В новом выпуске подкаста StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс обсуждают фундаментальные загадки мироздания с экспертом в области физики элементарных частиц. В центре внимания — вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из материи, а не превратилась в чистое излучение в первые мгновения после Большого взрыва, и какие аномалии сегодня заставляют ученых пересматривать «Стандартную модель».
🔬 Красота микромира: Большой адронный коллайдер 1:36
Гостем программы стал Гарри Клифф, физик из Кембриджского университета, работающий на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Клифф специализируется на эксперименте LHCb, где буква «b» означает Beauty (прелесть) — название одного из шести типов кварков .
Гарри Клифф объясняет структуру микромира через классификацию частиц:
- Кварки: Существует шесть «ароматов» (типов) кварков: верхний (up), нижний (down) — из них состоит ядро атома, — а также странный (strange), очарованный (charm), истинный (top) и прелестный (beauty/bottom) .
- Лептоны: Это электрон и его более тяжелые «родственники» — мюон и тау-лептон. У каждого из них есть партнер в виде призрачной частицы — нейтрино .
- Переносчики сил: Фотоны (электромагнетизм), глюоны (сильное взаимодействие) и W/Z-бозоны (слабое взаимодействие) .
- Бозон Хиггса: Частица, завершающая Стандартную модель и отвечающая за наличие массы у других частиц .
По словам Гарри Клиффа, несмотря на успех этой модели, она остается неполной, так как не включает в себя гравитацию и не объясняет природу темной материи .
🌌 Величайшая ошибка в истории физики: Темная энергия 8:18
Когда речь заходит о темной энергии, физики элементарных частиц сталкиваются с колоссальными трудностями. Гарри Клифф описывает концепцию «энергии вакуума»: согласно квантовой теории поля, пустое пространство на самом деле заполнено полями, которые постоянно флуктуируют .
Однако существует гигантский разрыв между теорией и реальностью:
- Теоретические расчеты энергии вакуума дают результат, который в 10 в 120-й степени раз превышает наблюдаемую плотность темной энергии .
- Если бы темная энергия была столь велика, Вселенную разорвало бы на части в мгновение ока .
- Клифф называет это «самым большим расхождением между теорией и наблюдением в истории науки» .
Чак Найс в шутку предполагает, что может существовать некий «сдерживающий» фактор, гасящий это поле, на что Клифф отвечает, что именно поиском таких компенсаторных механизмов и занимаются физики-теоретики .
⚔️ Битва материи и антиматерии 18:46
Один из главных вопросов выпуска — почему мы вообще существуем? Нил Деграсс Тайсон поясняет: в ранней Вселенной энергия спонтанно превращалась в пары частица-античастица. По логике симметрии, они должны были полностью аннигилировать, превратившись обратно в свет .
Однако произошел сбой. На каждые сто миллионов пар аннигилировавших частиц осталась одна «лишняя» частица материи. Именно из этого крошечного остатка состоит всё, что мы видим во Вселенной сегодня .
Гарри Клифф объясняет, как наука ищет причину этого дисбаланса:
- Условия Сахарова: Советский физик Андрей Сахаров сформулировал три условия, необходимых для победы материи, одно из которых — нарушение CP-симметрии (зарядовой четности) .
- Эксперименты с B-мезонами: Исследователи в ЦЕРНе изучают частицы, которые «осциллируют» — превращаются из материи в антиматерию и обратно во время полета. Измеряя разницу в частоте их распада, физики пытаются понять, как природа нарушает собственную симметрию .
- Дефицит аномалий: Текущих знаний о нарушении симметрии недостаточно, чтобы объяснить объем материи во Вселенной. По мнению Клиффа, нам нужны новые, еще не открытые частицы, чтобы «уравнение жизни» сошлось .
🍎 Рецепт Вселенной и странные аномалии 4:03
Обсуждая свои книги, Гарри Клифф делает отсылку к знаменитой фразе Карла Сагана: «Чтобы приготовить яблочный пирог с нуля, вы должны сначала изобрести Вселенную» . Его новая книга «Space Oddities» («Космические странности») посвящена аномалиям, которые не вписываются в общепринятую картину мира .
Физики обсуждают «стандартные» свойства микромира:
- Идентичность частиц: Каждый электрон во Вселенной абсолютно идентичен любому другому. Клифф объясняет это тем, что все они являются возбуждениями одного и того же единого «электронного поля», пронизывающего космос .
- Время жизни: Большинство частиц крайне нестабильны. Свободный нейтрон распадается примерно через 15 минут . Частицы, изучаемые Клиффом, живут всего триллионную долю секунды, но благодаря релятивистскому замедлению времени (согласно Эйнштейну) они успевают пролететь значительное расстояние в детекторе .
🧪 Черные дыры и тахионы: Мифы и реальность 34:36
В завершение беседы участники развеивают популярные страхи. Перед запуском коллайдера таблоиды пугали общественность созданием черной дыры, которая поглотит Женеву . ЦЕРНу даже пришлось выпустить «отчет по технике безопасности», где вероятность гибели Вселенной рассматривалась как один из рисков, признанный крайне малым .
Гарри Клифф успокаивает слушателей: природа миллиарды лет проводит столкновения частиц гораздо больших энергий (космические лучи в атмосфере), и если бы микроскопические черные дыры были опасны, Земля давно бы исчезла .
Относительно тахионов — гипотетических частиц, движущихся быстрее света, — Клифф настроен скептически. Хотя они математически возможны, их существование нарушило бы принцип причинности: сообщение, отправленное тахионами, могло бы прийти до того, как его отправили . Нил Деграсс Тайсон иронично замечает, что это было бы полезно для ответов на старые письма в электронной почте .
