• РЕГИСТРАЦИЯ

Три нерешенные проблемы фундаментальной физики

Александр Странник
Многое в мире не нуждается ни в моих комментариях, ни в моем мнении.
29 ноября 2017 г. 20:05 12 4110

Нобелевскую премию по физике присудили американским ученым Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Баришу за открытие гравитационных волн.

Премия совершенно заслуженная. В прошлом году премию за этот результат просто не успели бы вручить, так как о первом прямом детектировании гравитационных волн было объявлено только в феврале, когда нобелевский процесс 2016 года уже был запущен. Но неопределенность насчет 2017 года оставалась, потому что в некоторых случаях награду ждут дольше: например, экспериментаторам, открывшим бозон Хиггса, Нобелевскую премию пока не дали.

Но важно не только открыть гравитационные волны, но продолжить использовать их для изучения гравитации и разных астрофизических объектов. Уже сейчас гравитационные волны — это одно из самых серьезных доказательств существования черных дыр. И в ближайшем будущем с помощью детекторов LIGO и VIRGO мы узнаем много интересного об этих объектах.

Но в фундаментальной физике, в отличие от математики, есть всего лишь три основные нерешенные проблемы, которыми занимаются фактически все ученые из этой области науки, — это проблема космологической постоянной, проблема конфайнмента кварков и проблема квантовой гравитации.

Проблема космологической постоянной

Представьте себе лунку, в которой лежит шарик. Если его пошевелить, он начнет колебаться и без трения будет колебаться вечно — получится классический осциллятор. Но если шарик не трогать, то он будет просто лежать на дне.

Однако квантовая частица — это не шарик, а волна. А потому основное состояние квантового осциллятора имеет ненулевую энергию. Это волна с единственным гребнем внутри лунки. То есть квантовая частица колеблется даже в основном состоянии. Это так называемые нулевые колебания. Они происходят в любой квантовой системе, в том числе в квантовой теории поля.

В квантовой теории поля вакуум — это не пустота. Он состоит из нулевых колебаний. Если нет гравитации, то энергию рассчитывают от полной энергии этих нулевых колебаний. Их как бы отбрасывают. И все частицы в квантовой теории поля — это возбуждение над нулевыми колебаниями.

Однако в присутствии гравитации нулевые колебания отбросить нельзя. Они ведь что-то «весят», то есть искривляют пространство-время. Поэтому возникает проблема.

Теоретически предсказано, что нулевые колебания составляют огромную вакуумную энергию. Однако наблюдения показывают, что вакуумная энергия в нашей Вселенной очень мала. Это то, что сейчас называется темной энергией в космосе. Она приводит к ускоренному расширению Вселенной, так как что-то «весит». Именно в этом и заключается проблема космологической постоянной: с одной стороны, квантовая теория поля предсказывает, что она огромная, а с другой стороны, наблюдаем очень маленькую. Куда девается огромная вакуумная энергия, предсказанная квантовой теорией поля? И какова тогда природа темной энергии?

Проблема конфайнмента кварков

Известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Они взаимодействуют друг с другом при помощи ядерных сил. Если сталкивать протоны, наращивая энергию, мы увидим рождение огромного многообразия новых частиц — адронов.

Все адроны описываются одним способом: они состоят из кварков. Это наблюдают, рассеивая электрон на протоне при очень высоких энергиях. Оказывается, что при этом электрон рассеивается практически так же, как альфа-частицы на атомах. Последнее было изучено Резерфордом в начале ХХ века: он увидел, что альфа-частица рассеивается на очень концентрированном центре ядра, которое имеет очень маленький размер. Оказывается, что точно так же электрон рассеивается на протоне, но с одной оговоркой: у протона как будто есть три центра с соответствующими зарядами.

Внутри протона действительно находятся три кварка. Но по непонятной причине отдельно эти кварки мы получить не можем, мы всегда их видим только в составе адронов. Теорию кварков мы знаем, и это квантовая хромодинамика, которая описывает кварки и глюоны. Последние переносят взаимодействие между кварками, точно так же как фотоны между электрическими зарядами. Квантовую хромодинамику мы хорошо понимаем при высоких энергиях. Тогда она действительно описывает физику адронов. Но при низких энергиях электрон рассеивается на адронах как на целом. Как переходит одно описание, при помощи практически свободных кварков, к другому — в виде адронов как связанных состояний из кварков? И почему кварки не существуют по отдельности? В этих вопросах и состоит суть проблемы конфайнмента.

Проблема квантовой гравитации

У квантовой теории поля есть проблемы с существованием бесконечных частот. Грубо говоря, поле можно гнуть как угодно, со сколь угодно высокой точностью. Из-за этого возникают так называемые расходимости, а именно: при вычислении различных физических величин в квантовой теории поля мы получаем бесконечные вклады. Во всех ныне разработанных квантовых теориях поля, с которыми мы имеем дело, эти расходимости могут быть устранены переопределением нескольких констант связи, таких как заряды и массы частиц, например.

При этом для того, чтобы устранить похожую проблему при квантовании гравитации, приходится переопределять бесконечное количество констант связи. При повышении энергии теорию нужно усложнять все больше и больше. Это говорит о том, что теория гравитации является применимой только при низких энергиях, а в ее основе должна лежать более фундаментальная (высокоэнергетическая) теория, которую мы пока не знаем.

Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, профессор кафедры теоретической физики МФТИ

Большинство из самых обсуждаемых тем в современной физике переходят в сферу философии, и одной из основных таких тем является характер времени. Хотя большинство фундаментальных физических законов не изменяется при изменении времени, существует несколько классов явлений в природе, которые имеют одностороннее направление времени. Поскольку большинство подсистем во вселенной не могут считаться изолированными, эти различные стрелки времени указывают в одном направлении. Возникает вопрос, существует ли одна главная стрелка времени, лежащая в основе всех этих стрелок. Предварительным ответом является «да». Уже Людвиг Больцманн сделал предположение о возможном фундаменте второго закона термодинамики из космологии: это огромный температурный градиент между горячими звездами и холодным пространством, который обеспечивает энтропическую способность, которая необходима для увеличения энтропии.

Исторически сложилось так, что состояния Вселенной в будущем редко представляло научный интерес. Как заметил в 1985 году британский астрофизик Малькольм Лонгэйр: «Будущее нашей Вселенной - прекрасная тема для разговоров после ужина». То, что называется «физическая эсхатология», началось только в 1970-х годах с работы Мартина Риса, Джамала Ислама и некоторых других. То, что сделали эти физики - это экстраполирование нынешнего состояния Вселенной в далекое будущее, предполагая, что известные в настоящее время законы физики останутся неизменными. Предпочтительный сценарий в этом виде исследований обычно начинался с вымирания звезд и их последующего превращения в нейтронные звезды или черные дыры.

В некоторых исследованиях вселенной будущего мира были высказаны предположения о выживании разумной жизни - либо людей, либо их предположительно более интеллектуальных потомков (которые могут быть самовоспроизводящимися роботами, а не существами из плоти и крови)...

Многое в мире не нуждается ни в моих комментариях, ни в моем мнении.

Итоги года: Россия побеждает в гибридной войне

                       Совсем недолго остается до боя кремлевских курантов, которые возвестят нам о наступлении нового 2020 го...

Страшная космическая ракета, дырявые скафандры и новый робот ARTEM

✔ На этой неделе в мировой космонавтике произошло три важных события, которые напрямую связаны с соперничеством ведущих держав за лидерство в космосе. В настоящее время это соперничеств...

Меркель поднимает ставки перед встречей в Париже

Как и следовало ожидать, намёк с законом о госгранице ДНР в Европе поняли хорошо и он им не понравился. Россия фактически показала Берлину и Парижу крайнюю ограниченность их пространств...

Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

0 новых комментариев

    Александр Странник 13 октября 2018 г. 12:35

    Расчет сценария гостеприимства: проще и выгоднее развалить самостоятельно

    ...идет собрание в колхозе на предмет починки коровника. Встает председатель и говорит: так, есть два варианта починить коровник. Реалистический и фантастический. Реалистический: это если прилетят инопланетяне и все починят. Фантастический: это если мы починим коровник сами. А почему бы и нет? Одна сплошная математика и ничего личного. Сценарий принудительного приглаш...
    463
    Александр Странник 10 марта 2018 г. 23:01

    В начале 90–х, про которые сейчас и вспоминать–то страшно...

    ... доктор в московской городской больнице ощущал себя ровно на фронте. За год в заведении, где я работал, дважды приходили киллеры и довершали недоделанное. В конце концов, администрация завела охрану, которую киллеры и построили по стенке вместе с медперсоналом в следующий свой приход, прочитав при этом лекцию о том, что такое хорошо и что такое плохо в работе охран...
    1681
    Александр Странник 10 марта 2018 г. 01:21

    Cекрет длительных отношений с мужчиной

    Меня всё чаще спрашивают, в чём секрет длительных отношений с мужчиной. Отвечу честно и прямо, как опытный мужчинозаводчик со стажем (14 лет без единой попытки побега со стороны мужчины). Секрет есть, он очень сложен, практически недоступен для постижения большинству женщин и почти всем мужчинам. Но я всё равно поделюсь. Далее — по обычным пунктам «секретов отношений»...
    2920
    Александр Странник 7 марта 2018 г. 13:34

    Заброшенная воинская часть

    В девяностые мы с корешом тырили цветмет по заброшенным воинским частям Подмосковья и сдавали скупщикам. Тем и жили. Семьи–то кормить надо?Не подумайте плохого — дербанили, действительно, только заброшенное, оставленное. Даже «консервы» не трогали, хотя там улов всяко был бы богаче. Наша тогдашняя фишечка — собирали инфу про «секретки», куда, зачастую, даже дороги обы...
    2801
    Александр Странник 6 марта 2018 г. 19:05

    Совокупность факторов, влияющих..

    Началось все это с малого, с интервью, которое один из ведущих телеканалов показал намедни в своей утренней передаче. Старший научный сотрудник ВШЭ в прямом эфире излагал свою точку зрения по поводу занятости населения России на ближайшее время. Этакий молодец, лет двадцати пяти-тридцати, достаточно упитанный, довольный собой и перспективами, открывающимися для него в...
    1390
    Александр Странник 5 февраля 2018 г. 23:37

    Стихи про Советский Союз

    На хорошие стихи наткнулся в Сети.  А у нас сайт пестрит  и "красными", и "белыми".., встречаются в цветах радуги. И политических оттенков как того серого, но все без исключения, то ли патриоты, как они это себе представляют, то ли ренегаты в лучшем смысле этого слова. И все без исключения радеют за себя любимых. А я подпишусь под каждым словом этого автора....
    558
    Александр Странник 8 декабря 2017 г. 10:45

    "У нас пленных нет, есть только предатели"

    Тема сложная и тяжелая. Шашкой справа налево махать не стоит. Как не стоит искать скрытый подтекст в словах президента страны в отношении спортсменов, желающих индивидуально посетить зимний Пхёнчхан. Каждый свою дорогу выбирает самостоятельно и не у всех она усыпана лепестками роз...Весной 1956 года Маршал Советского Союза Георгий Жуков в своем выступлении на Пленуме ...
    969
    Александр Странник 23 ноября 2017 г. 20:09

    Отсутствие идеологии в России - лукавство политиков.

    В России законодательно закреплена идеология западного светского гуманизма. Эта негласная идеология, или «отсутствие идеологии», ведет к бездуховности, перерождению общества в толпу, вырождению народа. Согласно Конституции, у нас в стране нет государственной идеологии. Но может ли существовать человеческое общество без идеологии? Нет. Это будет толпа людей, ...
    635
    Александр Странник 23 ноября 2017 г. 19:32

    ...ахеджакнуло от Сталинграда через Уренгой аж до самого Берлина.

    Посмотрел сегодня утром и волосы дыбом встали! Что же за "детский сад" поехал в продемонстрировать свои трусы на лямках?  И такой "институт" как "кураторы" при заграничных поездках нашей "деревни"  в бытность свою себя оправдывал. Хотя бы дурости нашей и глупости не так по миру болталось... А русские, которые стыдятся того, что они русские, могут не стыдитьс...
    2955
    Александр Странник 19 ноября 2017 г. 20:38

    Дахау в Крыму

    8 мая 2015 года в селе Мирном Симферопольского района торжественно открыли мемориальный комплекс "Красный". На этом месте, на территории одноименного совхоза, с июня 1942-го по апрель 1944 года находился концлагерь, где были замучены, расстреляны, умерли от голода и болезней тысячи крымских узников, в основном члены семей партизан и подпольщиков.Заместитель полномоч...
    3164
    Александр Странник 3 ноября 2017 г. 14:55

    Хотят ли русские? КОНТ как полигон информационной войны.

    Отвлеченно задался найти ответ на желание зайти на сайт и высказаться по поводу потери интереса к площадке для "талантливых авторов и интересных аналитиков со всего мира". Три месяца меня не волнуют страсти, кипящие на этой интернет-площадке, не интересуют публикации креативных Авторов, а самое важное, нет желания высказывать здесь свою точку зрения на события, происх...
    4515
    Александр Странник 30 августа 2017 г. 18:50

    Ураган в США: было - стало

    Ураган «Харви» ударил по югу США и затопил прибрежные округа в штатах Луизиана и Техас, включая один из крупнейших мегаполисов страны — Хьюстон, а также несколько близлежащих населенных пунктов. Под воду ушли целые жилые кварталы и улицы.Харви стал самым мощным ураганом на территории США за последние 12 лет, с тех пор как на страну в 2005 году обрушился шторм «Катрина...
    894
    Александр Странник 30 августа 2017 г. 11:12

    Список безвизовых стран

    Мы много слышим о том, что путешествовать россиянам трудно, везде нужны визы, спонтанно никуда не сорвешься. Ну, некоторые сложности, конечно, есть и наш паспорт, возможно, не самый лучший для катания по миру, но на самом деле за последнее время ситуация очень сильно изменилась. Вот простая калькуляция:1. Полмира, куда можно сорваться практически в ближайшие выходные!...
    1194
    Александр Странник 14 августа 2017 г. 16:33

    Как мы выжили...

    Сей опус взят на страницах Интернета, мной отредактирован, ибо выкладывать на сайте нецензурную брань считаю безнравственным. Как мы выжили?... Никто не может ответить вразумительно ...Меня с лодки сбросили на середине реки, что бы я плавать научился...Дед с пяти до десяти лет каждое утро окатывал меня ведром ледяной колодезной воды, типа закалял... По стройкам п...
    5019
    Александр Странник 11 августа 2017 г. 15:33

    Идиотов немного, но они грамотно расставлены!

    Все жалуются на свою память, но никто не жалуется на свой ум ©Ларошфуко Министр обороны Польши Антони Мачеревич в интервью TVP обвинил Россию в волынской резне, пишет портал Kresy.pl. По мнению главы военного ведомства, зачинатель массового убийства людей на Волыни — Россия, «настоящий враг», которая использовала для этого часть националистов. Минис...
    6799
    Александр Странник 11 августа 2017 г. 14:06

    «Только глупые люди говорят, что американцы – идиоты»

    «Американцы – очень смышленые ребята, которые думают на десятилетия вперед. Все, что происходит, делается целенаправленно. Проблема в том, что экономика США, их благосостояние напрямую зависят от конфликтов в мире. Им выгодно поддерживать их в определенном состоянии», – сказал газете ВЗГЛЯД депутат Госдумы и лидер Российского союза ветеранов Афганистана Франц Клинцеви...
    3516
    Александр Странник 7 августа 2017 г. 13:45

    Назад пятьсот, пятьсот вперед, - Сигналим зря - пурга, и некому помочь!

    Классный фоторепортаж! А где-то рядом, пятьсот туда-пятьсот сюда, отдыхал нынче президент. Многие считают, что здесь заканчивается родина, но на самом деле она здесь начинается.На прошлой неделе мне довелось проделать долгий путь до небольшого села Укыр, расположенного у самой границы с Монголией. Эта территория изолирована от единой энергосистемы страны. Здесь н...
    1061
    Александр Странник 6 августа 2017 г. 10:38

    Цифровое развитие Главы Сбербанка

    Лекцию о том, какие перемены в эпоху развития новых технологий нас ждут, прочитал в Калининградском университете председатель правления Сбербанка Герман Греф. По всему, откровения пятилетней давности общественность забыла и настало время примерять белый и пушистый костюм в свете высказываний президента о начале эры цифровой экономики. Забавно и достаточно поучительно ...
    6017
    Александр Странник 14 июля 2017 г. 09:30

    Об «ахиллесовой пяте» американского научно-технического лидерства

    Предположим, что убеленные сединой и знаниями маститые ученые сознательно очерняют действительность. Предположим, что факты, изложенные в докладе профессоров намеренно  сфальсифицированы и не соответствуют реальному положению дел. Однако, по моему скромному мнению, стоит внимательно отнестись к высказанным в публикации тезисам, поскольку основой любого научно-тех...
    1159
    Александр Странник 13 июля 2017 г. 19:14

    Космические аппараты СССР серии "Венера"

    Долгое время Венера оставалась для астрономов своего рода «неизвестной землей». Связано это с постоянно окутывающей ее плотной облачностью. С помощью телескопов так и не удалось даже установить продолжительность суток на Венере. Первую такую попытку предпринял известный французский астроном итальянского происхождения Джованни Кассини еще в 1667 году. Он заявил, что су...
    2804
    Служба поддержи

    Яндекс.Метрика