Tudás-erő weboldal magazin

Az alapvető fizika következő forradalmai

Mi van ma

A huszadik század végére befejeződött és nagyon sikeres elmélete volt az elemi részecskefizikának, amely leírja a természetben - négy elektromágneses, gyenge nukleáris és erős nukleáris kölcsönhatásban - működő négy alapvető erőt. Az elemi részecskék fizikájának megértése a kvantummező elméleten, vagyis a helyi mezők kvantummechanikai elméletén alapul.

Amint az a Standard Modell elemi részecskefizika, azaz az elmélet elektrogyenge kölcsönhatás és a kvantum-színdinamika (QCD), az kvantumtérelméletben, amennyire meg tudjuk ítélni, elméletileg írja le az összes erők a természetben megfigyelt. A standard modell rendkívül sikeres és nagyon jól tesztelt. Több száz kísérlet, amelyet elsősorban a gyorsítókon végeztettek, lehetővé tette, hogy 10-18 cm-ig terjedő távolságokba kerüljön az anyag szerkezetébe. És minden ilyen kísérletben az elmélet - a standard modell - jól működik. A kísérleti ellenőrzés pontossága rendkívül magas. A kvantumelektrodinamika (QED) esetében néha az elméleti előrejelzéseket 10-es pontossággal tesztelhetjük - a kísérleti és elméleti szempontból elképesztő eredmény. Abban az esetben, egy egységes elmélet elektrogyenge kölcsönhatás pontosságát kísérleti tesztek az elmélet néha közel egy 100 000. Még abban az esetben az erős kölcsönhatás, most már a pontosságát kísérleti igazolása kvantumszíndinamika hibával kevesebb mint egy százalék, közeledik az egyes kísérletek egy ezred. Így a standard modell rendkívül sikeres. Sőt, nem várható semmilyen okunk azt hinni, hogy ez a modell nem működik akár skálán arányos a hosszával heveder (amely kezdenek mutatni kvantum gravitáció), ami körülbelül 10 -33 cm.

A standard modell elméleti fejlődésének befejezése a huszadik század egyik legnagyobb természetes tudományos eredménye. Kifejlesztettünk egy átfogó elméletet a természetben fellépő nem gravitációs erőkről, a távolságok intervallumában, a Planck hossza és az Univerzum méretétől függően, vagyis 60 nagyságrenddel különbözik! Úgy tűnik, minden jól megy ...

Azonban a modell nyitva hagyja a kérdések jelentős részét nyitott kérdést, amelyek közül sokan, bár ebből erednek, véleményünk szerint nem oldódhatnak meg a kvantumtérelmélet keretei között. Például az elemi részecskék fizikáját vezérlő összes erőt az úgynevezett Yang-Mills terepi elmélet keretein belül írja le. És hogyan érdemelte meg a Yang-Mills-elmélet ilyen különleges helyzetet? A kvantummező elmélet keretében sok más erőszakváltozás elképzelhető. Miért nem jelennek meg? Ezután a Standard Modellben nem csak a mezők intenzitását, és az összes erő felszámolását vesszük figyelembe. Például az úgynevezett finomszerkezeti konstansokat kizárólag mérésekkel számolják ki. Fogalmunk sincs, miért van körülbelül 1/137.

Ezután az anyag - kvarkok és leptonok alapvető összetevőinek szerkezete tekintetében. Három (és miért három?) Felfedezést fedeztünk fel a kvarkok és a leptonok családjaiban, amelyek nagyon furcsa tömegekkel és keverékekkel rendelkeznek. Nincs magyarázatunk a tömegek és zűrzavarok ilyen struktúrájára, vagy éppen ezért nem is ismerjük az anyag létezésének okait.

Mindezen kérdésekre választ kapunk, nem csak a kíváncsiságunk kielégítésére, hanem azért is, mert ezek a válaszok nem fogják megérteni a világegyetem forrását és kezdetét. Nem látjuk válaszokat ezekre a kérdésekre sem a standard modellen belül, sem pedig a standard modell egyszerű kiterjesztéseinek keretében. Ez azt sugallja, hogy rendkívül kis távolságokon vagy ultrahigh energiákon alapvetően új fizikai törvények kezdenek működni. Visszatérve egy egyre forróbb és sűrűbb univerzum és egy egyre nagyobb részecske-energia idejéhez, elkerülhetetlenül azon a ponton kell nyugodnunk, ahol a fizika, úgy gondoljuk, más lesz.

A standard modellen túl

Az elmúlt harminc évben, közvetlenül a standard modell befejezése után, igyekeztünk választ kapni ezekre a kérdésekre, de nem sok sikert. Úgy tűnik, hogy ezekre a kérdésekre nem tudunk választ adni a standard modell (és valójában a kvantumtérelmélet mint ilyen) keretén belül. Ahhoz, hogy megpróbáljunk átlépni a szabványos modellt, és válaszolunk ezekre a kérdésekre, új kísérletekre van szükség nagyon kis távolságokon és ultrahigh energiákon. Ez azonban nehéz és költséges. Jelenleg nem állnak rendelkezésre az 1 TeV feletti energiákkal kapcsolatos kísérletek. De semmi sem akadályozza meg a teoretikusokat abban, hogy extrapolálják a szabványos modellt egyre nagyobb energiákra, és lássák, mi fog származni. Nem sokkal a Standard Modell befejezése után a teoretikusok extra erővel határozták meg az erő kölcsönhatásokat.

Alacsony energiák esetén minden erõ teljesen más módon jelenik meg. Az erős interakciók rendkívül intenzívek, míg a gyenge és elektromágneses kölcsönhatások sokkal kisebb mértékben nyilvánulnak meg. Azonban a kvantumtér elméletben minden erő függ a távolságtól. Az elektromágneses kölcsönhatás gyengül, ahogy a távolság megnövekszik, és éppen ellenkezőleg, rövid távolságon és nagy energián nő. Az erőteljes kölcsönhatás ellentétes módon viselkedik - nagy energiákon és rövid távon gyengül. Tehát elég nagy energiák esetén megegyezhet a gyenge és elektromágneses interakciók erőinek intenzitásával. Majdnem harminc évvel ezelőtt azt találták, hogy ha mindhárom erőt extrapolálják, akkor az ultrahigh-energia határértékek tartományában egyenrangúak (konvergálnak). Ez volt az első kulcs egy újabb fizikai küszöb létezéséhez - olyan ultrahigh energiáknál, amelyek messze túlmutatnak a modern megfigyelési képességeken - mögött az energiaalakítás minden ereje egyesül az elmélkedés keretein belül.

Az idei évben a CERN-ben (Genfben) új gyorsító - a Large Hadron Collider (Large Hardon Collider, LHC). Arra számítunk, hogy alapvetően új fizikai jelenségeket nyitunk az LHC-nek. Az úgynevezett Higgs-bozon, a Standard modell keretében megjelenő részecske felfedezése határozottan elvárható. De az LHC legizgalmasabb kilátása a szuperszimmetria felfedezése.

A szupersimetria csodálatos elméleti koncepció. Eszerint minden részecske "szuperpartnerrel" rendelkezik - a megfelelő "superparticellel". Quark felel superpartner úgynevezett „Squarks” elektron - a partner a nulla centrifugálás „című Selectron” foton (fény kvantum) - fermionos partner centrifugálás 1/2 „című photino” graviton (transzporter gravitációs kölcsönhatás centrifugálás 2) - partner egy spin 3/2 nevű "gravitino". Általában minden részecskét, amelyet megfigyelünk, szuperpartnernek kell lennie. Eddig nem figyeltünk szuperpartner részecskéket.

A szupersimetria számos gyönyörű tulajdonsággal rendelkezik. A fionionok (vagyis az anyag elsődleges elemeinek alkotóelemei) és a bozonok (vagyis az erő kölcsönhatások kvantuma) szimmetria elvével egyesül. A szuperszimmetria azonban nagyon hasznos eszköz az elemi részecskék fenomenológiájának tanulmányozása szempontjából. Képes választ adni arra a kérdésre, hogy miért olyan nagy a társulás mértéke. Az elmúlt húsz évben a Standard Modell keretén belül fellépő erők pontosabb és pontosabb mérését végeztük el, és változásaink pontosabb számításait az interakciók energiájától függően végeztük el. Kiderült, hogy a szuperszimmetria nélkül a számítások nem illeszkednek egymáshoz. Ha azonban egyszerűen a standard modellt alkalmazzuk és minimális szupersimmetriát vezetünk be, majd azt feltételezzük, hogy az 1 TeV sorrendű energiák megsértése esetén, akkor minden ideális esetben konvergál.

És ez egy nagyon erős kulcsfontosságú érv a természetfeletti szupersimmetria fennállásának és az LHC megnyitásának a javára.

Pontosabb extrapolációi segítenek nekünk abban, hogy megértsük, hol és milyen energiával zárják az erőket. Még nagyobb - körülbelül 10 18 GeV, vagyis 10 14-szer nagyobb az LHC energiájánál nagyobb energia. Ez az elemi részecskék fizikáját komoly probléma előtt teszi. Hogyan lehet felfedezni az energia nagyságát és új fizikai jelenségeket felfedezni? Vajon a teoretikusok képesek-e elvben extrapolálni a modellt oly sok nagyságrenddel?

Ki lehet extrapolálni a Planck hosszára?

Lehetséges-e elképzelni egy olyan új fizika felfedezését, amely felelős az összes erő egyesítéséért, ha a természetes energia-skálája annyira messze van a közvetlen kísérleti kutatás lehetőségeitől? Az egyik oka annak, hogy számíthatunk erre a lehetőségre, az, hogy nagyon szilárd alapot nyújtunk - a standard modellt. Az elmélet megváltoztatása nem könnyű. Nehéz olyan új alternatív elméletet is megfogalmazni, amely lehetővé tenné számunkra, hogy minden erõt nagy energiákkal egyesítsünk, és ezzel egyidejûleg ne ellenezzük az alacsony energiákon felhalmozott kísérleti adatokat. Tehát jó kiindulási helyzetünk van, ami súlyosan korlátozza a Standard Modell módosítását.

Egy másik ok, amiért számíthatunk az összes erő kölcsönhatás sikeres egyesítésére, közvetlen utalás a gravitációnak az egységesítés új fizikai elméletébe történő felvételére. Az 1018 GeV-ben való egyesülés energiája nagyon közel áll a gravitáció átalakulásának energiájához erős kölcsönhatásig. Alacsony energia esetén a gravitáció a nagyon gyenge kölcsönhatások kategóriájára utal. A normál atomfizika, valamint az alacsony energiaigényű elemi részecskék fizikájában elhanyagolható a gravitáció. De a gravitációs attrakció ereje kapcsolódik a tömeghez, ami viszont az energiával egyenértékű. Ezért, az erő a gravitációs vonzás arányosan nő a tér az energia, és gyorsan egy vonalban, és egyesítjük az összes többi erők (amely függ az energia logaritmikusan) elérésekor a Planck-energia skálán a sorrendben 1019 GeV. Ez egy nagyon fontos kulcs, mivel azt jelzi, hogy a természet összes erői nagy egységének a gravitációra kell kiterjednie. Mivel nagyon nehéz kialakítani egy elmélet, beleértve az összes erők, beleértve a gravitációt, és ezzel egyidejűleg megfelelő tudásunk a jelenség figyelhető meg alacsony energiákon, teoretikusok is van esélye, hogy megértsék, mi történik ott, és anélkül, hogy közvetlen kísérleti méréseket Planck skála.

Az a tény, hogy a súlyosságon alapuló szakszervezeti skálán nagyon fontos kulcs, mivel arra kényszerít minket, hogy túllépjünk a kvantummező modellen. Mint ismeretes, az Einstein elméletének közvetlen kvantálására irányuló kísérletek nem vezetnek sehol. Kétségek merültek fel a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet kölcsönös konzisztenciájával kapcsolatban. Alternatívaként azt javasolják, hogy Einstein elmélete csak egy hatékony, de nem végleges és teljes gravitációs elmélet. Igen, leírja a gravitációt, de csak a Planck hosszúságánál sokkal nagyobb távolságokon. Ha fizika a Planck skála skáláján, akkor új elméletre van szüksége, amely alapvetően különbözik a kvantumtér elméletétől. Véleményem szerint ez a szerep csak a zsinórelmélet.

A húrelmélethez kapcsolódó remények

A string-elmélet sokat ígér a jövőben. Azt reméli, hogy végül egyesülni fog a természeti erő minden erejével, új tér és idő koncepciókat fejleszt ki, hogy megoldja a kvantum gravitáció és a kozmológia fontos rejtélyeit. Ezek ambiciózus célok, és végrehajtása sokáig tarthat. A tér és az idő fogalmában forradalom lesz. Eközben a húrelmélet elmélyíti a hagyományos Yang-Mills elméletbe való behatolásunkat. Számos betekintést is eredményezett a matematikában, új struktúrák, módszerek és ötletek létrehozását, amelyeket a matematikusok korábban nem gondoltak. Ma a matematikusok és a sztori elméletek közös kutatásokat végeznek a matematika számos területén, például az algebrai geometriában.

A húrelmélet szintén új spekulatív ötleteket motivált, amelyek új kísérleteket ösztönöztek. Az egyik legizgalmasabb a szuper-nagy térbeli dimenziókhoz. Az egyetlen mód arra, hogy más térbeli dimenziókat láthassunk vagy érezzünk, az "extraszűrés" gravitációs ingadozásait eredményezi. Érdemes megjegyezni, hogy az ilyen spekulációk nem ellentétesek a modern kísérletekkel. Sokan nem zárja ki annak a lehetőségét, hogy az új kísérletek, például az LHC vezethet a felfedezés a makroszkopikus extra dimenziók. Az extra méretű további mérések létezése nagyon érdekes hatásokhoz vezetne. Egyesek szerint a forgatókönyv, a skála és a Planck-skála húrelmélet vannak sokkal alacsonyabb energiákon, és akkor lehet képzelni, például a kialakulása egy fekete lyuk eredményeként ütközések protonok.

A húrelmélet más fenomenológiai forgatókönyveket is kínál. Az egyik legérdekesebb az, hogy az univerzum tele van az intergalaktikus vagy akár univerzális dimenziókkal. Általában a húr rendkívül kicsi - a hossza hasonló a Planck-hoz. Annak érdekében, hogy makroszkopikus méretűre nyúljanak, óriási energiát igényelt. Szerint azonban az infláció elmélet, amely úgy tűnik, teljesen megfelelően írja le a kozmológia, az egész megfigyelhető univerzum ma az eredménye megnövekszik apró régióban a tér körülbelül akkora a Planck-hossz. Így a világegyetem elején a szálak dimenziói és a látható univerzumig duzzadt tér térsége egyenlő. Mivel a terület felfújt, a húrok is nyúltak. A világegyetem kiterjedése biztosította a szükséges húzóhuzalenergiát, és most az egész világegyetemben hosszú lehet.

Azonban a makroszkopikus új dimenziók és a kozmikus húrok - hipotézisek túlságosan spekulatívak a modern húrelmélet szempontjából. Nem vitathatjuk, hogy a megerősítés valószínűsége nagyszerű. Azonban fontos ösztönzést kísérletezni, hogy megtalálják az új hatásokat az LHC és a gravitációs hullám detektorokkal és pont a tapinthatóság a közeljövőben (bár én személy szerint nagyon valószínűtlen) közvetlen a hatások megfigyelését a húrok a laboratóriumok vagy megfigyelő.

... Szóval milyen hamar jön létre a húrelmélet ígérete? Hat évvel ezelőtt kevésbé optimistán néztem a jövőre, és általában azt mondtam, hogy a húrelmélet sikerének meg kell várnia a következő évezredig. Ma már optimistább vagyok: hiszem, hogy visszatér az ezredfordulón.