Рэчы, якія нябачныя на дадзены момант
Рэчы, якія навука ведае і бачыць, - толькі малая частка таго, што, верагодна, існуе. Вядома, навука і тэхніка не павінны ўспрымаць "бачанне" літаральна. Хоць наш зрок не можа іх убачыць, навука ўжо даўно "бачыць" такія рэчы, як паветра і які змяшчаецца ў ім кісларод, радыёхвалі, ультрафіялетавае святло, інфрачырвонае выпраменьванне і атамы.
Мы таксама бачым у некаторым сэнсе антырэчывакалі ён бурна ўзаемадзейнічае са звычайнай матэрыяй, і што ўвогуле ўяўляе сабой больш складаную праблему, таму што, хоць мы бачылі гэта па эфектах узаемадзеяння, у больш цэласным сэнсе, як вібрацыі, яно было для нас няўлоўным да 2015 года.
Аднак мы ўсё яшчэ ў некаторым сэнсе не «бачым» гравітацыі, таму што мы не выявілі да гэтага часу ніводнага носьбіта гэтага ўзаемадзеяння (г. зн., напрыклад, гіпатэтычнай часціцы, званай гравітон). Тут варта згадаць, што існуе некаторая аналогія паміж гісторыяй гравітацыі і .
Мы бачым дзеянне апошняга, але непасрэдна яго не назіраем, не ведаем, з чаго яно складаецца. Аднак паміж гэтымі "нябачнымі" з'явамі ёсць прынцыповая розніца. Ніхто ніколі не падвяргаў сумневу гравітацыю. А з цёмнай матэрыяй (1) інакш.
Як г цёмная энергіяякі, як кажуць, утрымоўвае нават больш, чым цёмная матэрыя. Яго існаванне было выведзена ў выглядзе гіпотэзы на аснове паводзін Сусвету ў цэлым. "Убачыць" яе, верагодна, будзе нават складаней, чым цёмную матэрыю, хаця б таму, што наш агульны вопыт вучыць, што энергія па сваёй прыродзе застаецца чымсьці менш даступным для пачуццяў (і інструментаў назірання), чым матэрыя.
Па сучасных здагадках, абодва цёмных павінны складаць 96% яго зместу.
Так што, па сутнасці, нават сам Сусвет па большай частцы для нас нябачны, не кажучы ўжо пра тое, што, калі справа даходзіць да яе межаў, мы ведаем толькі тыя, якія вызначаюцца чалавечым назіраннем, а не тыя, якія былі б яе сапраўднымі крайнасцямі - калі так у яны наогул ёсць.
Нешта цягне нас разам з усёй Галактыкай
Незаўважнасць некаторых рэчаў у космасе можа быць пакутлівая, напрыклад, той факт, што і 100 XNUMX суседнія галактыкі бесперапынна рухаюцца да загадкавай кропкі ў Сусвеце, вядомай як Вялікі атрактар. Гэта вобласць знаходзіцца прыкладна ў 220 мільёнах светлавых гадоў ад нас, і вучоныя называюць яе гравітацыйнай анамаліяй. Лічыцца, што Вялікі Атрактар мае масу квадрыльёнаў сонцаў.
Пачнём з таго, што ён пашыраецца. Гэта адбываецца з часоў Вялікага выбуху, а бягучая хуткасць гэтага працэсу ацэньваецца ў 2,2 км у гадзіну. Гэта азначае, што наша галактыка і суседняя з ёй галактыка Андрамеды таксама павінны рухацца з такой хуткасцю, праўда? Не зусім.
У 70-х мы стварылі падрабязныя карты касмічнай прасторы. Фон мікрахвалевага выпраменьвання (CMB) Сусвету і мы заўважылі, што адзін бок Млечнага Шляху цяплейшы за другі. Розніца была менш за сотую долю градуса Цэльсія, але гэтага было дастаткова, каб мы зразумелі, што рухаемся з хуткасцю 600 км у секунду да сузор'я Цэнтаўра.
Праз некалькі гадоў мы выявілі, што не толькі мы, але і ўсё ў межах ста мільёнаў светлавых гадоў ад нас рухаемся ў тым жа напрамку. Ёсць толькі адна рэч, якая можа супрацьстаяць пашырэнню на такія вялізныя адлегласці, і гэта гравітацыя.
Андрамеда, напрыклад, павінна адысці ад нас, а праз 4 мільярды гадоў нам прыйдзецца… сутыкнуцца з ёй. Дастатковая маса можа супрацьдзейнічаць пашырэнню. Спачатку навукоўцы падумалі, што менавіта такая хуткасць абумоўлена нашым размяшчэннем на ўскраіне так званага Мясцовае звышскопішча.
Чаму нам так цяжка ўбачыць гэты таямнічы Вялікі Атрактар? Нажаль, гэта наша ўласная галактыка, якая закрывае нам агляд. Праз пояс Млечнага Шляху мы не можам бачыць каля 20% Сусвету. Так ужо атрымалася, што ён ідзе менавіта туды, дзе знаходзіцца Вялікі Атрактар. Тэарэтычна можна пракрасціся скрозь гэтую заслону рэнтгенаўскімі і інфрачырвонымі назіраннямі, але гэта не дае выразнай карціны.
Нягледзячы на гэтыя цяжкасці, было ўстаноўлена, што ў адной вобласці Вялікага Атрактара, на адлегласці 150 мільёнаў светлавых гадоў, знаходзіцца галактычная Кластар Норма. За ім яшчэ больш масіўнае звышскопішча, якое знаходзіцца на адлегласці 650 мільёнаў светлавых гадоў, утрымоўвальнае масу 10 XNUMX. галактыкі, адзін з найбуйнейшых аб'ектаў у Сусвеце, вядомых нам.
Такім чынам, навукоўцы мяркуюць, што Вялікі Атрактар. гравітацыйны цэнтр мноства звышскопішчаў галактык, у тым ліку і наша - усяго каля 100 XNUMX аб'ектаў, такіх як Млечны Шлях. Ёсць таксама тэорыі, што гэта велізарная колькасць цёмнай энергіі або вобласць высокай шчыльнасці з велізарным гравітацыйным прыцягненнем.
Некаторыя даследчыкі лічаць, што гэта ўсяго толькі прадчуванне канчатковага… канца Сусвету. Вялікая дэпрэсія будзе азначаць згушчэнне Сусвету праз некалькі трыльёнаў гадоў, калі пашырэнне замарудзіцца і пачне разгортвацца. З часам гэта прывяло б да звышмасіўнага, які з'еў бы ўсё, у тым ліку сябе.
Аднак, як адзначаюць навукоўцы, пашырэнне Сусвету ў канчатковым выніку пераможа сілу Вялікага Атрактара. Наша хуткасць да яго складае толькі адну пятую хуткасці, з якой усё пашыраецца. Велізарная лакальная структура Ланіякея (2), часткай якой мы з'яўляемся, аднойчы павінна будзе рассеяцца, як і многія іншыя касмічныя сутнасці.
Пятая сіла прыроды
Нешта, чаго мы не можам бачыць, але пра існаванне якога ў апошні час сур'ёзна падазравалі, ёсць так званая пяты ўдар.
Выяўленне таго, што паведамляецца ў СМІ, звязана са здагадкамі аб гіпатэтычнай новай часціцы з інтрыгуючай назвай. X17можа дапамагчы растлумачыць таямніцу цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі.
Вядомыя чатыры ўзаемадзеянні: гравітацыя, электрамагнетызм, моцныя і слабыя атамныя ўзаемадзеянні. Уздзеянне чатырох вядомых сіл на матэрыю - ад мікрацарства атамаў да каласальных маштабаў галактык - добра задакументавана і ў большасці выпадкаў вытлумачальна. Аднак, калі ўлічыць, што прыкладна 96% масы нашага Сусвету складаецца з невыразных, невытлумачальных рэчаў, званых цёмнай матэрыяй і цёмнай энергіяй, то нядзіўна, што навукоўцы даўно падазравалі, што гэтыя чатыры ўзаемадзеянні не адлюстроўваюць усяго, што ёсць у космасе. працягваецца.
Спроба апісаць новую сілу, аўтарам якой з'яўляецца каманда пад кіраўніцтвам Атыла Краснагорская (3), фізіка ў Інстытуце ядзерных даследаванняў (ATOMKI) Венгерскай акадэміі навук, пра якую мы чулі мінулай восенню, была не першай прыкметай існавання таямнічых узаемадзеянняў.
Тыя ж навукоўцы ўпершыню напісалі пра «пятую сілу» ў 2016 годзе, пасля правядзення эксперыменту па ператварэнні пратонаў у ізатопы, якія з'яўляюцца варыянтамі хімічных элементаў. Даследнікі назіралі, як пратоны ператваралі ізатоп, вядомы як літый-7, у нестабільны тып атама, званы берыліем-8.
3. Праф. Атыла Краснахоркай (справа)
Калі берылій-8 распаўся, утварыліся пары электронаў і пазітронаў, якія адштурхвалі адзін аднаго, прымушаючы часціцы вылятаць пад вуглом. Каманда чакала ўбачыць карэляцыю паміж светлавой энергіяй, якая выпускаецца ў працэсе распаду, і кутамі, пад якімі часціцы разлятаюцца. Замест гэтага электроны і пазітронна адхіляліся на 140 градусаў амаль у сем разоў часцей, чым прадказвалі іх мадэлі, - нечаканы вынік.
"Усе нашы веды аб бачным свеце можна апісаць з дапамогай так званага Стандартная мадэль фізікі элементарных часціц", - піша Краснагоркай. «Аднак ён не прадугледжвае ніякіх часціц цяжэй электрона і лягчэй мюона, які ў 207 разоў цяжэй электрона. Калі мы выявім новую часціцу ў паказаным вышэй акне мас, гэта будзе паказваць на нейкае новае ўзаемадзеянне, не ўключанае ў Стандартную мадэль».
Таямнічы аб'ект названы X17 з-за яго разліковай масы ў 17 мегаэлектронвольт (МЭВ), што прыкладна ў 34 разы больш, чым у электрона. Даследнікі назіралі за распадам трыція ў гелій-4 і ў чарговы раз назіралі дзіўны дыяганальны разрад, які паказвае на часціцу з масай каля 17 МЭВ.
«Фатон з'яўляецца пасярэднікам электрамагнітнай сілы, глюон - моцнай, а базоны W і Z - слабой», - растлумачыў Краснахоркай.
«Наша часціца X17 павінна апасродкаваць новае ўзаемадзеянне, пятае. Новы вынік зніжае верагоднасць таго, што першы эксперымент быў проста супадзеннем ці што вынікі выклікалі сістэмную памылку».
Цёмная матэрыя пад нагамі
З вялікага Сусвету, з туманнай вобласці загадак і загадак вялікай фізікі вернемся на Зямлю. Мы сутыкаемся тут з даволі дзіўнай праблемай… з бачаннем і дакладным выявай усяго, што знаходзіцца ўнутры (4).
Некалькі гадоў таму мы пісалі ў «МТ» аб загадка зямнога ядрашто з яго стварэннем звязаны парадокс і дакладна невядома, якая яго прырода і структура. У нас ёсць метады, такія як, напрыклад, тэсціраванне з дапамогай сейсмічныя хвалі, таксама ўдалося распрацаваць мадэль унутранай будовы Зямлі, для чаго існуе навуковая згода.
аднак у параўнанні з далёкімі зоркамі і галактыкамі, напрыклад, нашае разуменне таго, што ляжыць у нас пад нагамі, слабое. Касмічныя аб'екты, нават вельмі далёкія, мы проста бачым. Чаго нельга сказаць пра ядро, пластах мантыі ці нават глыбейшых пластах зямной кары..
Даступныя толькі самыя прамыя даследаванні. Горныя даліны агаляюць скалы глыбінёй да некалькіх кіламетраў. Самыя глыбокія геолагаразведачныя свідравіны распасціраюцца на глыбіню крыху больш за 12 км.
Інфармацыю аб горных пародах і мінералах, якія будуюць глыбейшыя, даюць ксеналіты, г.зн. абломкі горных парод, вырваныя і вынесеныя з нетраў Зямлі ў выніку вулканічных працэсаў. На іх аснове петролагі могуць вызначаць склад карысных выкапняў да глыбіні ў некалькі сотняў кіламетраў.
Радыус Зямлі складае 6371 км, што аказваецца няпростым шляхам для ўсіх нашых "пранікніцеляў". З-за вялізнага ціску і тэмпературы, якая дасягае прыкладна 5 градусаў Цэльсія, цяжка чакаць, што самыя глыбокія нетры стануць даступнымі для непасрэднага назірання ў агляднай будучыні.
Дык як жа мы даведаліся тое, што ведаем аб структуры нетраў Зямлі? Такую інфармацыю падаюць сейсмічныя хвалі, якія генерыруюцца землятрусамі, г.зн. пругкія хвалі, якія распаўсюджваюцца ў пругкім асяроддзі.
Яны атрымалі сваю назву з-за таго, што генеруюцца ўдарамі. У пругкім (горным) асяроддзі могуць распаўсюджвацца два тыпу пругкіх (сейсмічных) хваль: хутчэйшыя – падоўжныя і павальнейшыя – папярочныя. Першыя ўяўляюць сабой ваганні асяроддзя, якія адбываюцца ўздоўж кірункі распаўсюджвання хвалі, тады як у папярочных ваганнях асяроддзя адбываюцца перпендыкулярна кірунку распаўсюджвання хвалі.
Падоўжныя хвалі рэгіструюцца першымі (лац. primae), а папярочныя - другімі (лац. secundae), адсюль іх традыцыйная ў сейсмалогіі маркіроўка - падоўжныя хвалі р і папярочныя s. Р-хвалі прыкладна ў 1,73 разы хутчэй, чым s.
Інфармацыя, якая прадстаўляецца сейсмічнымі хвалямі, дазваляе пабудаваць мадэль нетраў Зямлі на аснове пругкіх уласцівасцяў. Мы можам вызначыць іншыя фізічныя ўласцівасці на аснове гравітацыйнае поле (шчыльнасць, ціск), назіранне магнітатэлурычныя токі генеруюцца ў мантыі Зямлі (размеркаванне электраправоднасці) або раскладанне цеплавога патоку Зямлі.
Петралагічны склад можна вызначыць на падставе супастаўлення з лабараторнымі даследаваннямі ўласцівасцяў мінералаў і горных парод ва ўмовах высокіх ціскаў і тэмператур.
Зямля выпраменьвае цеплыню, і невядома, адкуль яно бярэцца. Нядаўна з'явілася новая тэорыя, злучаная з самымі няўлоўнымі элементарнымі часціцамі. Лічыцца, што важныя ключы да разгадкі таямніцы цяпла, які выпраменьваецца знутры нашай планеты, могуць быць забяспечаны прыродай. нейтрын - часціцы надзвычай малой масы - выпускаюцца радыеактыўнымі працэсамі, якія праходзяць у нетрах Зямлі.
Асноўнымі вядомымі крыніцамі радыеактыўнасці з'яўляюцца няўстойлівыя торый і калій - як мы ведаем з узораў горных парод, якія знаходзяцца на глыбіні да 200 км пад паверхняй зямлі. Што хаваецца глыбей, ужо невядома.
Мы ведаем гэта геанейтрына выпусканыя пры распадзе ўрана валодаюць большай энергіяй, чым выпускаюцца пры распадзе калію. Такім чынам, вымяраючы энергію геанейтрына, мы можам высветліць, з якога радыеактыўнага матэрыялу яны паходзяць.
На жаль, геанейтрына вельмі цяжка выявіць. Таму для іх першага назірання ў 2003 годзе запатрабаваўся вялізны падземны дэтэктар, запоўнены ок. тон вадкасці. Гэтыя дэтэктары вымяраюць нейтрына, рэгіструючы сутыкненні з атамамі ў вадкасці.
З тых часоў геанейтрына атрымалася назіраць толькі ў адным эксперыменце з выкарыстаннем падобнай тэхналогіі (5). Абодва вымярэння паказваюць, што Каля паловы цяпла Зямлі ад радыеактыўнасці (20 тэрават) можна растлумачыць распадам урану і торыя. Крыніца астатніх 50%… пакуль невядома што.
5. Мадэльная карта інтэнсіўнасці выкідаў геанейтрына на Зямлі – прагнозы
У ліпені 2017 года пачалося будаўніцтва будынка, таксама вядомага як ДУНАплануецца завяршыць прыкладна ў 2024 годзе. Аб'ект будзе размешчаны амаль у 1,5 км пад зямлёй у былым Хоўмстэку, Паўднёвая Дакота.
Навукоўцы плануюць выкарыстоўваць DUNE, каб адказаць на найважнейшыя пытанні сучаснай фізікі, старанна вывучыўшы нейтрына, адну з найменш вывучаных фундаментальных часціц.
У жніўні 2017 года міжнародная група навукоўцаў апублікавала ў часопісе «Physical Review D» артыкул, у якім прапанавала дастаткова інавацыйнае выкарыстанне DUNE у якасці сканара для вывучэння ўнутранай будовы Зямлі. Да сейсмічных хваль і свідравін дадаўся б новы метад вывучэння нетраў планеты, што, магчыма, паказала б нам зусім новую яе карціну. Аднак пакуль гэта толькі ідэя.
З касмічнай цёмнай матэрыі мы дабраліся да вантроб нашай планеты, не менш цёмных для нас. і непранікальнасць гэтых рэчаў бянтэжыць, але не так моцна, як трывога, што мы не бачым усе аб'екты, якія знаходзяцца адносна блізка да Зямлі, асабліва тыя, якія знаходзяцца на шляху сутыкнення з ёй.
Зрэшты, гэта крыху іншая тэма, якую мы нядаўна падрабязна абмяркоўвалі ў «МТ». Нашае імкненне развіваць метады назірання цалкам апраўдана ва ўсіх кантэкстах.
