10 теоретических частиц, которые могут объяснить все

На протяжении веков человечество вгрызалось в гранит науки, пытаясь выяснить точный состав Вселенной. Древние греки первыми предположили существование атомов, которые, по их мнению, были мельчайшими частицами — «строительными блоками» всего сущего. На протяжении 1500 лет это было всем, что мы знали о материи. В 1897 году открытие электрона разрушило научный мир до руин. Оказалось, что точно так же, как молекулы состояли из атомов, атомы состоят из компонентов.

И чем глубже мы смотрели, тем больше ответов, казалось, утекает сквозь наши пальцы. Даже протоны и нейтроны — строительные блоки атомов — изготовлены из еще меньших частиц — кварков. Каждое открытие порождало больше вопросов. Состоит ли время и пространство из россыпей мельчайших частиц, которые даже невозможно увидеть? Возможно. Перед вами десять теоретических частиц, которые могут объяснить все. Если мы их найдем.

Страпельки

Начнем с чего-то, близкого к тому, что мы уже знаем — кварки. Насчитывается шесть типов кварков. «Верхние» и «нижние» кварки более распространены, из них состоят протоны и нейтроны. «Странные» кварки, с другой стороны, не так распространены. Когда странные кварки объединяются с верхними и нижними кварками в равных количествах, они создают частицу под названием «страпелька» (от «странный» и «капелька»). Страпельки — это тончайшие фрагменты, из которых состоит странная материя.

Согласно теории странной материи, страпельки образуются в природе, когда массивная нейтронная звезда — тяжелая коллапсирующая звезда — выдает столько давления, что электроны и протоны в ядре сливаются, а затем коллапсируют дальше в нечто вроде плотного кваркового пузыря, который мы называем странной материей. И хотя большие страпельки могут теоретически существовать за пределами центров звезд с высоким давлением, вероятнее всего, они уплыли от таких звезд в другие солнечные системы — включая нашу собственную.

Но опять же: если они существуют, большая страпелька может превратить ядро атома в другую страпельку, если столкнется с ним. Новая страпелька столкнется с другими ядрами, что вызовет цепную реакцию, пока вся материя на Земле не будет превращена в странную материю. На самом деле, подобные страхи были вызваны работой Большого адронного коллайдера, представителям которого удалось в свое время убедить людей в надуманности этого факта. Вряд ли они могли бы случайно создать страпельку, которая уничтожила бы планету.

Суперпартнеры

Теория суперсимметрии гласит, что у каждой частицы во Вселенной есть противоположная частица-близнец, известная как суперсимметричная частица, суперпартнер или счастица. Таким образом, у каждого кварка есть скварк, который разделяет с первым идеальную симметрию. У каждого фотона есть фотино. И так далее, пока ни одна из 61 известных элементарных частиц не останется без внимания. Что ж, если их так много, почему мы не обнаружили ни одну?

Есть такая теория: в физике элементарных частиц более тяжелые частицы распадаются быстрее, чем более легкие. Если образуется достаточно тяжелая частица, она сломается практически сразу после создания. Если предположить, что счастицы невероятно тяжелые, они должны разрушаться в мгновение ока, пока их суперпартнеры — частицы, которые мы наблюдаем — живут. Это может объяснить, почему во Вселенной наблюдается такой перевес темной материи — счастицы могут содержать темную материю и существовать в поле, которое для нас далеко и ненаблюдаемо.

Античастицы

Материя состоит из частиц — и точно так же антивещество состоит из античастиц. В этом есть здравый смысл. Античастицы обладают такой же массой, что и нормальные частицы, но противоположным зарядом и противоположным угловым моментом (спином). Похоже на суперсимметрию, но в отличие от частиц, античастицы ведут себя точно так же, как частицы, даже участвуют в создании антиэлементов вроде антиводорода. В принципе, на любую материю найдется антиматерия.

Во всяком случае, должна найтись. В этом-то и проблема — вокруг много материи, а антиматерии не нашли нигде. Только создали искусственным путем. За пределами Большого адронного коллайдера свободное антивещество не существует даже в теории.

Согласно теории Большого Взрыва, изначально было равное количество частиц и античастиц. Вся материя во Вселенной была создана в точке этого взрыва. По умолчанию, все антивещество должно было быть создано в то же время. Другая теория гласит, что в других частях Вселенной антивещество преобладает. Все, что мы видим, самые далекие звезды, состоят из материи. Но наша видимая Вселенная может быть лишь небольшим участком вселенной, где-то там могут быть целые звездные системы из антивещества.

Гравитоны

На данный момент античастицы представляют собой огромную проблему в современной теоретической физике элементарных частиц. Другой проблемой является гравитация. По сравнению с другими силами, например электромагнетизмом, гравитация — крайне слабая сила. Кроме того, она отлично работает на планетарном уровне — с помощью гравитации легко наблюдать другие звезды и планеты, но на молекулярном уровне ее практически невозможно уловить и там она творит несуразные вещи. В дополнение ко всему прочему, у гравитации нет частиц, которые ее переносят, вроде фотонов, которые переносят свет.

И тут появляется гравитон. Это теоретическая частица, которая должна уместить гравитацию в ту же модель, что и любую другую наблюдаемую силу. Поскольку гравитация оказывает слабое притяжение на каждый объект, вне зависимости от расстояния, она должна быть безмассовой. Но это не проблема — у фотонов нет массы, и они повсюду. Мы зашли так далеко, что можем даже определить точные параметры, которым должен соответствовать гравитон, поэтому если мы найдем частицу — любую частицу — удовлетворяющую этим параметрам, у нас будет гравитон.

Найти гравитон очень важно, поскольку сейчас общая теория относительности и квантовая физика несовместимы. Однако на определенных уровнях энергии, известных как масштабы Планка, гравитация перестает следовать правилам относительности и соскальзывает к квантовым правилам. Поэтому решение проблемы гравитации может быть ключом к единой теории.

Гравифотоны

Есть и другая теоретическая гравитационная частица, и она прекрасна чуть менее, чем полностью. Гравифотон — это частица, которая создается, когда гравитационное поле проявляется в пятом измерении. Она берет начало из теории Калуцы — Клейна, которая предлагает объединить электромагнетизм и гравитацию в одну силу при условии, что в пространстве-времени есть больше, чем пять измерений. Гравифотон обладал бы характеристиками гравитона, но также принимал бы свойства фотона и создавал то, что физики называют «пятой силой» (ну а вообще есть только четыре фундаментальных силы).

Другие теории утверждают, что гравифотон мог бы быть суперпартнером гравитона, но они отталкивались бы и притягивались одновременно. В теории, это могло бы создать эффект антигравитации. И это только в пятом измерении. Теория супергравитации тоже постулирует существование гравифотонов, но предлагает расширить количество измерений до… одиннадцати.

Преоны

Из чего состоят кварки? Для начала, давайте ознакомимся с масштабами. В ядре атома золота семьдесять девять протонов. Каждый протон состоит из трех кварков. Ширина ядра атома золота — примерно восемь фемтометров в поперечнике. Это восемь миллионных долей нанометра, а нанометр — это одна миллиардная от метра. Кварки очень маленькие, а преоны, в таком случае, должны быть настолько ничтожно малы, что их просто невозможно измерить современными методами.

Есть и другие слова, которые используются для описания теоретических строительных блоков кварков, включая примоны, субкварки, квинки и твидлы, но «преон» приняли лучше всех. И преоны — весьма важная часть теоретической физики, потому что на данный момент фундаментальной частицей остаются кварки. Если выяснится, что они состоят из других частей, это откроет путь к тысячам новых теорий. Например, одна из теорий гласит, что неуловимое антивещество во Вселенной на самом деле содержится в преонах, поэтому все вокруг обладает частичками антиматерии, которая заперта в этом всем. Согласно этой теории, и вы являетесь носителем антивещества — просто вы не сможете ее увидеть, потому что материя складывается из более крупных блоков.

Тахионы

Ничто не приближается к нарушению известных законов относительности ближе, чем тахион. Эта частица движется быстрее света, и если бы она существовала, фундаментальное ограничение скорости больше не было бы ограничено скоростью света. На самом деле, это означало бы, что скорость света стала бы центральной точкой — и по обе стороны от этой точки будут частицы, которые движутся бесконечно медленно (не движутся вообще), и тахионы, которые могут двигаться бесконечно быстро.

Как ни странно, их отношение к скорости света было бы зеркальным. Грубо говоря, когда обычная частица ускоряется, ее энергетические потребности увеличиваются. Чтобы прорвать барьер световой скорости, нужно бесконечное количество энергии. В случае с тахионом, чем медленнее он движется, тем больше энергии требует. Когда он замедляется и приближается к скорости света с другого конца, его энергетические требования приближаются к бесконечности. Но когда его скорость растет, и нужда в энергии уменьшается — ему не нужно энергии вообще, чтобы двигаться с бесконечной скоростью.

Представьте его как магнит — один магнит приклеен к стене, а другой у вас в руке. Когда вы соприкасаете одинаковые полюса магнитов, ваш магнит отталкивается. Чем ближе вы приближаете свой магнит, тем труднее вам нажимать. Теперь представьте, что по ту сторону стены есть другой магнит, который делает то же самое. Магнит на стене — это скорость света, а два других магнита — это тахионы и обычные частицы. Если бы даже тахион существовал, они всегда будут замкнуты по ту сторону ловушки, которую мы сами не можем обойти. Хотя технически они могут быть использованы для отправления сообщений в прошлое.

Струны

Почти все частицы, о которых мы рассказали, называются точечными частицами: кварки и фотоны существуют как одна точка — маленькая крошечная точечка — с нулевыми измерениями. Теория струн предполагает, что эти элементарные частицы — далеко не точки, а струны, одномерные нити частиц. По своей сути, теория струн — это некая «теория всего», которая хочет примирить гравитацию и квантовую физику. В теории струн — множество отдельных теорий, да и самих теорий струн тоже много. Из того, что нам сейчас известно, гравитация и квантовая механика не могут сосуществовать физически в одном пространстве — гравитация не работает на квантовом уровне.

Таким образом, в широком смысле, теория струн на самом деле представляет собой квантовую теорию гравитации. Для сравнения, струны могут заменить преоны в качестве строительных блоков для кварков, хотя на более высоких уровнях все останется прежним. И в теории струн струна может превратиться во что угодно в зависимости от формы, в которую сворачивается. Если струна остается открытой, она становится фотоном. Если концы одной струны замыкаются в петлю, она становится гравитоном. Примерно так же дерево может стать целой хижиной или флейтой.

Как мы отметили, теорий струн много, и каждая из них предсказывает различное число измерений. Большинство из этих теорий утверждает, что существует десять или одиннадцать измерений, а бозонно-струнная теория (или теория суперструн) утверждает, что измерений не меньше двадцати шести. В этих других измерениях гравитация обладает равной или большей силой относительно других фундаментальных сил, что объясняет слабость гравитации в наших трех пространственных измерениях.

Браны

Если вы действительно хотите получить объяснение гравитации, вам нужно углубиться в М-теорию, или мембранную теорию. Мембраны, или браны — это частицы, которые могут курсировать по нескольким измерениям. К примеру, 0-брана — это точечная брана, которая существует в нулевых измерениях как кварк. 1-брана обладает одним измерением — это струна. 2-брана — двухмерная мембрана и так далее. Многомерные браны могут обладать любыми размерами, что приводит к теории о том, что наша Вселенная — это одна большая брана с четырьмя измерениями. Эта брана — наша Вселенная — просто кусок многомерного пространства.

Что касается гравитации, наша четырехмерная брана просто не может содержать ее, поэтому энергия гравитации улетучивается в другие браны, в многомерное пространство; мы просто довольствуемся тем, что осталось, поэтому гравитация кажется такой слабой сравнительно с другими силами.

Разумеется, нетрудно додумать, что есть много бран, движущихся через пространство — бесконечных бран через бесконечное пространство. Отсюда рождаются теории мультивселенной и циклической вселенной. Согласно последней, вселенная подчиняется циклам: она расширяется из-за энергии Большого Взрыва, затем гравитация стягивает все в одну точку. Это стягивание порождает новый Взрыв, и так до бесконечности.

Частица Бога

Бозон Хиггса был обнаружен 14 марта 2013 года на Большом адронном коллайдере и после подтвержден, а за его находку присудили Нобелевскую премию. Впервые его существование было предсказано в 60-х годах. Это частица, которая дает массу другим частицам.

Бозон Хиггса родился из поля Хиггса и был предложен в качестве объяснения тому, почему некоторые частицы, которые должны обладать массой, фактически ею не обладают. Поле Хиггса — которое никто никогда не наблюдал — должно существовать во всей Вселенной и предоставлять силу, необходимую для того, чтобы частицы приобретали массу. Бозон Хиггса должен заполнить огромные пробелы в Стандартной модели, весьма популярной и объясняющей практически все (кроме гравитации, конечно).

Бозон Хиггса важен тем, что доказывает существование поля Хиггса и объясняет, как энергия внутри поля Хиггса может проявляться в виде массы. Также он важен, поскольку создает прецедент. До его обнаружения он был обычной теорией. У него была математическая модель, физические свойства, спин — все. Просто нужны были доказательства его существования. И мы его нашли.

И если мы смогли сделать это один раз, кто может поспорить, что любая из этих частиц не может быть реальной? Тахионы, страпельки, гравитоны — эти частицы могут полностью перевернуть нашу картину мира и приблизить нас к пониманию фундаментальных основ мира, в котором мы живем.