Чотири великі експериментальні відкриття у сучасній фізиці: огляд від Максима Стріхи

На завершення академік АН вищої школи України М. В. Стріха зробив огляд стану досліджень на фронтирах сучасної фізики.

Він наголосив: десятиліття експериментів у фізиці елементарних частинок з використанням таких велетенських установок, як Великий адронний колайдер (ВАК) ЦЕРНу, разом із розвитком теорії народили Стандартну модель.

Вона поділяє всі відомі елементарні частинки на класи й пояснює походження трьох із чотирьох фундаментальних взаємодій, які дають лад Всесвітові на відстанях від кварків і до галактик, — електромагнітній взаємодії і так званим слабкій та сильній взаємодіям в атомному ядрі.

Але вона не описує гравітації, яку окремо пояснює загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, яка, на відміну від Стантартної моделі, принципово не містить ідеї квантування.

Сьогодні теоретики намагаються досягнути квантування гравітації і вкладання її в одну схему з іншими трьома взаємодіями, описуваними Стандартною моделлю. Таке об’єднання призведе до універсальної Теорії всього, яка описуватиме дійсність на будь-якому масштабі відстаней.

Чільним кандидатом на появу такої теорії в очах великої частини фізиків є Теорія струн, у якій крихітні одновимірні об’єкти, названі струнами, замінять точкові елементарні частинки.

Але, оскільки струни мають масштаб 10-35 м, таку теорію принципово неможливо перевірити на досліді, адже вона потребуватиме прискорювача частинок настільки більшого від ВАК, що його навряд чи можна буде спорудити.

Ставши перед відсутністю інших теоретичних проривів, деякі фізики пропонують не перейматися експериментальним підтвердженням і просто прийняти Теорію струн і пов’язану з нею ідею про те, що дійсність складається з множинних світів, «множинного всесвіту», — що є радикальним відходом від того, як фізика діяла впродовж століть. Така пропозиція викликає гарячі заперечення з боку інших авторитетних науковців, зокрема й нобелівського лауреата з фізики 2020 р. Роджера Пенроуза.

Впродовж останніх десятиліть сталися чотири великі експериментальні відкриття. З них два — очікувані: це відкриття Бозона Гіггса (2012), яке надало завершеності Стандартній моделі, і виявлення гравітаційних хвиль (2015), яке підтвердило зроблене ще за сотню років перед тим передбачення Ейнштейна з його загальної теорії відносності, що гравітаційну взаємодію переносять зі швидкістю світла збурення часопростору.

Комп’ютерна симуляція поведінки «чорної діри» підтвердила, що вловлений сигнал походить від зіткнення двох «чорних дір» на відстані 1,4 мільярда світлових років від нас.

Але два інші відкриття виявилися цілком неочікуваними.

«Темну матерію» відкрили спершу непрямим шляхом, через спричинені нею гравітаційні ефекти. Потому, як попередні астрономічні дані вказали на існування невидимої космічної матерії, у 1970-ті американська астрономиня Вера Рубін помітила аномалії в динаміці спіральних галактик, таких, як наш власний Чумацький Шлях.

Як і будь-які інші тіла, що обертаються, ці велетенські «дзиґи» розгубили б усі свої зовнішні частини, якби їх не стримувало тяжіння серцевини галактики, обумовлене її масою.

Рубін виявила, що для утримання зірок від розлітання навсібіч потрібна в багато разів більша маса, аніж її видно в галактиці, — і це було перше надійне підтвердження існування «темної матерії».

«Темну енергію» також відкрили непрямим шляхом. У 1998 р. астрономи виявили, що деякі наднові потужні вибухи зірок у їхніх передсмертних муках — у мільярдах світлових років від нас — є  тьмянішими, аніж це передбачає теорія розширення Всесвіту після Великого вибуху.

Нові дані показали, що швидкість розширення збільшується всупереч тому, що раніше сподівалися: тяжіння маси Всесвіту може з часом сповільнити розширення чи навіть перетворити його на стискання.

Ейнштейн врахував таку силу в 1917 р., запровадивши в свою загальну теорію відносності так звану космологічну сталу, свого роду антигравітацію, яка розштовхувала галактики, щоб не дати Всесвіту колапсувати через силу тяжіння.

Але коли Габбл у 1929 р. показав, що Всесвіт насправді розширюється, Ейнштейн відкинув ідею такої сталої, назвавши її згодом своєю «найбільшою помилкою». У 1998 р. відкриття прискореного розширення відродило цю ідею — вже під назвою «темної енергії».

Наступне потужне підтвердження «темної» природи Всесвіту надійшло в 2003 році. НАСА досліджувало ранній Всесвіт шляхом вивчення анізотропії реліктового мікрохвильового випромінювання; точніше, ці дослідження було повторено на супутнику імені Планка, запущеному Європейським космічним агентством у 2009 році.

Їх результати показали, що в структурі маси та енергії Всесвіту лише 5% припадає на звичайну матерію — проти 26% темної матерії і 69% темної енергії, які разом складають 95% Всесвіту.

Ці пропорції визначають космологічну «стандартну модель», яка успішно описує багато рис Всесвіту, включаючи його розширення з прискоренням, спричинений ним розподіл галактик, і встановлює вік Всесвіту в 13,8 мільярда років.

Ці пропорції є приголомшливим свідченням того, що після тривалих зусиль людство дослідило тільки малу частину дійсності і майже нічого не знає про решту її, як-от про суть «темної матерії» і саме походження «темної енергії».

Підсумовуючи найважливіші з викликів, які стоять перед ученими, відомий американський фізик і популяризатор науки Сідні Перковіц стверджує, що основні запитання, які надихають фізиків сьогодні й визначають майбутнє їхньої науки, звучать так: «Що лежить поза Стандартною моделлю?» — бо це стосується нашого глибшого розуміння природи; і «Чи зможемо ми виробляти чистішу енергію?» — бо відповідь на нього, сподіваємося, покращить умови життя людей.

У кожному разі, сьогоднішня фізика динамічно розвивається, зокрема й на стику з біологією, яка ставить свої загадки, і дуже далека від завершеності.