Posted 15 мая 2019,, 06:37
Published 15 мая 2019,, 06:37
Modified 29 мая 2023,, 09:25
Updated 29 мая 2023,, 09:25
Красноярский ученый объяснил, чем занимаются герои «Теории большого взрыва»
В мае выходит последний сезон сериала «Теория большого взрыва». По этому поводу аспирант кафедры технической физики Института космических исследований и высоких технологий СибГУ Дмитрий Зуев решил объяснить, что именно изучали герои и насколько это важно для науки.
Персонаж сериала, гениальный физик-теоретик Шелдон Купер, занимается изучением теории струн. Несмотря на то, что в «Теории большого взрыва» много и иногда даже подробно говорят о сути теории, многие зрители не понимают о чем речь, либо понимают неправильно. Вот объяснение нашего ученого:
— В современной физике есть две больших теории: квантовая механика и общая теория относительности. Первая работает в микромире — на масштабах, сравнимых с размером элементарной частицы. Вторая описывает гравитацию и пространство-время на макромасштабах — космосе. И эти две вещи очень плохо совмещаются между собой. Общая теория относительности считает, что пространство-время является гладким и только большие массы могут его искажать. В квантовой механике наоборот, мельчайшие частицы на микромасштабах постоянно и не предсказуемо флуктуируют.
Теория струн является попыткой создать единую теорию взаимодействия, которая должна описывать все четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Построением такой теории физики занимаются уже более ста лет.
— Суть теории струн в том, чтобы описать все элементарные частицы (бозоны, фермионы) и их взаимодействия между собой как результат колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 метров (примерно в 100 квинтиллионов раз меньше диаметра ядра атома водорода, — прим. ред.). Теория струн потенциально позволяет объединить квантовую механику с теорией относительности. Изначально многообещающая теория струн захватила умы физиков и была популярна, однако в процессе ее разработки возникло множество проблем: огромное количество вариантов теории, чрезмерная математическая сложность и самое главное: невозможность на данный момент провести экспериментальную проверку основных результатов. А без проверки экспериментов непонятно, куда нужно двигаться.
Дмитрий Зуев отметил, в начале сериала Купер занимался изучением бозонной теории струн — это первый вариант теории, разработанный на рубеже 60-70х годов ХХ века. Бозонная теория описывает только взаимодействие бозонов — частиц с целым значением собственного момента импульса (спина).
Позже Шелдон переходит к изучению более современной гетеротической теории, которая изучает взаимодействие не только бозонов, но и частиц с полуцелым спином — фермионов, куда входят кварки, протоны, нейтроны, лептоны, нейтралино.
Вместе с астрофизиком Раджем Кутраппали Шелдон работал над теорией струн под действием гамма-лучей от аннигиляции темной материи. Дмитрий Зуев объяснил, что это такое:
— По всей видимости, они пытались с помощью теории струн описать процесс аннигиляции темной материи — встречу двух частиц темной материи с последующим их превращением в другие частицы. И далее регистрировать гамма-излучение с энергией 500 гигаэлектровольт (ГэВ), которое гипотетически должно появляться при аннигиляции. Задача регистрации следов аннигиляции темной материи косвенно бы подтвердила ее существование. Но последние эксперименты, например изучение гамма-излучения галактик орбитальным телескопом Ферми, не обнаружили следов аннигиляции. Стоит отметить, что телескоп работал в диапазоне энергий от 502 МэВ до 251 ГэВ.
Шелдон занимался исследованиями и с физиком-экспериментатором Леонардом Хофстедером. Вместе они написали статью о том, что пространство можно описать с помощью уравнений для сверхтекучей жидкости. Как рассказал Зуев, эта работа тоже относится к теории струн.
— Суть работы Шелдона и Леонарда в том, чтобы представить пространство-время как движение жидкости с нулевой вязкостью — сверхтекучей жидкости. Сверхтекучесть гелия при температурах менее 2 Кельвинов, то есть менее -271 градуса по Цельсию, была открыта в 1938 году советским физиком Петром Капицей. Сверхтекучей является жидкость, которая может протекать бесконечно без потери энергии. Сложность в том, что для передачи энергии требуется среда — звуковые волны перемещаются в воздухе, тепло перемещается через металлы и другие вещества. А электромагнитные волны двигаются в пустом пространстве, что вызывает вопросы. Это и послужило предпосылкой для создания этой теории около полувека назад.
фото: скриншоты сериала «Теория большого взрыва»