Mobili versija | Apie | Visos naujienos | RSS | Kontaktai | Paslaugos
 
Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Įdomusis mokslas

Pastebėtos naujos fundamentalios gamtos jėgos užuominos

2020-05-28 (0) Rekomenduoja   (24) Perskaitymai (165)
    Share

Kosmologų pasakojamoje kvapą gniaužiančioje visatos istorijoje specialiųjų efektų netrūksta. Nuo didžiojo sprogimo pakylanti uždang atveria visaapimantį, nenutrūkstamą pasakojimą. Žvaigždės formuojasi ir sprogsta, randasi galaktikų sūkuriai. Juodosios bedugnės punta ir jungiasi, skleisdamos bangas po auditoriją.

Tai didingas pasakojimas, bet kuo ilgiau žiūrime, tuo ji atrodo nenuoseklesnis. Tempas atrodo kintantis netvarkingai. Kai kurie veikėjai prastai nupiešti, darantys nepaaiškinamus dalykus ar tiesiog ne vietoje. Bendrai, šiame vaidinime netrūksta dalykų, verčiančių manyti, kad kažkas pamiršo scenarijų.

Ir kuo toliau, tuo labiau manome žiną, kodėl taip nutiko. Visados manėme, kad kosmoso veikimą reguliuoja keturios fundamentalios sąveikos. Bet iš teorinių samprotavimų ir eksperimentų kylančios užuominos verčia manyti, kad jos gali būti ne tik keturios, bet ir penkios, šešios – o gal net daugiau. Tačiau kad ir kokios neužtikrintos jos būtų, ne viena nauja jėga reikštų perversmą. „Tai būtų be galo svarbu,“ sako Philippe Brax iš Saclay Teorinės fizikos instituto Prancūzijoje.

Jėgos valdo kosmoso naratyvą. Jos nurodo įvairiausiems veikėjams, nuo dalelių iki planetų, kaip judėti ir kaip elgtis – be jų visa tai atrodytų nepaaiškinama (žr.: „Kas yra jėga?”). Dabar žinome keturias sąveikas: gravitaciją, elektromagnetizmą, silpnąją branduolinę sąveiką ir stipriąją branduolinę sąveiką (žr.: “Pažįstama ketveriukė”). Iš jų išsiskiria gravitacija, vienintelė, neturinti savo kvantinio lauko ar dalelės ir kurios negali aprašyti elementariųjų dalelių standartinis modelis. Tačiau visatos siužeto linijas apibrėžia A. Einšteino erdvę ir laiką lankstanti bendroji reliatyvumo teorija.

Kosmoso istorijos problemos prasideda nuo pat pradžios. Remiantis didžiojo sprogimo teorija, besiplečiančios visatos temperatūra ir tankis dėl ankstyviausios būsenos kvantinių fluktuacijų, turėtų būti išsimėtę atsitiktine tvarka. Bet žvelgiant stambiausiu masteliu, galaktikos ir visa kita atrodo pasiskirstę labai tolygiai. Spręsdami šią mįslę, devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje kosmologai sugalvojo kosminę infliaciją, trumpą mirksnį trukusį augimą, kurio metu pirmykštis kosmosas plėtėsi eksponentiškai, išlygindamas savo paviršiaus raukšles. Svarbus siužeto posūkis – bet kol kas visiškai nepaaiškinamas.

 

„Nežinome, kokio naujo aktoriaus galime tikėtis, išskyrus, kad tai turi būti kvantinė jėga”

 

Panašiu laiku – devintajame dešimtmetyje, ne visatos pradžioje – išryškėja ir antroji problema: stebėjimuose nepakanka materijos, kurios gravitacija besisukančių galaktikų komponentus sulaikytų nuo išsilakstymo į visas puses. Antruoju didžiu kosmologų išradimu tapo galaktikas klijuojanti nematoma, tamsioji materija – jos pačios aptikti nepavyko.

Trečiasis neįtikėtinas siužeto posūkis įvyko praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio gale, kai tolimų sprogstančių supernovų stebėjimai parodė, kad visatos plėtimasis greitėja. Jei veikia tik gravitacija, būtų galima pagrįstai tikėtis, kad plėtimasis gali tik lėtėti. Geriausia, ką galėjome sugalvoti tokiam „tamsiosios energijos“ sukeliamam greitėjančiam plėtimuisi paaiškinti – vakuume atsirandančių ir išnykstančių kvantinių dalelių energija. Bet šiuo atveju efektas 120 skaičiaus eilių per didelis. „Visata plėstųsi taip greitai, kad viskas suplyštų į skutelius,“ sako Clare Burrage iš Nottinghamo universiteto, JK.

 

Šia problemas lengviausia būtų išspręsti, tarus, kad gravitacija veikia ne taip, kaip manome. Tačiau bendrojo reliatyvumo teorija pasirodė esanti siutinančiai užsispyrusi – įveikia visus išbandymus, įskaitant juodųjų bedugnių ar kitų masyvių objektų susidūrimų sukeliamas gravitacines bangas. Tuo tarpu kitos gravitaciją bandančios aprašyti idėjos, tokios, kaip modifikuota Niutono dinamika (MOND) – populiarus bandymas paaiškinti tamsiąją materiją – neaprašo visų kosminių stebėjimų.

 

Tai dar labiau sustiprina troškimą scenoje išvysti naują veikėją ir tikėjimą, kad kažkur užkulisiuose lūkuriuoja penktoji fundamentali sąveika. „Yra keli požymiai,“ sako Brax. „Ten tikrai kažkas yra.“

Tamsioji pusė

Kokio naujo veikėjo galima tikėtis, nežinia, tik tiek, kad ji bus kvantinė jėga. Tai dera su idėja, kad net jei dabar negalime gravitacijos aprašyti kvantiniais terminais, dauguma fizikų mano, kad galiausiai pavyks apjungti reliatyvumą ir kvantinio lauko teoriją. „Bet kuris racionalus fizikas mano, kad egzistuoja gravitacijos sąveiką perduodanti dalelė,“ sako Frank Wilczek, dalelių fizikas iš MIT, vienas iš apdovanotų Nobelio fizikos premija už stipriosios branduolinės sąveikos kvantinę teoriją. Sekant šia logika, ir bet kokia penktoji jėga taip pat turi būti kvantinė.

Sunkioji dalis yra surasti tinkamą jėgą. Tai, kas prieš 13,8 milijardus metų sukėlė infliaciją, galėjo pradingti jau seniausiai, tačiau tai neatgrasė žmonių išrasti naujų siužetų, panaudojant netgi jau žinomas daleles ir sąveikas (žr.: „Higgso jėga pabunda”).

Tačiau kalbant apie kitus nepaaiškinamus kosmoso reiškinius, tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją, panašu, yra dar šiltų pėdsakų. Šilčiausias, nors ir kontroversiškas, pėdsakas yra iš 2015 metų, kai Attila Krasznahorkay vadovaujama Vengrijos mokslų akademijos Branduolinių tyrimų instituto komanda užfiksavo nestabilaus berilio-8 izotopo branduolio skilimo anomalijas. Jos atrodė lyg sukeltos dar trumpiau gyvuojančių, lėtai judančių dalelių. Jų masė buvo ~17 MeV, šiek tiek daugiau nei 30 kartų didesnė už elektrono, ir nieko panašaus į jokias kitas žinomas daleles. Ji taip pat buvo panaši į bozoną, sąveiką pernešančią dalelę, kaip, pavyzdžiui, fotonas, bet labai silpnai sąveikaujančią – būtent toks dalykas tiktų paaiškinti tamsiosios materijos nenorą sąveikauti su kosmosu kaip nors kitaip, tik gravitaciškai. Tyrėjai spėliojo, kad tai gali būti „tamsusis fotonas“, nauja dalelė, kuri galėtų perduoti sąveiką tarp tamsiosios materijos .

Kaip ir daugumai stebėtojų, teoretikui Jonathan Feng iš Kalifornijos universiteto, Irvine, pirmą kartą tai išgirdus, buvo sunku patikėti. Panašios anomalijos kartas nuo karto pasitaiko, ir praktiškai visada jas galima paaiškinti eksperimento klaida. „Bet peržvelgęs dokumentą ir sekdamas, kaip jie atliko eksperimentą, nemačiau nieko neteisingo,“ sako Feng.

Įtampa išaugo praėjusių metų gale, kai Vengrijos komanda pranešė apie panašią anomaliją skylant helio branduoliams. Fengo manymu, abu rezultatai atitinka „protofobinį X bozoną“, kuris trumpu atstumu naujai sąveikauja su atomų branduolių neutronais. Tai būtų stulbinamas atradimas. „Tai būtų svarbu,“ sako jis. „Kalbama apie kartą per pusšimtį metų įvykstantį atradimą.“

Tačiau idėja turi ir kritikų. Matt Strassler, teoretikas iš Harvardo universiteto, nurodo, kad norint Fengo pasiūlytą naują jėgą įkurdinti su jau žinomomis „reikėtų sudėtingų ir ne visai tikėtinų machinacijų“. Dalelės savybės – tarpinė masė ir trumpas sąveikos atstumas – išties keistos, atsižvelgiant į tai, ką siūlo kvantinio lauko teorija. „Prie standartinio modelio galima pridėti du dalykus, kurie dar nebuvo stebėti, tačiau kurie derėtų su viskuo, ką esame stebėję,“ sako Wilzcekas: labai sunkios dalelės, kurios perneštų trumpo veikimo atstumo jėgą, arba labai lengvos dalelės, kurios perduotų tolimo veikimo jėgą.

O naujoji dalelė nė tokia, nei tokia. Tačiau protą reikia laikyti atvirą, pažymi Fengas. „Nauja fizika neprivalo rastis ten, kur to tikitės.“ Kad teoretikų širdys imtų plakti dažniau, šie rezultatai turi būti atkartoti nepriklausomu eksperimentu. Tai gali įvykti greitai arba ne: pavyzdžiui, Italijoje, Frascati atliekamas Pozitronų anihiliacijos su tamsiąja materija eksperimentas (PADME), duomenis rinko daugiau nei metus ir tikisi rezultatus pateikti 2021 metais.

Jei bus patvirtinta, ši dalelė taptų vienu iš didelių netikėtumų, kuriuos eksperimentai kartais pateikia teoretikams – nauja jėga, kuri su įprasta medžiaga sąveikauja taip silpnai, kad to iki šiol nepastebėjome. Tuo tarpu Brax ir Burrage tiria kitokios penktosios jėgos galimybę: jos efektai dideli, tačiau uždengiami gravitacijos.

 

Tai vadinamoji chameleoninė jėga, tai yra keičianti savo masę priklausomai nuo lokalios materijos tankio. Chameleoniškos dalelės būtų sunkesnės ten, kur vidutinis materijos tankis didelis, kaip, tarkime, šalia Žemės, dėl to su ja siejama jėga veiktų mažesniu atstumu ir mums būtų beveik nematoma. Tuo tarpu didžiulėse tarpgalaktinės erdvės platybėse dalelių masė būtų daug mažesnė, ir jų veikimo atstumas būtų didesnis – kaip tik tiktų paaiškinti tamsiosios energijos poveikį vis sparčiau nuo mūsų tolstančioms tolimoms galaktikoms.

 

„Tai ne taip jau keista, kaip atrodo,“ sako Burrage, nurodydama, kad masės neturintis fotonas patiria panašią metamorfozę, sklisdamas per plazmą, kur patiria pasipriešinimą ir iš esmės įgauna masę. Wilczekas iš principo sutinka, nors dėl pačių modelių lieka skeptiškas. „Tokius dalykus kvantinio lauko teorija leidžia,“ sako jis.

 

„Chameleoniška jėga būtų nematoma, kur masės tankis didelis, kaip kad Žemėje”

Ir tai gali suveikti. 2018 metais Baojiu Li iš Durham universiteto, JK, vadovaujama grupė atliko simuliacijas, parodžiusias, kad visatoje su chameleoniška jėga formuotųsi galaktikos, panašios į tas, kurias matome. Dabar laukia iššūkis identifikuoti subtilius skirtumus galaktikose ir palyginti su bendrojo reliatyvumo prognozėmis, kad naujos kartos teleskopais, tokiais, kaip ESA EUCLID palydovas, kuris turėtų būti iškeltas 2022, būtų galima jų ieškoti.

 

 

Tai – spąstai!

Burrage mano, kad laukti neverta. Net jei chameleoniška jėga yra slapstymosi meistrė, ją vis viena galima aptikti čia, Žemėje, sako ji. „Reikia sukurti situaciją, kur jai nebus kur pasislėpti.“

Tokia situacija yra ICL rūsyje, kur Burrage kartu su eksperimentatoriais sukūrė boulingo rutulio dydžio vakuumo kamerą, kurios centre yra nedidelė metalinė sfera, sukurta taip, kad visų žinomų jėgų poveikis būtų neutralizuotas. Tai yra spąstai chameleonams. Chameleoniškas laukas būtų slopinamas aplink centre esančią sferą ir šalia kameros sienelių, bet tarp jų būtų aktyvus – tad bet koks šiame vakuumo regione atsidūrusio atomo greitėjimas išduotų šią jėgą.

Pirmuosius rezultatus komanda paskelbė pernai, tačiau jokių chameleonų ženklų neaptikta. „Suprantama, tai buvo apmaudu,“ sako Burrage. Bet kol kas tyrėjai atmetė tik vieną konkretų chameleono modelį, o naujiems patobulintiems eksperimentams vietos daug ir prizas didelis: silpnesnė, vos už gravitaciją stipresnė jėga, galinti paaiškinti tamsiąją energiją.

Turint omenyje chameleonų prigimties kintamumą, netgi nebūtų neleistina manyti, kad chameleoniškos jėgos stiprumas tam tikromis aplinkybėmis gali pasikeisti taip, kad užuot veikusi prieš gravitaciją, ji galėtų jai padėti – ir taip vienu šūviu nušautų du zuikius, aiškindama ir tamsiąją materiją. „Bandyta pažiūrėti, ar chameleoniška jėga gali veikti galaktikų ir galaktikų spiečių mastu, galbūt pakeisdama dalį tamsiosios materijos poreikio,“ svarsto Burrage. Tačiau kol kas atrodo, kad chameleoninės jėgos negali paaiškinti visų tamsiajai materijai priskiriamų savybių, sako ji.

Kaip bebūtų, užuot siekus jėgų unifikacijos, išmintinga būtų susitelkti į diversifikaciją. Keturiomis žinomomis jėgomis paaiškinome tik įprastą, atominę materiją, sudarančią vos 5 procentus visatos materijos ir energijos. „Atrodo menkai tikėtina, kad didžioji dauguma visatos būtų sudaryta vos iš vieno ar dviejų komponentų,“ pastebi Brax. „Nenustebčiau, jei rastume daugiau nei vieną naują jėgą.“

Wilczekas iš dalies sutinka. „Pernelyg nenustebčiau,“ sako jis. „Nežinau, ko tikėtis, bet tikrai būtų gražu turėti daugiau nei vieną.“ Iš tiesų, jis ieško kito papildomos fundamentalios jėgos kandidato: siejamo su hipotetinėmis, lengvomis, ilgai gyvuojančios dalelėmis, aksionais. Jie turėtų turėti daug su tamsiąja materija siejamų savybių, o taip pat padėtų išspręsti kitas aštrias dalelių fizikos problemas, tokias, kaip, pavyzdžiu, kodėl įvykiai subatominiame lygyje atrodo lygiai taip pat, nepriklausomai nuo to, jie vyksta pagal laiko kryptį, ar atgal. „Tai yra, mano manymu, patraukliausia penktoji sąveika,“ sako Wilczekas.

Visos pastangos liudija platesnę tiesą, sako Brax: tai, ką žinome apie standartinį kosmologinį modelį, primena grubų visatos istorijos pasakojimo juodraštį. „Kad mūsų modelis galėtų būti įmontuotas į kažką didesnio, ką galėtume vadinti teorija, paprastai pasitelkiamos naujos dalelės ar laukai, ir iš jų kyla naujos jėgos,“ dėsto jis.

Ar tariant kitaip, netgi toks sėkmingas mūsų turimas kosmologinis modelis ima rodytis kiek nuvargęs. Naujų žaidėjų pabarstymas į jau įsitaisiusių žaidėjų gretas ima atrodyti geriausiu būdu įtvirtinti pradinį šios istorijos patrauklumą.

Kas yra jėga?

Laikydami šį žurnalą, ar braukdami išmaniojo telefono ekraną, naudojate jėgą: tokią, kuri veikia taro dviejų fiziškai besiliečiančių objektų. Trintis ar oro pasipriešinimas irgi yra „kontaktinės jėgos“, veikiančios judėjimą ir greitėjimą, ir kurias aprašo Isaaco Newtono aprašyti judėjimo dėsniai.

Kai fizikai kalba apie fundamentalias jėgas, jie galvoje turi ką kita: sąveiką tarp dalykų, kurie, atrodytų, nekontaktuoja. Šis „veikimas per atstumą“ glumino Niutoną, kai jį parodė jo pasiūlytas visuotinės traukos dėsnis. Jis rašė, jog tai „toks absurdas, kad tikiu, joks filosofiniuose reikaluose gerai besigaudantis žmogus niekad tuo nepatikės“.

Dabar tokias paslaptis aiškiname tuščią erdvę užpildančių laukų veikimu. „Pagal dabartinį supratimą, fundamentaliausias dalykas pasaulyje yra laukai,“ sako fizikos teoretikas Frankas Wilczekas iš MIT.

O kas yra laukai? Pasak Matto Strasslerio iš Harvardo universiteto, tai „fundamentali terpė tarp dviejų objektų“. Trims iš keturių dabar žinomų fundamentalių jėgų tai yra kvantiniai laukai su dalelėmis, vadinamais bozonais, kurie randasi ir perduoda poveikį įvairiu atstumu: pavyzdžiui, masės neturintys fotonai perduoda elektromagnetinę jėgą.

Iš šių jėgų išsiskiria gravitacinis laukas. Remiantis Niutono visuotinės traukos dėsnį papildžiusia Alberto Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija, gravitacija yra erdvėlaikio išlinkimo dėl masės pasekmė. Gravitacinio lauko stiprumas bet kuriame taške iš esmės laipsnis, iki kurio masyvus objektas apie save išlenkia erdvėlaikį.

Bet kokiu atveju, fundamentalios jėgos dėl to ir yra fundamentalios, kad jų negalima toliau redukuoti iki kitos jėgos ar lauko, kai tarkime, trinties jėgą ar oro pasipriešinimą galima redukuoti iki elektromagnetinės sąveikos tarp skirtingų materijos dalelių. Bet klausimas, kiek tų fundamentalių jėgų yra, vis dar neatsakytas (žr. pagrindinį straipsnį).

Higgso jėgos pabudimas

Kol fizikai artinasi prie penktosios fundamentalios gamtos jėgos atradimo (žr. pagrindinį straipsnį), pedantai galėtų paprieštarauti, kad ją jau radome. Ir tam tikra prasme būtų teisūs.

2012 metais greta Ženevos Šveicarijoje esančioje galingoje CERN atomų daužyklėje – LHC – atrastas Higgso bozonas ir atitinkamas Higgso laukas garsėja tuo, kad suteikia kitoms žinomoms dalelėms masę. Bet masę suteikia ne vien Higgso laukas. Tinkamomis sąlygomis jis gali tarp dviejų dalelių sukurti stūmą ir trauką, tad tai dar viena fundamentali gamtos jėga, prie jau žinomų keturių.

Tačiau fizikai apie ją taip kalba retai, nes Higgso jėga veikia tokiu mažu atstumu, kad tai praktiškai nesvarbu – ir gal net neaptinkama. Būtent todėl lauko egzistavimui patvirtinti reikėjo surasti Higgso dalelę. „Jei Higgso lauką apibrėšime kaip sąveiką, tai ją jau atradome,“ sako fizikos teoretikas Mattas Strassleris iš Harvardo universiteto. „Bet jeigu turime omenyje jo sukuriamą trauką tarp dviejų objektų, tada jos dar nematėme.“

Taigi, truputį stebina, kad teoretikai iškėlė mintį, kad Higgso laukas galėjo sukelti infliaciją, trumpą sekundės dalį trukusį megaplėtimąsi didžiojo sprogimo metu, lėmusį tokį keistą visatos vienodumą didžiausiu masteliu. Bet Higgso lauko savybes galima paderinti taip, kad jis laikinai galėjo būti pakankamai stiprus, kad tuo pirmuoju momentu galėtų viską išplėsti, o paskui susilpnėti iki dabar sunkiai aptinkamo stiprio.

Tačiau pažvelgus atidžiau, pasirodo, kad Higgso jėga gali taip veikti, kaip „inflatonas“, tik jei yra dar bent vienas laukas, reguliuojantis jos stiprumą. Tad, nors vien Higgso jėga infliacijos paaiškinti negalima, ji galėtų pasitarnauti kaip portalas į naujas jėgas, kurios tai galėtų.

Pažįstama ketveriukė

Dabar žinome keturias fundamentalias jėgas, tvarkančias mūsų visatos reikalus.

ELEKTROMAGNETIZMAS:
Paaiškina, kodėl sulimpa atomai ir kaip elgiasi šviesa
PAGRINDINĖ TEORIJA:
Kvantinė elektrodinamika (QED)
MEDIATORIUS:
Fotonas (numatytas Alberto Einšteino 1905 m.)
MAKSIMALUS VEIKIMO NUOTOLIS:
Begalinis
SILPNOJI BRANDUOLINĖ JĖGA:
Atsakinga už radioaktyvųjį beta skilimą ir žvaigždes kaitinančią branduolinę sintezę
PAGRINDINĖ TEORIJA: Elektrosilpnoji teorija (unifikuota teorija su QED aukštose energijose)
MEDIATORIUS:
W ir Z bozonai (numatyti 1968, atrasti 1983 m.)
ĮPRASTINIS VEIKIMO NUOTOLIS:
\(10^{-18} metro \)
STIPRIOJI BRANDUOLINĖ JĖGA:
Laiko protonus ir neutronus atomų branduoliuose
PAGRINDINĖ TEORIJA:
Kvantinė chromodinamika (QCD)
MEDIATORIUS:
Gliuonai (numatyti 1962, atrasti 1979 m.)
ĮPRASTINIS VEIKIMO NUOTOLIS:
\(10^{-15} metro \)
GRAVITACIJA:
Laiko kartu galaktikas, sukuria planetų judėjimą aplink žvaigždes, sukuria traukos jėgą planetose ir žvaigždėse
PAGRINDINĖ TEORIJA:
Bendrasis reliatyvumas
MEDIATORIUS: Joks; gravitonai, jeigu pasirodys, kad ji kvantinė
MAKSIMALUS VEIKIMO NUOTOLIS:
Begalinis





Verta skaityti! Verta skaityti!
(26)
Neverta skaityti!
(2)
Reitingas
(24)
Komentarai (0)
Komentuoti gali tik registruoti vartotojai
Komentarų kol kas nėra. Pasidalinkite savo nuomone!
Naujausi įrašai

Įdomiausi

Paros
72(0)
22(5)
20(2)
16(6)
15(0)
10(3)
Savaitės
86(0)
79(1)
69(0)
65(4)
Mėnesio
175(16)
134(21)
128(2)
113(26)