Fisiksi tuntun nmọlẹ nipasẹ ọpọlọpọ awọn aaye

Eyikeyi awọn iyipada ti o ṣeeṣe ti a yoo fẹ lati ṣe si Awoṣe Standard ti fisiksi (1) tabi ibatan gbogbogbo, awọn imọ-jinlẹ meji wa ti o dara julọ (botilẹjẹpe ko ni ibamu) ti agbaye, ti ni opin pupọ tẹlẹ. Ni awọn ọrọ miiran, o ko le yipada pupọ laisi iparun gbogbo rẹ.

Otitọ ni pe awọn abajade ati awọn iṣẹlẹ tun wa ti ko le ṣe alaye lori ipilẹ awọn awoṣe ti a mọ si wa. Nitorina o yẹ ki a jade kuro ni ọna wa lati jẹ ki ohun gbogbo ko ṣe alaye tabi aiṣedeede ni eyikeyi iye owo ti o ni ibamu pẹlu awọn imọran ti o wa tẹlẹ, tabi o yẹ ki a wa awọn tuntun? Eyi jẹ ọkan ninu awọn ibeere ipilẹ ti fisiksi ode oni.

Awoṣe Standard ti fisiksi patiku ti ṣe alaye ni aṣeyọri gbogbo awọn ibaraẹnisọrọ ti a mọ ati ti a ṣe awari laarin awọn patikulu ti o ti ṣakiyesi. Agbaye ti wa ni ṣe soke ti quarks, leptonov ati awọn bosons wọn, eyiti o ṣe atagba mẹta ninu awọn ipa ipilẹ mẹrin ni iseda ati fun awọn patikulu ibi-isinmi wọn. Ibasepo gbogbogbo tun wa, wa, laanu, kii ṣe ilana kuatomu ti walẹ, eyiti o ṣe apejuwe ibatan laarin aaye-akoko, ọrọ ati agbara ni agbaye.

Iṣoro ti lilọ kọja awọn imọran meji wọnyi ni pe ti o ba gbiyanju lati yi wọn pada nipa iṣafihan awọn eroja tuntun, awọn imọran ati awọn iwọn, iwọ yoo gba awọn abajade ti o tako awọn wiwọn ati awọn akiyesi ti a ti ni tẹlẹ. O tun tọ lati ranti pe ti o ba fẹ lọ kọja ilana imọ-jinlẹ lọwọlọwọ wa, ẹru ẹri jẹ nla. Ni apa keji, o ṣoro lati ma nireti pupọ lati ọdọ ẹnikan ti o bajẹ awọn awoṣe ti a gbiyanju ati idanwo fun awọn ewadun.

Ni oju iru awọn ibeere bẹẹ, ko jẹ iyalẹnu pe ko ṣee ṣe pe ẹnikẹni gbiyanju lati koju paragile ti o wa tẹlẹ ninu fisiksi. Ati pe ti o ba ṣe bẹ, a ko gba ni pataki rara, bi o ti yara kọsẹ lori awọn sọwedowo ti o rọrun. Nitorina, ti a ba ri awọn ihò ti o pọju, lẹhinna awọn wọnyi jẹ awọn olufihan nikan, ti o nfihan pe ohun kan n tan ni ibikan, ṣugbọn ko ṣe kedere boya o tọ lati lọ sibẹ rara.

Fisiksi ti a mọ ko le mu agbaye ṣiṣẹ

Awọn apẹẹrẹ ti shimmer ti “patapata tuntun ati iyatọ”? O dara, fun apẹẹrẹ, awọn akiyesi ti iyara ipadasẹhin, eyiti o dabi pe ko ni ibamu pẹlu alaye naa pe Agbaye ti kun nikan pẹlu awọn patikulu Awoṣe Standard ati pe o tẹle isọdọkan gbogbogbo. A mọ pe awọn orisun kọọkan ti walẹ, awọn irawọ, awọn iṣupọ ti awọn irawọ, ati paapaa oju opo wẹẹbu agba aye ko to lati ṣe alaye lasan yii, ayafi boya. A mọ pe biotilejepe ni ibamu si awọn Standard awoṣe ọrọ ati antimatter yẹ ki o wa ni ṣẹda ki o si run ni dogba titobi, a gbe ni a Agbaye ṣe soke okeene ti ọrọ pẹlu kan kekere iye ti antimatter. Ni awọn ọrọ miiran, a rii pe “fisiksi ti a mọ” ko le ṣe alaye ohun gbogbo ti a rii ni Agbaye.

Ọpọlọpọ awọn adanwo ti mu awọn abajade airotẹlẹ ti, ti o ba ni idanwo ni ipele ti o ga julọ, le jẹ iyipada. Paapaa ohun ti a pe ni Atomic Anomaly ti n tọka si aye ti awọn patikulu le jẹ aṣiṣe esiperimenta, ṣugbọn o tun le jẹ ami ti lilọ kọja Awoṣe Standard. Awọn ọna oriṣiriṣi ti wiwọn agbaye n funni ni awọn iye oriṣiriṣi fun oṣuwọn ti imugboroosi rẹ - iṣoro kan ti a gbero ni awọn alaye ni ọkan ninu awọn ọran aipẹ ti MT.

Sibẹsibẹ, ko si ọkan ninu awọn asemase wọnyi ti o funni ni awọn abajade ti o ni idaniloju to lati jẹ ki a kà si ami aibikita ti fisiksi tuntun. Eyikeyi tabi gbogbo awọn wọnyi le jẹ awọn iyipada iṣiro tabi ohun elo ti ko tọ. Pupọ ninu wọn le tọka si fisiksi tuntun, ṣugbọn wọn le ni irọrun ṣe alaye ni lilo awọn patikulu ti a mọ ati awọn iyalẹnu ni aaye ti ibatan gbogbogbo ati Awoṣe Standard.

A gbero lati ṣe idanwo, nireti fun awọn abajade ti o han gedegbe ati awọn iṣeduro. Laipẹ a le rii boya agbara dudu ba ni iye igbagbogbo. Da lori awọn iwadi galaxy ti a gbero nipasẹ Vera Rubin Observatory ati data lori supernovae ti o jinna lati jẹ ki o wa ni ọjọ iwaju. nancy ore-ọfẹ imutobi, ni iṣaaju WFIRST, a nilo lati wa boya agbara dudu ba wa pẹlu akoko si laarin 1%. Ti o ba jẹ bẹ, lẹhinna awoṣe “boṣewa” wa yoo ni lati yipada. O ṣee ṣe pe eriali interferometer laser aaye (LISA) ni awọn ofin ti ero yoo tun fun wa ni awọn iyanilẹnu. Ni kukuru, a n ka lori awọn ọkọ akiyesi ati awọn idanwo ti a gbero.

A tun n ṣiṣẹ ni aaye ti fisiksi patiku, nireti lati wa awọn iyalẹnu ni ita Awoṣe, gẹgẹ bi wiwọn deede diẹ sii ti awọn akoko oofa ti itanna ati muon - ti wọn ko ba gba, fisiksi tuntun han. A n ṣiṣẹ lati ro bi wọn ṣe n yipada neutrino – nibi, ju, titun fisiksi tàn nipasẹ. Ati pe ti a ba kọ elekitironi-positron collider deede, boya ipin tabi laini (2), a yoo ni anfani lati ṣawari awọn nkan ti o kọja Awoṣe Standard ti LHC ko le rii sibẹsibẹ. Ni agbaye ti fisiksi, ẹya ti o tobi ju ti LHC pẹlu iyipo ti o to 100 km ti pẹ ti dabaa. Eyi yoo ṣe agbejade awọn agbara ikọlu giga, eyiti, ni ibamu si ọpọlọpọ awọn onimọ-jinlẹ, yoo ṣe afihan awọn iyalẹnu tuntun nikẹhin. Sibẹsibẹ, eyi jẹ idoko-owo ti o niyelori pupọ, ati kikọ omiran kan nikan lori ilana ti “jẹ ki a kọ ọ ki a wo ohun ti o fihan wa” gbe ọpọlọpọ awọn iyemeji dide.

2. Linear lepton collider - iworan

Awọn iru ọna meji lo wa si awọn iṣoro ni imọ-jinlẹ ti ara. Ni igba akọkọ ti ni a eka ona, eyi ti o wa ninu dín oniru ti ohun ṣàdánwò tabi ẹya observatory fun lohun kan pato isoro. Ọna keji ni a pe ni ọna agbara brute.ti o ṣe agbekalẹ gbogbo agbaye, idanwo titari-aala tabi akiyesi lati ṣawari agbaye ni ọna tuntun patapata ju awọn isunmọ iṣaaju wa. Ni igba akọkọ ti o dara Oorun ni Standard Awoṣe. Ẹlẹẹkeji gba ọ laaye lati wa awọn itọpa ti nkan diẹ sii, ṣugbọn, laanu, nkan yii ko ni asọye pato. Nitorinaa, awọn ọna mejeeji ni awọn alailanfani wọn.

Wa fun ohun ti a npe ni Imọran ti Ohun gbogbo (TUT), grail mimọ ti fisiksi, yẹ ki o gbe sinu ẹka keji, niwon igba diẹ sii ju ko lọ lati wa awọn agbara ti o ga ati ti o ga julọ (3), ni eyiti awọn agbara ti iseda bajẹ darapọ sinu ọkan ibaraenisepo.

3. Awọn agbara ti a beere fun isokan hypothetical ti awọn ibaraẹnisọrọ

Nisforn neutrino

Laipẹ, imọ-jinlẹ ti ni idojukọ siwaju ati siwaju sii si awọn agbegbe ti o nifẹ si, bii iwadii neutrino, lori eyiti a ṣe atẹjade ijabọ nla kan laipẹ ni MT. Ni Oṣu Keji ọdun 2020, Iwe akọọlẹ Astrophysical ṣe atẹjade kan nipa iṣawari ti neutrinos agbara-giga ti ipilẹṣẹ aimọ ni Antarctica. Ni afikun si idanwo ti a mọ daradara, a tun ṣe iwadii lori kọnputa otutu labẹ orukọ koodu ANITA (), ti o wa ninu itusilẹ balloon pẹlu sensọ kan. igbi redio.

Mejeeji ati ANITA ni a ṣe apẹrẹ lati wa awọn igbi redio lati awọn neutrinos agbara-giga ti o kọlu ọrọ ti o lagbara ti o jẹ yinyin. Avi Loeb, alága Ẹ̀ka Ìjìnlẹ̀ Awòràwọ̀ ní Harvard, ṣàlàyé lórí ojúlé wẹ́ẹ̀bù Salon pé: “Àwọn ìṣẹ̀lẹ̀ tí ANITA rí dájúdájú dà bí ohun àìdánilójú nítorí pé a kò lè ṣàlàyé wọn gẹ́gẹ́ bí neutrinos láti orísun ìràwọ̀. (...) O le jẹ diẹ ninu awọn iru patiku ti o nlo alailagbara ju neutrino kan pẹlu ọrọ lasan. A fura pe iru awọn patikulu wa bi ọrọ dudu. Ṣugbọn kini o jẹ ki awọn iṣẹlẹ ANITA ni agbara?”

Neutrinos jẹ awọn patikulu ti a mọ nikan lati rú Awoṣe Standard. Gẹgẹbi Awoṣe Standard ti awọn patikulu alakọbẹrẹ, a gbọdọ ni awọn oriṣi mẹta ti neutrinos (itanna, muon ati tau) ati awọn oriṣi mẹta ti antineutrinos, ati lẹhin ti iṣelọpọ wọn gbọdọ jẹ iduroṣinṣin ati ko yipada ninu awọn ohun-ini wọn. Lati awọn ọdun 60, nigbati awọn iṣiro akọkọ ati awọn iwọn ti neutrinos ti a ṣe nipasẹ Oorun han, a rii pe iṣoro kan wa. A mọ iye neutrinos elekitironi ti a ṣẹda ninu oorun mojuto. Ṣugbọn nigba ti a wọn iye ti o de, a rii nikan ni idamẹta ti nọmba asọtẹlẹ naa.

Boya ohun kan jẹ aṣiṣe pẹlu awọn aṣawari wa, tabi ohunkan jẹ aṣiṣe pẹlu awoṣe Sun wa, tabi ohunkan jẹ aṣiṣe pẹlu neutrinos funrararẹ. Awọn adanwo riakito ni kiakia tako erongba naa pe nkan kan ko tọ pẹlu awọn aṣawari wa (4). Wọn ṣiṣẹ bi o ti ṣe yẹ ati pe iṣẹ wọn jẹ iwọn daradara pupọ. Awọn neutrinos ti a rii ni a forukọsilẹ ni ibamu si nọmba awọn neutrinos ti o de. Fun awọn ewadun, ọpọlọpọ awọn astronomers ti jiyan pe awoṣe oorun wa jẹ aṣiṣe.

4. Awọn aworan ti awọn iṣẹlẹ neutrino ni itankalẹ Cherenkov lati aṣawari Super Kamiokande

Nitoribẹẹ, iṣeeṣe nla miiran wa pe, ti o ba jẹ otitọ, yoo yi oye wa nipa agbaye pada lati ohun ti Awoṣe Standard sọtẹlẹ. Ero naa ni pe awọn oriṣi mẹta ti neutrinos ti a mọ ni gangan ni ibi-, kii ṣe titẹ si apakan, ati pe wọn le dapọ (yipo) lati yi awọn adun pada ti wọn ba ni agbara to. Ti neutrino ba jẹ itanna ti itanna, o le yipada ni ọna si muon i taonovṣugbọn eyi ṣee ṣe nikan nigbati o ba ni iwọn. Awọn onimo ijinlẹ sayensi ṣe aniyan nipa iṣoro ti neutrinos ọwọ ọtun ati ọwọ osi. Nitori ti o ko ba le ṣe iyatọ rẹ, iwọ ko le ṣe iyatọ boya o jẹ patiku tabi antiparticle.

Njẹ neutrino le jẹ antiparticle tirẹ? Ko ni ibamu si awọn ibùgbé Standard awoṣe. Fermionsni gbogbogbo wọn ko yẹ ki o jẹ awọn antiparticles tiwọn. Fermion jẹ patiku eyikeyi pẹlu yiyi ti ± XNUMX/XNUMX. Ẹka yii pẹlu gbogbo awọn quarks ati awọn lepton, pẹlu neutrinos. Bibẹẹkọ, iru awọn fermions pataki kan wa, eyiti o wa titi di akoko yii nikan ni imọ-jinlẹ - Majorana fermion, eyiti o jẹ antiparticle tirẹ. Ti o ba wa, nkankan pataki le ṣẹlẹ ... neutrino ofe ilopo Beta ibajẹ. Ati pe eyi ni aye fun awọn adanwo ti o ti n wa iru aafo kan fun igba pipẹ.

Ninu gbogbo awọn ilana ti a ṣe akiyesi pẹlu neutrinos, awọn patikulu wọnyi ṣafihan ohun-ini kan ti awọn onimọ-jinlẹ n pe ni ọwọ osi. Awọn neutrinos ọwọ ọtun, eyiti o jẹ itẹsiwaju adayeba julọ ti Awoṣe Standard, ko si ibi ti a le rii. Gbogbo awọn patikulu MS miiran ni ẹya ti o ni ọwọ ọtun, ṣugbọn awọn neutrinos ko ṣe. Kí nìdí? Ipilẹṣẹ tuntun, lalailopinpin okeerẹ nipasẹ ẹgbẹ kariaye ti awọn onimọ-jinlẹ, pẹlu Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) ni Krakow, ti ṣe iwadii lori ọran yii. Awọn onimo ijinlẹ sayensi gbagbọ pe aini akiyesi awọn neutrinos ọwọ ọtun le jẹri pe wọn jẹ awọn fermions Majorana. Ti wọn ba wa, lẹhinna ẹya apa ọtun wọn tobi pupọ, eyiti o ṣalaye iṣoro wiwa.

Sibẹsibẹ a ko tun mọ boya neutrinos jẹ awọn antiparticles funrararẹ. A ko mọ ti wọn ba gba ibi-wọn lati isọdọkan ti ko lagbara pupọ ti Higgs boson, tabi ti wọn ba gba nipasẹ ẹrọ miiran. Ati pe a ko mọ, boya eka neutrino jẹ eka pupọ ju ti a ro lọ, pẹlu ifo tabi awọn neutrinos eru ti o wa ninu okunkun.

Atomu ati awọn miiran asemase

Ni fisiksi patiku alakọbẹrẹ, ni afikun si awọn neutrinos asiko, awọn agbegbe miiran wa, awọn agbegbe ti a ko mọ daradara ti iwadii eyiti “fisiksi tuntun” le tan nipasẹ. Awọn onimo ijinlẹ sayensi, fun apẹẹrẹ, laipẹ ti dabaa iru tuntun ti patiku subatomic lati ṣe alaye awọn enigmatic itu bi (5), ọran pataki ti patiku meson ti o wa ninu ọkan quark i ọkan Atijo oniṣòwo. Nigbati awọn patikulu kaon ba bajẹ, ida diẹ ninu wọn ni awọn iyipada ti o ya awọn onimọ-jinlẹ. Ara ti ibajẹ yii le ṣe afihan iru patiku tuntun tabi agbara ti ara tuntun ni iṣẹ. Eleyi jẹ ita awọn dopin ti Standard Awoṣe.

Awọn adanwo diẹ sii wa lati wa awọn ela ninu Awoṣe Standard. Iwọnyi pẹlu wiwa fun g-2 muon. Ó fẹ́rẹ̀ẹ́ tó ọgọ́rùn-ún ọdún sẹ́yìn, onímọ̀ físíìsì Paul Dirac sọ àsọtẹ́lẹ̀ àkókò oofa ti ohun elekitironi nipa lilo g, nọmba kan ti o pinnu awọn ohun-ini alayipo ti patiku kan. Lẹhinna awọn wiwọn fihan pe “g” yatọ diẹ si 2, ati pe awọn onimọ-jinlẹ bẹrẹ lati lo iyatọ laarin iye gangan ti “g” ati 2 lati ṣe iwadi ilana inu ti awọn patikulu subatomic ati awọn ofin ti fisiksi ni gbogbogbo. Ni ọdun 1959, CERN ni Geneva, Switzerland, ṣe idanwo akọkọ ti o wọn iye g-2 ti patiku subatomic kan ti a npe ni muon, ti a so mọ elekitironi ṣugbọn riru ati awọn akoko 207 wuwo ju patiku alakọbẹrẹ lọ.

Brookhaven National Laboratory ni New York bẹrẹ idanwo tirẹ ati ṣe atẹjade awọn abajade ti idanwo g-2 wọn ni ọdun 2004. Iwọn naa kii ṣe ohun ti Awoṣe Standard sọtẹlẹ. Sibẹsibẹ, idanwo naa ko gba data ti o to fun itupalẹ iṣiro lati fi idi rẹ mulẹ ni ipari pe iye iwọn jẹ iyatọ nitõtọ kii ṣe iyipada iṣiro nikan. Awọn ile-iṣẹ iwadii miiran n ṣe awọn idanwo tuntun pẹlu g-2, ati pe a yoo mọ awọn abajade laipẹ.

Nibẹ ni nkankan diẹ iditẹ ju yi Kaon asemase i muon. Ni ọdun 2015, idanwo lori ibajẹ ti beryllium 8Be ṣe afihan anomaly kan. Awọn onimo ijinlẹ sayensi ni Hungary lo aṣawari wọn. Lairotẹlẹ, sibẹsibẹ, wọn ṣe awari, tabi ronu pe wọn ṣe awari, eyiti o daba wiwa ti agbara ipilẹ karun ti ẹda.

Awọn onimọ-jinlẹ lati Ile-ẹkọ giga ti California nifẹ ninu iwadi naa. Nwọn si daba wipe lasan ti a npe ni atomiki anomaly, ti a ṣẹlẹ nipasẹ patikulu titun patapata, eyiti o yẹ ki o gbe agbara karun ti ẹda. O pe ni X17 nitori pe iwọn rẹ ti o baamu ni a ro pe o fẹrẹ to 17 million volts elekitironi. Eyi jẹ awọn akoko 30 ti iwọn elekitironi, ṣugbọn o kere ju iwọn proton kan lọ. Ati pe ọna ti X17 ṣe huwa pẹlu proton jẹ ọkan ninu awọn ẹya ajeji rẹ - iyẹn ni, ko ṣe ajọṣepọ pẹlu proton rara. Dipo, o ṣe ajọṣepọ pẹlu elekitironi ti ko ni agbara tabi neutroni, eyiti ko ni idiyele rara. Eyi jẹ ki o nira lati baamu patiku X17 sinu Awoṣe Standard wa lọwọlọwọ. Bosons ni nkan ṣe pẹlu awọn ologun. Gluons ni nkan ṣe pẹlu agbara to lagbara, awọn bosons pẹlu agbara alailagbara, ati awọn photon pẹlu itanna eletiriki. Paapaa boson hypothetical kan wa fun walẹ ti a pe ni graviton. Gẹgẹbi boson, X17 yoo gbe agbara ti tirẹ, bii eyiti eyiti o jẹ ohun ijinlẹ si wa titi di isisiyi o le jẹ.

Agbaye ati itọsọna ayanfẹ rẹ?

Ninu iwe kan ti a tẹjade ni Oṣu Kẹrin yii ninu iwe akọọlẹ Awọn ilọsiwaju Imọ-jinlẹ, awọn onimo ijinlẹ sayensi ni Ile-ẹkọ giga ti New South Wales ni Sydney royin pe awọn iwọn ina tuntun ti o jade nipasẹ quasar 13 bilionu ina-ọdun kuro jẹrisi awọn iwadii iṣaaju ti o rii awọn iyatọ kekere ninu eto ibakan ti o dara. ti Agbaye. Ojogbon John Webb lati UNSW (6) salaye pe ibakan igbekalẹ itanran “jẹ opoiye ti awọn onimọ-jinlẹ lo bi iwọn ti agbara itanna.” itanna agbara ntọju awọn elekitironi ni ayika awọn ekuro ni gbogbo atomu ni agbaye. Laisi rẹ, gbogbo ọrọ yoo ṣubu. Titi di aipẹ, a kà a si agbara igbagbogbo ni akoko ati aaye. Ṣugbọn ninu iwadii rẹ ni awọn ọdun meji sẹhin, Ọjọgbọn Webb ti ṣakiyesi anomaly kan ninu igbekalẹ didara to lagbara ninu eyiti agbara itanna, ti wọn wọn ni itọsọna ti a yan ni agbaye, nigbagbogbo dabi ẹni pe o yatọ diẹ.

"" ṣe alaye Webb. Awọn aiṣedeede han kii ṣe ni awọn wiwọn ẹgbẹ ilu Ọstrelia, ṣugbọn ni ifiwera awọn abajade wọn pẹlu ọpọlọpọ awọn wiwọn miiran ti ina quasar nipasẹ awọn onimọ-jinlẹ miiran.

"" Ọjọgbọn Webb sọ. "". Ninu ero rẹ, awọn abajade dabi pe o daba pe o le jẹ itọsọna ti o fẹ ni agbaye. Ni awọn ọrọ miiran, agbaye yoo ni ọna kan ni ọna dipole kan.

"" Onimọ ijinle sayensi sọ nipa awọn aami aiṣan ti o samisi.

Eyi jẹ ohun kan diẹ sii: dipo ohun ti a ro pe o jẹ itankale laileto ti awọn galaxies, quasars, awọn awọsanma gaasi ati awọn aye aye pẹlu aye, Agbaye lojiji ni ẹlẹgbẹ ariwa ati gusu. Ọjọgbọn Webb ti ṣetan lati gba pe awọn abajade ti awọn iwọn nipasẹ awọn onimọ-jinlẹ ti a ṣe ni awọn ipele oriṣiriṣi nipa lilo awọn imọ-ẹrọ oriṣiriṣi ati lati awọn aaye oriṣiriṣi lori Earth jẹ otitọ lasan nla kan.

Webb tọka si pe ti itọsọna ba wa ni agbaye, ati pe ti itanna eletiriki ba yipada lati jẹ iyatọ diẹ ni awọn agbegbe kan ti cosmos, awọn imọran ipilẹ julọ ti o wa labẹ pupọ ti fisiksi ode oni yoo nilo lati tun wo. "", sọrọ. Awoṣe naa da lori imọ-jinlẹ Einstein ti walẹ, eyiti o dawọle ni gbangba pe awọn ofin ti ẹda. Ati pe ti kii ba ṣe bẹ, lẹhinna… ero ti igbega gbogbo ile ti fisiksi jẹ iyalẹnu.