Стандартная модель (СМ) – теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное ядерное взаимодействие, все элементарные частицы.

Физика последних 2-3 веков представляла собой совокупность разделов (частных теорий), содержащих в каждом множество описаний явлений, законов, математических соотношений, связывающих порой непростые переменные и множество разнообразных понятий, …. Одних элементарных частиц насчитывалось более 60, что затрудняло общение и работу самих ученых.

Стремление как-то все это упорядочить, описать устройство, свойства и законы Вселенной, привести в состояние доступное для понимания и усвоения учащимися и даже простыми людьми (обывателями), сформировать у них достаточно ясную и понятную картину окружающего нас материального мира (мировоззрения), привело к необходимости выявить первооснову, установить стержневое, объединяющее все выявленные и установленные данные, направление дальнейшего развития самой физики.

Другими словами, потребовалось создать одну общую теорию, объединяющую и согласующую все существующие частные теории. Упрощая подход, будем считать, что единая теория не более чем модель Вселенной или некоторой ее части, а также набор правил, которые помогают соотнести практические наблюдения и положения теории.

Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы.  Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного её рассмотрения.

В научно-популярных источниках, посвящённых крупномасштабному устройству мироздания, космическому ландшафту и инфляционной теории практически обязательно упоминается, что известная нам физика описывает только 4% всей материи, существующей во Вселенной. Около 22% остального содержимого Вселенной приходится на тёмную материю, а порядка 74% отводится на тёмную энергию. В сегодняшней статье я расскажу о симметронах — гипотетических частицах, которые могли бы объяснять некоторые свойства тёмной материи, а также о том, к каким подвижкам в науке привёл ещё не оконченный поиск симметронов. 

Давненько я не писал ничего про нанотехнологии, но сегодня у нас на повестке дня куда более обширная тема — а что мы не знаем, но уже можем хотеть знать? Если брать физику — да тут куда не дернись, везде стены. И даже если что‑то начинает работать с учетом постулатов или еще каких костылей, то при копке поглубже обязательно уткнешься в очередной спин, который вроде и понятный, но что это и откуда не известно до сих пор.

Как правило, при подготовке магистерской диссертации, а иногда и уже на уровне бакалавриата, студенты не просто повторяют уже пройденный кем‑то путь, делая в сотый раз один и тот же эксперимент или повторяя давно выверенные расчеты, а делают нечто новое, выходят за пределы известного мира. Да, часто это просто применение старых методов к новому материалу, причем не принципиально новому, а просто с новой пропорцией компонент для заполнения статистических данных, но когда там выскакивает аномалия и она повторяется, о да, это дорогого стоит. Или когда ты понимаешь, что учебник трактует процесс неправильно, нет тут никакой аморфности, просто атомных слоев недостаточно для всех классических пиков… Впрочем это я увлекся своими воспоминаниями, так или иначе это прекрасное чувство, когда ты ощущаешь, как сам раздвигаешь границы изведанного. А уж когда это публикуется в журнале и становится достоянием мировой науки, непередаваемое чувство!

• Стандартная модель фундаментальных взаимодействий (описывает практически все экспериментальные данные в физике элементарных частиц),
  
• ее достоинства и недостатки,
  
• идея суперсимметрии,
  
• решение многих проблем Стандартной модели при ее суперсимметричном обобщении,
  
• некоторые особенности минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ),
  
• экспериментальный статус суперсимметрии.
  

Среди фундаментальных физических проблем особое место занимает самопроизвольный распад протона – явление гипотетическое и до сих пор не наблюдавшееся, реальность которого, однако, не удается не только подтвердить, но и опровергнуть. Протон является самой распространенной барионной частицей во Вселенной, а также самым распространенным носителем положительного заряда. Тем не менее, протон не является подлинно элементарной частицей, то есть, разложим на более легкие частицы. Гипотетически это может означать, что протон обладает некоторым невероятно долгим периодом полураспада, поэтому в далеком будущем вся материя, состоящая из протонов, развоплотится в фотоны и другие мелкие элементарные частицы (в частности, мезоны). Еще в 1970-е годы будущий нобелевский лауреат Стивен Вайнберг (1933-2021) указывал, что не существует физического закона, который бы принципиально исключал распад протона. Тем не менее, все эксперименты, поставленные по сей день, не зафиксировали ни одного распада протона. Об этих экспериментах, их контексте и подоплеке пойдет речь под катом.

Ещё в июне 2021 года я публиковал пост «Что варится в пекулярных звёздах» — о звёздах с необычным спектром, явно содержащих не только гелий, водород и следы элементов вплоть до железа и никеля, но и более тяжёлые элементы. Именно в тот пост заглянул уважаемый Андрей Курилов @akurilov, написавший замечательный комментарий, который я поставлю прямо под катом к этой статье. Комментарий Курилова подтолкнул меня к долгим размышлениям  о гипотезе «тёмного леса». В дальнейшем я изучил блог этого автора и дозрел до собственного поста об Оумуамуа, в котором словил очередные обвинения в словоблудии и мракобесии от Кьюбертыча. Здорово, что господин Курилов под тем моим постом также высказался. Если вас интересует феномен Оумуамуа — читайте в его блоге, там этому объекту посвящено целых 5 публикаций. Я же сегодня рассмотрю тему техносигнатур — потенциальных маркеров, выдающих существование технологической инопланетной цивилизации. Но сначала — тот самый комментарий.

На протяжении сотен лет, начиная со времен Ньютона и Лагранжа, ученые предлагали множество ответов на вопрос о точной скорости гравитации. Два основных предположения, вокруг которых крутились дебаты, состояли в том, что гравитация или бесконечно быстра и пронизывает всё пространство, или распространяется со скоростью света.

Например, Лаплас в 1805 году, используя формулы Ньютона, посчитал, что скорость гравитации должна быть минимум в 7·106 раз выше скорости света — иначе орбиты планет не совпадали бы с тем, что мы видим на небе. Расчеты Лапласа используются до сих пор, и были одним из аргументов противников теории относительности Эйнштейна, предложенной на сотню лет позже.

Дебаты продолжались ещё долгое время, регулярно находились новые аргументы, подтверждающие ту или иную сторону (например, работы Лоренца об инвариантности статических полей, показавшие, что именно в своих расчетах не учел Лаплас). Но окончательный ответ на вопрос о скорости гравитации был найден только 5 лет назад.

Гравитация

Эта статья является второй частью конспекта книги «Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы Космоса».

Современная космология, от Большого взрыва до инфляции, ведет свое начало из общей теории относительности Эйнштейна. В новой теории гравитации Эйнштейн отбросил общепринятое представление о жестком и неизменном пространстве и времени; перед наукой предстал динамический космос. С накопленным к 1920-м годам математическим арсеналом и геометрической интуицией он приступил к развитию единой теории поля.

Под единой теорией поля Эйнштейн подразумевал некую схему, которая позволит включить все силы природы в единую и самосогласованную математическую модель. Но десятилетия напряжённой работы Эйнштейна в направлении объединения не оказали в то время значительного влияния — цель была великой, но для неё не пришло ещё время. Позднее другие исследователи подхватили идею единой теории. Наиболее успешная схема объединения получила название теория струн.

Эта статья является третьей частью конспекта книги «Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы Космоса».

Подавляющее большинство явлений, от движения планет до взаимодействия частиц, слишком сложно для точного математического описания. Рассчитывая орбиту Земли, следует учитывать только притяжение Солнца; конечно, лучше учесть ещё и притяжение Луны, но тогда математическая сложность резко возрастает . Если попытаться продвинуться дальше и полностью учесть влияние движения остальных планет, то анализ становится необозримым. К счастью, во многих приложениях можно спокойно пренебрегать всем кроме влияния Солнца, так как эффект от воздействия других тел в Солнечной системе на орбиту Земли весьма незначителен. Подобные приближения лишь подтверждают высказывание, что искусство физики лежит в умении отмести несущественное.

Однако приближения — это не только мощный способ достижения прогресса, в них таится и определённая опасность. Минимальные усложнения при ответе на один вопрос неожиданно могут привести к весьма существенным последствиям при ответе на другой. Одна дождевая капля вряд ли сможет повлиять на вес валуна. Но если этот валун еле держится на самом краю отвесного склона, то вполне вероятно, что дождевая капля приведёт к его скатыванию. Приближение, не учитывающее эту дождевую каплю, приведёт к потере существенного эффекта.

В середине 1990-х годов струнные теоретики натолкнулись на подобную дождевую каплю. Они обнаружили, что различные математические приближения, широко используемые в анализе теории струн, упускают из виду некоторое важное физическое явление. Развив и применив более точные математические методы, струнные теоретики наконец-то смогли выйти за рамки этих приближений; когда это произошло, в центр внимания попали неожиданные свойства теории. Среди них оказались новые типы параллельных вселенных.

Как могли заметить мои постоянные читатели, новый 2024 год в этом блоге начался с возобновления научно-популярных переводов (мои технические переводы на Хабре вынесены во второй блог). Явный интерес к теме свежего перевода (благодарю всех комментаторов, но в особенности уважаемых @eandr_67 и @ednersky) возвращает меня к философской проблеме под названием «больцмановский мозг», о которой я узнал около 8 лет назад из книги «Вечность», написанной одним из моих любимых популяризаторов науки Шоном Кэрроллом.  

Загадочная связь между силами природы позволяет физикам исследовать квантовую сторону гравитации. Насколько физики смогли определить, природа говорит на двух взаимно непонятных языках: один — для гравитации, а другой — для всего остального. Кривизна ткани пространства-времени указывает планетам и людям, в какую сторону падать, в то время как все остальные силы возникают в результате действия квантовых частиц.

Вскоре после создания специальной теории относительности было разобрано до косточек большое число 'парадоксов' - парадоксов в кавычках, потому что парадоксами они были только для нашего 'здравого смысла', который натренирован на классической ньютоновской механике, которая прошита в нашем мозжечке. Парадокс близнецов, парадокс карандаша и пенала, итд.

Но есть еще один парадокс, парадокс Белла (того самого, чьим именем названо неравенство квантовой механики). Он интересен тремя моментами:

Черная дыра — область пространства-времени с настолько сильным гравитационным полем, что ничто, включая свет, не может ее покинуть. Граница этой области называется горизонтом событий. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры она представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры.

Современные ученые сходятся на том, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже приведенное выше  — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Общее резюме всех определений и формулировок примерно такое: масса свернула пространство и время. Черные дыры максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. Определяется воображаемый горизонт событий, который является условной границей между  черной дырой и окружающим ее пространством. Горизонт событий — это «область невозврата» или граница черной дыры. Свойство “не-демонстрации поверхности” имеет глубинный смысл и может привести   к более полному пониманию эволюции черной дыры.  В решении Шварцшильда, описывающем поведение черной дыры отмечается, что не смотря на наличие, радиуса Шварцшильда, входящее в решение, понятия точки центра не существует.

Для изучения черных дыр мы прибегнем к помощи  ультраметрического пространства. Подсказкой, что нам нужен именно этот тип пространств, может служить упомянутое выше замечание  о центре. В ультраметрическом пространстве любая точка внутри окружности является ее центром. Понимаемого нами центра (в обычном пространстве в обычной окружности) для внутренней области решения черной дыры нет, о чем справедливо указывается  в уравнениях решения Шварцшильда.

В комментариях к одной из моих июльских статей «О возможных составляющих тёмной материи» уважаемый Дмитрий Кобзев @Kodim выдвинул простой и гениальный тезис: «темная материя — это материя в черных дырах. В статье этот вариант не рассматривается?» В статье этот вопрос действительно не рассматривается, но сам комментарий вернул меня к мыслям о том, есть ли реальные способы извлекать информацию из чёрной дыры — хотя бы для того, чтобы узнать, что происходит на горизонте событий и за ним. Поиски ответов на этот вопрос увели меня далеко за рамки голографического принципа, и сегодня я расскажу, как сегодня предполагается устранить или хотя бы обойти информационный парадокс чёрных дыр. Отличная вводная статья об информационном парадоксе чёрных дыр (автор оригинала — Мэтт Страсслер) переведена на Хабре уважаемым @SLY_G.

Согласно Эйнштейну, гравитация не является силой в пространстве, а проявлением кривизны пространства-времени. Массивные тела, такие как звезды, планеты и черные дыры, изгибают пространство-время по-разному, притягивая друг друга – и это взаимодействие мы называем гравитацией. Известная цитата Джона Уилера кратко это подводит: “Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как изгибаться.”

Пространству-времени разрешается растягиваться, сжиматься и крутиться. Гравитационные волны – это волны в пространстве-времени, которые, как предсказывает общая теория относительности, излучаются, когда массивные тела двигаются ассиметричным образом.

В этом путеводители мы разберемся, что такое гравитационные волны, откуда они берутся и как их регистрировать.

Прим. пер. Обложка из видео https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg, тоже советую!