Млечный Путь № 1 2021 - Леонид Александрович Ашкинази
Глядя в зеркало
Физики любят симметрию. В конце концов, она помогает нам понять некоторые из самых глубоких секретов Вселенной. Например, физики поняли, что если вы проводите эксперимент по фундаментальной физике, вы можете переместить свое оборудование в другое место и снова получите тот же результат (то есть, если все другие факторы, такие как температура и сила гравитации, останутся прежним). Другими словами, независимо от того, где в космосе вы проводите свой эксперимент, вы получите один и тот же результат. С помощью математической логики это напрямую приводит к закону сохранения количества движения.
Другой пример: если вы запустите свой эксперимент и подождете некоторое время, прежде чем запускать его снова, вы получите тот же результат (опять же, при прочих равных). Эта временная симметрия напрямую ведет к закону сохранения энергии - энергия никогда не может быть создана или уничтожена.
Есть еще одна важная симметрия, которая составляет основу современной физики. Она называется "симметрией Лоренца" в честь Хендрика Лоренца, физика, который выяснил все это в начале 1900-х годов. Оказывается, вы можете свой эксперимент повернуть в пространстве, и (при прочих равных) вы получите тот же результат. Вы также можете ускорить эксперимент до фиксированной скорости и получить тот же результат. Другими словами, при прочих равных - повторяю это, потому что это важно - если вы проводите эксперимент в полном покое и проводите тот же эксперимент на половине скорости света, вы получите тот же результат. Это симметрия, которую обнаружил Лоренц: законы физики одинаковы независимо от положения, времени, ориентации и скорости. Что мы получаем из этой фундаментальной симметрии? Для начала, мы получаем всю специальную теорию относительности Эйнштейна, которая устанавливает постоянную скорость света и объясняет, как пространство и время связаны между собой для объектов, движущихся с разными скоростями.
Гравитация шмеля
Специальная теория относительности настолько важна для физики, что это почти метатеория: если вы хотите придумать собственное представление о том, как работает Вселенная, оно должно быть совместимо с требованиями специальной теории относительности. Физики постоянно пытаются придумать новые и улучшенные теории, потому что старые, такие, как общая теория относительности, которая описывает, как материя искажает пространство-время, и Стандартная модель физики элементарных частиц, не могут объяснить все во Вселенной: например, что происходит. в центре черной дыры.
И одно очень интересное место для поиска новой физики - это посмотреть, как действуют физические понятия в экстремальных условиях - такие понятия, например, как симметрия Лоренца. Некоторые модели гравитации утверждают, что Вселенная не совсем симметрична. Эти модели предсказывают, что во Вселенной есть дополнительные ингредиенты, которые вынуждают ее не всегда точно подчиняться симметрии Лоренца. Другими словами, в космосе есть особое или привилегированное направление.
Эти новые модели описывают гипотезу, получившую название "гравитация шмеля". Она получила название от любопытной идеи. Ученые однажды заявили, что шмели не должны летать, потому что мы не понимали, как их крылья создают подъемную силу. (Между прочим, ученые никогда не верили в это.) Мы не до конца понимаем, как работают эти модели гравитации и как они могут быть совместимы с Вселенной, которую мы видим, и тем не менее, вот они: глядят нам в глаза, как жизнеспособные варианты новой физики.
Рекламное объявление
Одно из наиболее эффективных применений моделей гравитации шмелей - это потенциальное объяснение темной энергии - явления, ответственного за наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Оказывается, степень, в которой наша Вселенная нарушает симметрию Лоренца, может быть связана с эффектом, вызывающим ускоренное расширение. И поскольку мы понятия не имеем, что создает темную энергию, эта возможность действительно выглядит очень привлекательной.
Черная тень
Потребовалось восемь телескопов и более 200 астрономов, чтобы получить удивительное, невиданное ранее изображение далекой черной дыры. Темный круг в центре - тень черной дыры.
Итак, у вас есть модная новая теория гравитации, основанная на некоторых потрясающих идеях, таких, как нарушение симметрии. Куда бы вы пошли, чтобы проверить эту идею? Вы бы отправились в то место, где гравитация растянута до абсолютного предела: в черную дыру. В новом исследовании, еще не прошедшем рецензирование и опубликованном в ноябре 2020 года в базе данных препринтов arXiv, исследователи сделали именно это: изучив тень черной дыры в гипотетической вселенной, смоделированной так, чтобы быть максимально реалистичной. Чтобы сделать модель как можно более реалистичной, команда поместила черную дыру на заднем плане Вселенной, которая ускорялась в своем расширении (точно так же, как мы наблюдаем), и настроила уровень нарушения симметрии, чтобы соответствовать наблюдаемому поведению темной энергии. Они обнаружили, что в этом случае тень от черной дыры может казаться на 10% меньше, чем в мире с "нормальной гравитацией". Это дает ясный способ проверить гравитацию шмеля. Сейчас предпринимаются попытки сделать качественные снимки большего количества черных дыр и получить ответы на некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.
***
Пол М. Саттер - астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий "Спроси космонавта" и космического радио, а также автор книги "Как умереть в космосе". Он написал эту статью для журнала Space.com Expert Voices: Opinions and Insights.
Мы не знаем, почему во Вселенной преобладает материя над антивеществом, но во Вселенной, состоящей из антивещества, могут быть звезды и, возможно, даже галактики. Антизвезды будут непрерывно сбрасывать свои компоненты антивещества в космос и даже могут быть обнаружены в виде небольшого процента высокоэнергетических частиц, падающих на Землю.
Несбалансированное рождение
Антивещество похоже на обычную материю, за исключением того, что это не так. У каждой отдельной частицы есть двойник-античастица с точно такой же массой, одним и тем же спином и т. д. Единственное отличие - это заряд. Например, античастица электрона, называемая позитроном, в точности похожа на электрон, за исключением того, что она имеет положительный электрический заряд. Наши теории фундаментальной физики указывают на особый вид симметрии между веществом и антивеществом - они почти идеально отражают друг друга. На каждую частицу вещества во Вселенной должна приходиться частица антивещества. Но когда мы оглядываемся, мы не видим антивещества. Земля состоит из нормального вещества, Солнечная система - из обычного вещества, пыль между галактиками - из обычного вещества; похоже, что вся вселенная полностью состоит из нормальной материи.
Есть только два места, где существует антивещество. Одно находится внутри сверхмощных коллайдеров частиц: когда мы
