Разница величин, с которыми работают современные физики, потрясает воображение. С одной стороны, ученых интересуют процессы, происходящие на уровне мельчайших частиц, а с другой — свойства нашего мира в масштабе всей Вселенной. При этом есть шанс, что ответы на фундаментальные вопросы науки исследователи могут обнаружить именно на уровне измерений величин меньше атомного ядра.
По крайней мере, так считает Стивен Вайнберг, один из самых известных физиков-теоретиков современности и лауреат Нобелевской премии по физике в 1979 году «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов». При этом исследовать микромир далеко не просто. По словам ученого, даже при всем технологическом богатстве мира ученые не знают, с чего начать.
«Основная проблема для физиков заключается в том, что энергия, необходимая для исследования того, что на самом деле происходит на минимальных уровнях, намного превышает современные технологии. Это примерно в 10 триллионов раз больше максимальной энергии, которую мы можем использовать сейчас», — говорил Вайнберг в одной из своих лекций.
В ходе выступления в рамках фестиваля NAUKA 0+ он поделился своими мыслями об истории изучений микромира и макрокосмоса, об их актуальном состоянии и перспективах, а также о том, что общего есть у этих сфер. Ученые пытаются придумать новые обобщающие теории. И в этом контексте особенно актуальна дискуссия о том, как физики микромира и макрокосмоса взаимодействуют друг с другом и помогают ученым познавать законы природы.
О прогрессе в физике
Еще в 19 веке ученые считали, что наша галактика — это и есть вся вселенная. Вплоть до начала 20 века они совершенно не интересовались туманностями, которые «мешали» им наблюдать кометы — настоящий предмет интереса астрономов, напоминает Вайнберг.
В 1912 году американский астроном Генриетта Ливитт заметила «Малое Магелланово Облако», а в нем обнаружила цефеиды — особый тип звезд, блеск которых периодически изменяется. Именно благодаря интенсивности их света и перемещениям удалось понять расстояние до них.
В 1923 году американский астроном Эдвин Хаббл, в честь которого назван известный космический телескоп, обнаружил похожие переменно-светящиеся звезды в Туманности Андромеды. С помощью корреляции света и периода он выяснил, что она находится в миллионе световых лет от Земли. Тем самым он доказал, что существуют и другие скопления звезд, хотя позже астрономы выяснили, что они находятся примерно в два раза дальше, потому что Хаббл ошибся в расчетах. Несмотря на это, ученые поняли, что есть другие галактики, которые находятся на разных расстояниях и во всех направлениях от нас.
Масштаб Вселенной расширился до невероятных размеров, и сейчас мы понимаем, что ее всю не получится охватить даже новейшими приборами, а астрономы могут видеть объекты, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Однако границу в 14 млрд световых лет превзойти пока не удалось.
В то же время, на другом конце шкалы измерений ― на микроуровне ― в физике продолжалась своя работа. Еще 400 лет до нашей эры Демокрит предположил, что материя состоит из атомов. Конечно, он не мог ничего утверждать, только знал, что они слишком маленькие для человеческого глаза. В 19 веке измерение размера атомов стало большой задачей для физиков и химиков. Сегодня наука дошла до изучения ядра атома.
Стивен Вайнберг сравнивает атом по строению с солнечной системой.
«Атом также, по большей части, состоит из “пустого” пространства. Электроны вращаются внутри атома как планеты солнечной системы, которые только преодолевают огромные расстояния. В центре атома по аналогии с солнечной системой находится ядро, которое содержит практически всю его массу и положительный электрический заряд», ― говорит он.
Наименьшее расстояние, которое сегодня могут исследовать ученые с существующими ускорителями — примерно 10 в минус 16 степени сантиметров. Это то, насколько люди смогли расширить границы изучения физики.
Более того, мы думаем, что понимаем, что там происходит и даже можем описать силы, действующие на микроуровне. Для этого используется стандартная модель — теоретическая конструкция, которая описывает строение и взаимодействие элементарных частиц. Она включает в себя описание трех из четырех основных физических взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное, все три происходят на уровне микромира.
По словам Стивена Вайнберга, именно на таких расстояниях мы сталкиваемся с проблемой, которая связана с энергией пустого пространства, которую еще называют темной энергией.
«Пустое пространство не может быть полностью пустым из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Это принцип квантовой механики, который гласит, что для квантовой частицы невозможно одновременно определить координаты в пространстве (положение) и ее импульс (скорость). Так же применительно к полям: невозможно для поля в один момент иметь определенное значение и изменение этого значения. Значит невозможно сказать, как ведет себя электромагнитное поле, оно меняет значение, оно может быть любым, и мы не сможем его предсказать», ― объясняет он.
Это дает нам то, что, даже если в какой-то момент времени энергия пространства нулевая, мы не можем точно судить, будет ли она такой в следующий момент.
О расширении Вселенной
Еще с начала 20 века исследователи космоса предсказывали расширение Вселенной. Например, в 1913-1914 годах американский астроном Весто Слайфер изучал туманность Андромеды и другие небесные объекты и установил, что они движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями. Что важнее, почти все из них удаляются от нее.
Затем, в 1927 году, Жорж Леметр, а в 1929 году и Эдвин Хаббл вывели законы для расширения Вселенной. Последним открытием стало доказательство в 1998 году того, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, а все быстрее и быстрее. За это астрономы Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт получили Нобелевскую премию в 2011 году. В 2019 году Рисс в составе группы других ученых показал, что вселенная расширяется даже быстрее, чем он предполагал до этого.
До сих пор нельзя точно сказать, что именно постоянно повышает эту скорость, однако многие ученые предполагают, что это происходит из-за так называемой темной энергии. Это энергия «пустого» пространства между галактиками, создающего некую силу, которая и заставляет их отдаляться друг от друга. Ведь Вселенная, как было доказано, расширяется с ускорением, а для ускорения необходима энергия. При этом масштабы и скорость расширения вселенной показывают, что эта энергия пустого пространства колоссальна.
«Наше понимание физики вплоть до мельчайших частиц указывает на то, что должна существовать определенная плотность энергии пустого пространства, и многие физики 20 века пришли к выводу, что темная энергия, энергия пустого пространства, меньше, чем можно было бы ожидать. Расширение Вселенной можно объяснить только существованием энергии пустого пространства. Она доминирует над обычной и темной материями, — объясняет ученый. — Это означает, что наши расчеты были неправильны. И только когда мы применили стандартные методы, которые мы используем для микромира, мы поняли, как существует макрокосмос. И теперь мы столкнулись с фундаментальной физической проблемой: как объединить физические гипотезы относительно самых маленьких величин и расстояний с космологическим масштабами, которые мы изучаем, например, величиной темной энергии».
Еще одна область соприкосновения микромира и макрокосмоса — тот факт, что исследования в этих сферах очень дороги, шутит Стивен Вайнберг. Он надеется, что интерес публики к ним покажет государствам, что им надо поддерживать будущие физические разработки.
«Что нам нужно делать — так это это расширить наши измерения на огромных расстояниях и найти, постоянная ли темная энергия во времени или она уменьшается. Это большая задача, требующая времени и денег», ― заключает ученый.
Проект NAUKA 0+ реализуется ежегодно с октября по ноябрь в 80 регионах России на более чем 400 площадках. Мероприятие проводится Минобрнауки РФ при поддержке Правительства Москвы, МГУ и РАН.
