсказаний, включая и крупное предсказание насчёт объединения. На высоких энергиях порядка 100 ГэВ (энергия, требуемая для разгона одного электрона до потенциала в 100 млрд вольт) симметрия, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие должна восстановиться. Было предсказано существование новых массивных бозонов, и с открытием бозонов W и Z в 1983 году это предсказание было подтверждено. Четыре фундаментальных взаимодействия свели к трём.
Идея объединения говорит о том, что все три взаимодействия Стандартной модели, и, возможно, даже гравитация, при высоких энергиях объединяются в единую платформу
Объединение уже было интересной идеей, но её стали развивать модели. Люди предположили, что на ещё более высоких энергиях сильное взаимодействие объединится с электрослабым; именно отсюда возникла идея Великих теорий объединения. Кое-кто предположил, что на ещё более высоких энергиях, возможно, в районе планковской шкалы, гравитация также присоединится к остальным; это было одной из главных мотиваций теории струн. Интересной особенностью этих идей является то, что если вам нужно объединение, вам нужно восстановить симметрии на высоких энергиях. А если у Вселенной на высоких энергиях есть симметрии, нарушенные в настоящий момент, это можно перевести в нечто наблюдаемое: новые частицы и новые взаимодействия.
Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные двойники. Этот спектр частиц — неминуемое следствие объединения четырёх фундаментальных взаимодействий в контексте теории струн
Так какие новые частицы и взаимодействия предсказываются? Это зависит от того, какой из вариантов теорий объединения выбрать. Сюда входят:
• Тяжёлые, нейтральные частицы, похожие на тёмную материю.
• Суперсимметричные партнёры частиц.
• Магнитные монополи.
• Тяжёлые, заряженные скалярные бозоны [с нулевым спином / прим. перев.].
• Множество частиц, похожих на частицу Хиггса.
• Частицы-посредники в распаде протона.
Хотя из непрямых наблюдений мы с уверенностью можем утверждать существование тёмной материи, никакие из этих частиц или предсказанных распадов не наблюдались в экспериментах.
В 1982 году в эксперименте под руководством Бласа Кабреры, с восемью петлями провода, было зафиксировано изменение в восьми магнетонах: признак магнитного монополя. К сожалению, во время обнаружения в лаборатории никого не было, и никому с тех пор не удавалось воспроизвести этот эксперимент или найти второй монополь.
А жаль — по многим причинам, поскольку мы очень активно всё это искали. В 1982 году один из экспериментов, искавших магнитные монополи, зарегистрировал единственный положительный результат, благодаря чему у него появилось множество последователей, пытавшихся обнаружить монополи. К несчастью, тот положительный результат был аномалией, и его так никто и не воспроизвёл. Также в 1980-х люди начали строить гигантские цистерны с водой и другими ядрами атомов в поисках свидетельств распада протона. Эти цистерны в итоге переделали под датчики нейтрино, и ни одного распада протона зафиксировано не было. Ограничение времени жизни протона теперь превышает 10 35 лет — примерно на 25 порядков больше возраста Вселенной.
Заполненная водой цистерна эксперимента Супер-Камиоканде, установившего самые строгие ограничения на время жизни протона. Позднее подобные детекторы стали прекрасными обсерваториями нейтрино, но не зарегистрировали ни одного распада протона
Это тоже плохо, поскольку Великое Объединение предлагает аккуратный и элегантный способ создания асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной. В раннее время Вселенная была достаточно горячей для того, чтобы произвести пары материя/антиматерия и все частицы, которые только могу быть. В большинстве ТВО две таких существующих частицы — это сверхтяжёлые бозоны X и Y, обладающие зарядами и содержащие пары кварков и лептонов. Ожидается, что асимметрия проявляется в том, как распадаются их версии для материи и антиматерии, что и может привести к преобладанию остатков материи над антиматерией, даже если изначально преобладания не было. К несчастью, опять-таки нам ещё предстоит отыскать свидетельства наличия таких частиц и их взаимодействий.
Симметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X, Y, анти-X, анти-Y) может, при наличии нужных свойств ТВО, породить асимметрию материи/антиматерии, наблюдаемую во Вселенной сегодня
Некоторые физики стоят на том, что во Вселенной обязаны быть такие симметрии, и что их свидетельства просто находятся за пределами доступных на БАК энергий. Другие приходят к менее удобной возможности: вероятно, природа не стремится к объединению. Возможно, не существует ТВО, описывающей нашу физическую реальность; возможно, квантовая теория гравитации не объединяется с другими взаимодействиями; возможно, у проблем бариогенеза и тёмной материи есть иные решения, не следующие из этих идей. Ведь итоговым арбитром того, на что похожа Вселенная, будут не наши идеи об этом, а результаты экспериментов и наблюдений. Мы можем лишь задать Вселенной вопрос о том, какова она; именно нам предстоит прислушаться к ответу и действовать, исходя из него.
Лагранжиан Стандартной модели — единое уравнение, включающее частицы и взаимодействия Стандартной модели. У него есть пять независимых частей: глюоны (1), слабые бозоны (2), взаимодействие материи со слабым взаимодействием и полем Хиггса (3), частицы-духи, устраняющие избыточность поля Хиггса (4) и духи Фаддеева — Попова, влияющие на избыточность слабого взаимодействия (5). Массы нейтрино сюда не входят.
Хотя мы можем записать Стандартную модель в виде одного уравнения, это не теория объединения в том смысле, что разными компонентами Вселенной управляют разные, отдельные, независимые члены. Разные части Стандартной модели не взаимодействуют друг с другом — цветной заряд не влияет на электромагнитные или слабые взаимодействия. Также нет ответа на вопросы по поводу того, почему не происходят взаимодействия типа нарушения СР-инвариантности в сильном взаимодействии, которые должны происходить.
При восстановлении симметрий (на высшем значении потенциала) происходит объединение. Однако нарушение симметрий, в основании холма, соответствует имеющейся у нас сегодня Вселенной, где существуют новые виды массивных частиц
Многие надеются на то, что в объединении содержится ответ на эти вопросы, и что оно решит множество открытых проблем и загадок современной физики. Однако любые виды дополнительных симметрий — симметрий, восстанавливающихся при высоких энергиях, а сегодня нарушенных — ведут к появлению новых частиц, новых взаимодействий и новых физических правил, по которым должна играть Вселенная. Мы пытались провести реверс-инжиниринг некоторых предсказаний, используя те правила, которые нужны для того, чтобы всё работало — однако частицы и объединения, которые мы надеялись увидеть, так и не появились. Объединение не поможет вам вывести такие проявляющиеся свойства, как химия, биология, геология, сознание — но поможет нам лучше понять, откуда и как всё появилось.
Космическая история всей известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света в ней мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва
Конечно, есть и другая возможность: то, что Вселенная может не объединиться. То, что множество разных законов и правил существуют не просто так: изобретённые нами симметрии являются просто математическими особенностями, а не описаниями физической Вселенной. На каждую элегантную, красивую, убедительную физическую теорию найдётся другая, настолько же элегантная, красивая и убедительная физическая теория — но ложная. В этих, как и во всех научных вопросах, задача человечества — задавать правильные вопросы. Ну а задача Вселенной — обеспечить нас ответами. Какими бы они ни были, у нас есть такая Вселенная, какая есть. И мы должны понять, что означают эти ответы.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Спросите Итана: как мы можем заглядывать так далеко, находясь в такой молодой Вселенной?
Изображение чрезвычайно удалённой части Вселенной, многие галактики находятся в десятках миллиардов световых лет от нас
Как мы можем изучать участок космоса размером в 92 млрд миль [видимо, имелось в виду световых лет – прим. перев.], когда свет с краёв шёл к нам только 13,7 млрд лет? Даже если предположить, что эти точки отодвинулись от нас дальше за время путешествия света, и мы рассчитываем, где они должны быть, а не где мы их видим, и учитывая, что пространство на таких расстояниях расширяется быстрее с, всё равно кажется, что это слишком большие числа.
К этой задачке можно подойти с трёх сторон, но лишь одна будет верной.
Логарифмическое изображение обозримой Вселенной в представлении художника
1) Вещество есть везде, а свет двигается со скоростью света. По умолчанию у людей складывается именно такая картина. Можно представить себе Вселенную, заполненную звёздами и галактиками везде, где ни посмотри, и то, что эти звёзды и галактики начали формироваться почти сразу после начала всего. Поэтому, чем дольше мы ждём, тем дальше можем видеть, так как свет двигается по прямой со скоростью света. Поэтому через 13,8 млрд лет можно ожидать, что мы сумеем заглянуть назад почти на 13,8 млрд лет, вычтя только время, потребовавшееся на формирование звёзд и галактик после Большого взрыва.
2) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, и всё может передвигаться в пространстве. У проблемы появляется ещё один уровень – существует не только куча испускающего свет вещества, но эти объекты ещё и двигаются друг относительно друга. Поскольку они могут двигаться в том числе и почти со скоростью света по правилам СТО, а свет двигается в вашу сторону со скоростью света, то можно ожидать, что мы сумеем заглянуть на расстояние почти в два раза большее, чем в первом пункте. Возможно, объекты могут находиться сейчас на расстоянии в 27,6 млрд световых лет от нас, если испускаемый ими свет только сейчас дошёл до нас, а сами они двигаются от нас почти со скоростью света.
3) Вещество есть везде, свет двигается со скоростью с, всё может передвигаться в пространстве, а Вселенная расширяется. Этот последний уровень – самый неинтуитивный, и вызывает больше всего проблем. Да, пространство заполнено материей, которая быстро скапливается в звёзды, галактики и структуры большего размера. Да, свет, излучаемый ею, двигается со скоростью с, скоростью света в вакууме. Вся эта материя может двигаться в пространстве, чаще всего из-за обоюдного гравитационного притяжения различных участков с увеличенной и уменьшенной плотностью. Всё это так, как было и в варианте 2.
Добавляется то, что само пространство тоже расширяется. Когда вы смотрите на удалённую галактику и видите, что она краснее нормального, то принято считать, что она краснее из-за движения, направленного в сторону от нас, в результате чего свет и сдвигается в красную часть волнового спектра. Точно так же звук сирены, двигающейся от вас, сдвигается к более длинным волнам и кажется ниже. Но это всё относится и ко второму варианту. ОТО добавляет ещё один момент, расширение пространства. И с расширением Вселенной ткань пространства растягивается, и у отдельных световых волн в пространстве длины также увелиичваются!
Вы можете решить, что эти два эффекта невозможно различить. Если всё, что можно измерить – это длину волны света, доходящего до вашего глаза, как можно быть уверенным, растянулась ли она за счёт движения или за счёт ткани пространства? Оказывается, существует взаимоотношение между красным смещением (а следовательно, и длиной волны) и наблюдаемой яркостью галактики, зависящей от расстояния. В нерасширяющейся Вселенной, как мы описали ранее, максимальное расстояние, на которое можно заглянуть, составит два возраста Вселенной в световых годах: 27,6 млрд световых лет. Но в нашей сегодняшней Вселенной мы уже увидели более отдалённые галактики!
Обзор GOODS-North, на фото одни из самых удалённых галактик из всех, что мы видели. Большая часть находится за пределами 30 млрд световых лет.
Так насколько далеко мы можем заглянуть? Если бы во Вселенной не было тёмной энергии, то самые дальние объекты – звёзды, галактики, остаточное свечение от Большого взрыва, и т.п. – были бы ограничены 41,4 млрд световых лет. Но во Вселенной с тёмной энергией эта величина ещё больше, и составляет порядка 46 млрд световых лет для наблюдаемой тёмной энергии.
blogs-images.forbes.com/startswithabang/files/2016/08/1-U1TKSOmpfiu_JRkSDzPquA.jpg
Пунктирная линия – предсказания СТО, сплошная – ОТО, для расстояний в расширяющейся Вселенной. Наблюдения совпадают с предсказаниями ОТО.
Сложив всё это вместе, получим, что расстояние, на котором мы наблюдаем Вселенную, от одного конца до другого составляет 92 млрд световых лет. Не забывайте, что она постоянно расширяется. Если бы мы сегодня отправились в путь со скоростью света, мы смогли пройти бы только треть её размера в поперечнике, примерно 3% от объёма.
Поэтому, хотя 92 млрд световых лет кажутся большой величиной для Вселенной возрастом в 13,8 млрд лет, но это правильная величина для Вселенной, заполненной материей, тёмной энергией, и подчиняющейся законам ОТО. Причиной такого огромного размера служит то, что космос расширяется, и что новое пространство постоянно создаётся в промежутках между связанными галактиками, группами и скоплениями. Если учесть всё то, что в ней есть, что управляет ею и как появилось, получается, что по-другому и быть не могло.
Спросите Итана: что такое пространство-время?
Не могли бы вы как-нибудь написать рассказ с пояснением для обычного человека по поводу метрики, используемой в ОТО?
Перед тем, как добраться до «метрики», начнём с самого начала, и обсудим наши концепции, связанные с Вселенной.
У квантов, будь это волны, частицы, или нечто среднее, есть определяющие их свойства. Но им требуется сцена, на которой они взаимодействуют и рассказывают историю Вселенной
На фундаментальном уровне Вселенная состоит из квантов – сущностей с физическими свойствами вроде массы, заряда, импульса, и т.п. – способных взаимодействовать друг с другом. Квант может быть частицей, волной, или чем-то в промежуточном состоянии, в зависимости от того, как его рассматривать. Два и более кванта могут связываться вместе, образовывая такие сложные структуры, как протоны, атомы, молекулы, и даже людей. Возможно, квантовая физика ещё молодая наука, основанная по большей части в XX веке, но идея о том, что Вселенная состоит из невидимых сущностей, взаимодействующих друг с другом, родилась ещё 2000 лет назад, не позднее Демокрита Абдерского.
Но, вне зависимости от того, из чего сделана Вселенная, её составляющим необходима сцена, на которой они могут двигаться, чтобы взаимодействовать. 
Закон всемирного тяготения Ньютона был замещён общей теории относительности Эйнштейна, и основывался на концепции мгновенного взаимодействия на расстоянии.
Во вселенной Ньютона сцена была плоским, пустым, абсолютным пространством. Пространство было фиксированным, напоминавшим декартову решётку – трёхмерной структурой с осями x, y и z. Время всегда шло с определённой скоростью и тоже было абсолютным. Для любого наблюдателя, частицы, волны, кванта, пространство и время повсюду воспринималось одинаково. Но к концу XIX века было ясно, что у концепции Ньютона есть недостатки. Частицы, двигающиеся почти со скоростью света, ощущали время (оно замедлялось), и пространство (оно сокращалось) по-другому по сравнению с частицей, которая медленно или вообще не двигалась. Энергия и импульс частицы внезапно стали зависеть от системы отсчёта, из чего следовало, что пространство и время не были абсолютными – то, как вы воспринимаете Вселенную, зависит от того, как вы двигаетесь.
Световые часы работают с разными скоростями для разных наблюдателей, движущихся друг относительно друга, из-за постоянства скорости света.
Отсюда вышла и специальная теория относительности: некоторые вещи были инвариантными, например, масса покоя частицы или скорость света, а другие преобразовываются в зависимости от того, как вы двигаетесь сквозь пространство и время. В 1907 году бывший профессор Эйнштейна, Герман Минковский, совершил гениальный прорыв: он показал, что пространство и время можно выразить одной формулой. Одним махом он разработал формализм пространства-времени. Это дало частицам сцену, по которой можно двигаться через Вселенную и взаимодействовать друг с другом. Но туда не входила гравитация. Разработанная им сцена – по сию пору известная, как пространство Минковского – описывает всю СТО, и даёт основу для большей части квантовых расчётов, которые мы проводим.
Обычно расчёты квантовой теории поля проводятся в плоском пространстве, но ОТО идёт дальше и вводит искривлённое пространство. Там такие расчёты оказываются гораздо более сложными
Если бы гравитации не существовало, пространство-время Минковского давало бы нам всё, что нужно. Пространство-время было бы простым, неискривлённым, и просто давало бы материи сцену для того, чтобы двигаться и взаимодействовать. Ускоряться можно было бы только посредством взаимодействия с другой частицей. Но в нашей Вселенной присутствует сила гравитации, и именно принцип эквивалентности Эйнштейна рассказал нам о том, что если вы не знаете, что вас ускоряет, то гравитация действует на вас так же, как любое другое ускорение.
Одинаковое поведение падающего на пол мяча в ускоряющейся ракете и на Земле – демонстрация принципа эквивалентности Эйнштейна
Именно это откровение и его математическая связь с пространством-временем Минковского привела к появлению ОТО. Основное отличие между пространством Минковского в СТО и искривлённым пространством, появляющимся в ОТО – математический формализм, известный, как метрический тензор. Иногда его называют метрическим тензором Эйнштейна или римановой метрикой. Риман был математиком XIX века (бывший студент Гаусса – возможно, величайшего математика), и он построил формализм, описывающий существование полей, линий, арок, расстояний в произвольно искривлённом пространстве любой размерности. У Эйнштейна (и его помощников) почти десять лет ушло на то, чтобы справиться со сложностями математики – но они всё сделали, и у нас появилась ОТО. Эта теория описывает нашу Вселенную с тремя пространственными и одним временным измерением, в которой существует гравитация.
Искривление пространства-времени гравитационными массами
Метрический тензор определяет искривление пространства-времени. Его кривизна зависит от материи, энергии и имеющимися у них напряжениями. Содержимое Вселенной определяет её кривизну пространства-времени. Справедливо и то, что искривлённость Вселенной определяет, как сквозь неё будут двигаться материя и энергия. Нам нравится считать, что движущийся объект будет продолжать движение – первый закон Ньютона. Мы представляем себе это как прямую линию, но искривлённое пространство говорит нам о том, что вместо неё объект движется по геодезической кривой – определённым образом искривлённой линии, соответствующей неускоренному движению. Ирония в том, что эта кривая не обязательно прямая, которая является кратчайшим путём между двумя точками. Даже на космических масштабах видно, как проявляется искривление пространства-времени в присутствии экстраординарных масс, способных искривлять свет, идущий из-за них, что иногда может приводить к размножению изображений.
Иллюстрация гравитационного линзирования и искривления массой звёздного света
Множество различных аспектов физики делают вклад в метрический тензор в ОТО. Мы представляем себе гравитацию, как результат влияния масс: расположение и величина разных масс определяет гравитационное взаимодействие. В ОТО это соответствует плотности массы, и действительно вносит свой вклад – но только как один из 16 компонентов метрического тензора! В нём есть компоненты, связанные с давлением (давление излучение, давление вакуума, давления, создаваемые быстро движущимися частицами), и ещё три дополнительных аспекта (по одному на каждое пространственное измерение), делающие свой вклад. И, наконец, есть ещё шесть компонентов, говорящих о том, как объёмы меняются и деформируются в присутствии масс и приливных сил, а также о том, как искривляют эти силы форму движущегося тела. Это относится ко всему, от планет типа Земли и нейтронных звёзд до безмассовых волн, движущихся в пространстве – гравитационного излучения.
Все массы движутся в пространстве-времени друг относительно друга, и излучают гравитационные волны – рябь самого пространства-времени
Вы могли заметить, что 1 + 3 + 6 ≠ 16, а 10; а вы наблюдательный! Метрический тензор, пусть и сущность размерности 4 х 4, но он симметричен, то есть, у него есть четыре диагональных компонента (плотность и давление) и шесть независимых компонентов, стоящих не на диагонали (компоненты объёма и деформации). Шесть остальных не лежащих на диагонали компонентов уникальным образом определяются симметрией. Метрика говорит о взаимосвязи между материей и энергией Вселенной и кривизной пространства-времени. Уникальные возможности ОТО говорят о том, что если вы знаете, где во Вселенной находятся вся материя и энергия и что они делают, вы можете определить всю эволюционную историю Вселенной – прошлую, настоящую и будущую.
Четыре вероятных судьбы Вселенной. Самый нижний вариант лучше всего соответствует данным: Вселенная с тёмной энергией
Именно так и началась область, в которой я работаю, космология, подразделение теоретической физики! Открытие расширяющейся Вселенной, её появление из Большого взрыва и доминирование тёмной энергии, которое приведёт к её холодной и пустой судьбе – всё это можно понять только в контексте общей теории относительности, а это значит, к пониманию ключевого взаимодействия между материей/энергией и пространством-временем. Вселенная – это пьеса, разворачивающаяся при каждом взаимодействии одной частицы с другой, а пространство-время – это сцена, на которой эта пьеса идёт. Нужно помнить только одну ключевую контринтуитивную вещь – сцена не является неизменной для всех, но и сама эволюционирует вместе со Вселенной.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].