VicRus
Administrator
Жизнь, Вселенная и Вообще: 42 фундаментальных вопроса. Часть первая
Автор: Яна Жежер | 19 мая, 15:18
В знаменитом произведении Дугласа Адамса число 42 было ответом на Самый Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Вообще без указания, как именно им воспользоваться. Например, число 42 может указывать на число фундаментальных физических вопросов, на которые необходимо ответить человечеству, чтобы наконец раскрыть все тайны мироздания. Попробуем их обозначить.
Гравитация и космология
1. Проблема космологической постоянной
Согласно современным представлениям, вакуум обладает огромной плотностью энергии. Его гравитационное действие выражается в так называемой космологической постоянной: он воздействует на кривизну пространства-времени. Однако, данное влияние, измеренное экспериментально, оказывается в 10 в степени 120 раз меньше теоретических предсказаний. Несмотря на десятилетия усердной работы, физики так и не подошли к решению данного вопроса.
2. Проблема темной энергии
Известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Но чем именно обусловлено такое поведение, ученым до сих пор неизвестно. Роль источника ускорения может играть вакуум или же существует новая фундаментальная физическая постоянная, дающая вклад в скорость расширения. И до сих пор даже различить две эти концепции не представляется возможным.
Подробнее
3. Регуляризация квантовой гравитации
Ученые уже давно пришли к выводу, что гравитация просто обязана описываться квантовыми законами. Однако, все попытки «квантования» гравитации, то есть превращения ее в теорию, описывающую физику микромира, приводят к провалу – появляются нефизические бесконечные величины, не позволяющие использовать такую модель. В частности, проблему регуляризации квантовой гравитации, то есть устранения бесконечностей, пытаются решить в рамках теории струн и петлевой квантовой гравитации.
Подробнее
4. Энтропия черных дыр и термодинамика
Существование черных дыр надежно подтверждено экспериментально и не вызывает сомнений ученых. Стивен Хокинг и Яков Бекенштейн получили выражения для энтропии и температуры излучения черных дыр, зависящие от площади поверхности черной дыры, но не от ее объема, как следовало бы ожидать. Наиболее общие выражения для энтропии, предлагаемые термодинамикой, оказываются с трудом применимы к черным дырам, поскольку необходимо пересчитать количество всех возможных состояний системы. И попытки подсчета в рамках различных моделей пока что не увенчались успехом даже для самого простого случая статических черных дыр.
5. «Обработка» информации в черных дырах
Черные дыры «всасывают» в себя все окружающие тела, разрушая их, и при этом излучают фотоны, получившие название излучения Хокинга. Проблема информационного парадокса состоит в следующем: можно ли по излучению восстановить свойства объекта, или при пересечении горизонта событий информация теряется навсегда? Два сценария предполагают два совершенно разных подхода к описанию состояния черных дыр, и какой из них является верным, на данный момент установить не удается.
6. Космическая инфляция
Инфляция – краткий момент жизни ранней Вселенной, когда она расширялась с большей скоростью, чем на остальных этапах. При этом квантовые флуктуации пространства, отклонения от однородной структуры, молниеносно увеличились в размерах – теперь их наблюдают, как изменения крупномасштабной структуры Вселенной и температуры реликтового излучения. Открытым остается вопрос о причинах возникновения инфляции, и существует ли эксперимент, который смог бы напрямую подтвердить или опровергнуть наличие данного этапа развития.
7. Наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества
Во Вселенной действует закон сохранения электрического заряда, а значит, в момент Большого взрыва должно было родиться одинаковое число частиц и античастиц. Однако, мы наблюдаем только вещество, а антивещество практически отсутствует – этот вопрос получил название проблемы генерации барионной асимметрии. Существующие гипотетические объяснения включают в себя введение дополнительного бозона Хиггса и различные суперсимметричные модели, но не одно из них еще не получило экспериментальное подтверждение.
Подробнее
8. Состав темной материи
Существование темной материи было обнаружено в тридцатых годах XX века при изучении движения галактик в скоплении Волос Вероники и скоростей вращения галактик. Существование нового, практически не взаимодействующего типа вещества было надежно установлено, а количество кандидатов на роль темной материи исчисляется десятками – и ни один из них не стал «той самой частицей».
Физика в рамках и за пределами Стандартной модели
9. Причина возникновения поколений частиц
Практически все вещества, и все явления, которые мы наблюдаем в «повседневной жизни», связаны всего лишь с четырьмя частицами: up- и down-кварками, электроном и электронным нейтрино. Но природа щедро наградила нас тремя поколениями кварков и лептонов: существуют еще четыре кварка, strange, charm, top и bottom, и четыре лептона – мюон, тау-лептон, мюонное и тау-нейтрино. Должна быть причина, почему понадобилось более чем один набор частиц – и мы ее пока что не знаем.
10. Происхождение масс частиц
Массы частиц в Стандартной модели определяются так называемыми юкавскими константами связи, которые устанавливаются исключительно экспериментальным образом. Причина, по которой они имеют именно такие значения, является одной из задач для физиков. Особые вопросы вызывает самый тяжелый из кварков, top-кварк, масса которого крайне велика.
Обнаружение масс нейтрино, легчайших частиц Стандартной модели, укрепило основания считать, что основная физическая теория требует модификаций. Введение масс нейтрино возможно двумя различными способами, каждый из которых имеет свои плюсы и «подводные камни», и выбрать один из них в настоящее время не представляется возможным.
Подробнее
11. Суперсимметрия и проблема иерархии
Экспериментальное открытие бозона Хиггса, несмотря на всю радость ученых, принесло и новые вопросы. Вычисляемые квантовые поправки к массам частиц оказываются в миллиарды раз больше самих масс: данное «осложнение» получило название проблемы иерархии, иногда – его еще называют проблемой натуральности теории.
Наиболее разумное решение предлагает суперсимметрия, в которой каждой частице полагается ее «брат близнец»: у бозона есть аналогичный фермион, и наоборот. В настоящее время простейшие суперсимметричные модели экспериментально опровергнуты, и нет однозначного способа либо полностью исключить применимость суперсимметрии, либо определить огромное число входящих в нее констант.
Подробнее
...
Автор: Яна Жежер | 19 мая, 15:18
В знаменитом произведении Дугласа Адамса число 42 было ответом на Самый Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Вообще без указания, как именно им воспользоваться. Например, число 42 может указывать на число фундаментальных физических вопросов, на которые необходимо ответить человечеству, чтобы наконец раскрыть все тайны мироздания. Попробуем их обозначить.
Гравитация и космология
1. Проблема космологической постоянной
Согласно современным представлениям, вакуум обладает огромной плотностью энергии. Его гравитационное действие выражается в так называемой космологической постоянной: он воздействует на кривизну пространства-времени. Однако, данное влияние, измеренное экспериментально, оказывается в 10 в степени 120 раз меньше теоретических предсказаний. Несмотря на десятилетия усердной работы, физики так и не подошли к решению данного вопроса.
2. Проблема темной энергии
Известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Но чем именно обусловлено такое поведение, ученым до сих пор неизвестно. Роль источника ускорения может играть вакуум или же существует новая фундаментальная физическая постоянная, дающая вклад в скорость расширения. И до сих пор даже различить две эти концепции не представляется возможным.
Подробнее
3. Регуляризация квантовой гравитации
Ученые уже давно пришли к выводу, что гравитация просто обязана описываться квантовыми законами. Однако, все попытки «квантования» гравитации, то есть превращения ее в теорию, описывающую физику микромира, приводят к провалу – появляются нефизические бесконечные величины, не позволяющие использовать такую модель. В частности, проблему регуляризации квантовой гравитации, то есть устранения бесконечностей, пытаются решить в рамках теории струн и петлевой квантовой гравитации.
Подробнее
4. Энтропия черных дыр и термодинамика
Существование черных дыр надежно подтверждено экспериментально и не вызывает сомнений ученых. Стивен Хокинг и Яков Бекенштейн получили выражения для энтропии и температуры излучения черных дыр, зависящие от площади поверхности черной дыры, но не от ее объема, как следовало бы ожидать. Наиболее общие выражения для энтропии, предлагаемые термодинамикой, оказываются с трудом применимы к черным дырам, поскольку необходимо пересчитать количество всех возможных состояний системы. И попытки подсчета в рамках различных моделей пока что не увенчались успехом даже для самого простого случая статических черных дыр.
5. «Обработка» информации в черных дырах
Черные дыры «всасывают» в себя все окружающие тела, разрушая их, и при этом излучают фотоны, получившие название излучения Хокинга. Проблема информационного парадокса состоит в следующем: можно ли по излучению восстановить свойства объекта, или при пересечении горизонта событий информация теряется навсегда? Два сценария предполагают два совершенно разных подхода к описанию состояния черных дыр, и какой из них является верным, на данный момент установить не удается.
6. Космическая инфляция
Инфляция – краткий момент жизни ранней Вселенной, когда она расширялась с большей скоростью, чем на остальных этапах. При этом квантовые флуктуации пространства, отклонения от однородной структуры, молниеносно увеличились в размерах – теперь их наблюдают, как изменения крупномасштабной структуры Вселенной и температуры реликтового излучения. Открытым остается вопрос о причинах возникновения инфляции, и существует ли эксперимент, который смог бы напрямую подтвердить или опровергнуть наличие данного этапа развития.
7. Наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества
Во Вселенной действует закон сохранения электрического заряда, а значит, в момент Большого взрыва должно было родиться одинаковое число частиц и античастиц. Однако, мы наблюдаем только вещество, а антивещество практически отсутствует – этот вопрос получил название проблемы генерации барионной асимметрии. Существующие гипотетические объяснения включают в себя введение дополнительного бозона Хиггса и различные суперсимметричные модели, но не одно из них еще не получило экспериментальное подтверждение.
Подробнее
8. Состав темной материи
Существование темной материи было обнаружено в тридцатых годах XX века при изучении движения галактик в скоплении Волос Вероники и скоростей вращения галактик. Существование нового, практически не взаимодействующего типа вещества было надежно установлено, а количество кандидатов на роль темной материи исчисляется десятками – и ни один из них не стал «той самой частицей».
Физика в рамках и за пределами Стандартной модели
9. Причина возникновения поколений частиц
Практически все вещества, и все явления, которые мы наблюдаем в «повседневной жизни», связаны всего лишь с четырьмя частицами: up- и down-кварками, электроном и электронным нейтрино. Но природа щедро наградила нас тремя поколениями кварков и лептонов: существуют еще четыре кварка, strange, charm, top и bottom, и четыре лептона – мюон, тау-лептон, мюонное и тау-нейтрино. Должна быть причина, почему понадобилось более чем один набор частиц – и мы ее пока что не знаем.
10. Происхождение масс частиц
Массы частиц в Стандартной модели определяются так называемыми юкавскими константами связи, которые устанавливаются исключительно экспериментальным образом. Причина, по которой они имеют именно такие значения, является одной из задач для физиков. Особые вопросы вызывает самый тяжелый из кварков, top-кварк, масса которого крайне велика.
Обнаружение масс нейтрино, легчайших частиц Стандартной модели, укрепило основания считать, что основная физическая теория требует модификаций. Введение масс нейтрино возможно двумя различными способами, каждый из которых имеет свои плюсы и «подводные камни», и выбрать один из них в настоящее время не представляется возможным.
Подробнее
11. Суперсимметрия и проблема иерархии
Экспериментальное открытие бозона Хиггса, несмотря на всю радость ученых, принесло и новые вопросы. Вычисляемые квантовые поправки к массам частиц оказываются в миллиарды раз больше самих масс: данное «осложнение» получило название проблемы иерархии, иногда – его еще называют проблемой натуральности теории.
Наиболее разумное решение предлагает суперсимметрия, в которой каждой частице полагается ее «брат близнец»: у бозона есть аналогичный фермион, и наоборот. В настоящее время простейшие суперсимметричные модели экспериментально опровергнуты, и нет однозначного способа либо полностью исключить применимость суперсимметрии, либо определить огромное число входящих в нее констант.
Подробнее
...
