Науката през 2015: В търсене на теория на всичко (I част)

Бъди най-интересния човек, когото познаваш

© James Vaughan / Flickr
© James Vaughan / Flickr
Антония Михайлова

Науката неумолимо върви напред. Понякога прави крачка или две назад, за да напредне с крачка напред, но човешкото развитие не тъпче на едно място.

Раждат се теории и предположения, но какво са идеите без експерименталната проверка? За учените фактите са факти само когато са доказани.

Много неща е установила науката, но още повече остават загадка. Други, които са с мащабите на Вселената, все още са недостъпни за пряко изследване с нивото на развитие на съвременните технологии. Същото се отнася и до най-малките малките мащаби от нашия свят.

Физиците продължават да търсят обяснение на Вселената и се опитват да намерят единна теория, която да помири теорията на относителността и квантовата механика, като ги обедини в едно. Откриването на тази така наречена теория на всичко ще получи Нобелова награда. И физиците неуморно я преследват.

Учените отдавна се опитват да създадат теория на всичко, способна да опише всички явления, наблюдавани в околния свят на всичките му нива. Общата теория на относителността обяснява природата на гравитацията, процесите на мащабните космологични образувания и явления като динамиката на съществуване и движение на звездите, галактиките и други масивни космически обекти. Квантовата механика на свой ред обяснява процесите и явленията, протичащи на най-малкото ниво, от молекулярно до ниво субатомни частици.

Всъщност не само физиците – всички учени преследват открития в своите области. Сайтовете  Megavselena.bg и Actualno.com са се спрели на някои от най-интересните точки в развитието на науката през 2015 година.

Може би това не беше частицата на Хигс?

За да говорим за Хигс бозона, ще започнем малко по-отдалече. През 2013 г. ЦЕРН окончателно обяви, че откритата през 2012 г. нова елементарна частица е частицата на Хигс. Но може би това не е частицата на Хигс, може би тя просто изглежда като нея. И може би не е единствена.

Но според международен изследователски екип няма убедителни доказателства, че тази частица е всъщност частицата на Хигс. Един от членовете на екипа е Мадс Тодал Франдсен, асоцииран професор в Center for Cosmology and Particle Physics Phenomenology, Department of Physics, Chemistry and Pharmacy към университета на Южна Дания.

„Данните от ЦЕРН обикновено се възприемат като доказателство, че откритата частица е частицата на Хигс. Вярно е, че частицата на Хигс може да обясни данните, но са възможни и други обяснения, защото тези данни могат да се получат и от други частици“, обяснява Франдсен.

Но ако това, което е наблюдавано в ЦЕРН, не е частицата на Хигс, тогава какво е?

„Ние мислим, че това може да бъде така наречената техни-хигс частица. Тази частица, в някои отношения е подобна на частицата на Хигс – оттук идва и половината от нейното име“, обяснява Франдсен.

Хигсогенеза – хипотетичният космологичен модел

Хипотетичното откриване на Хигс бозона породи и множество теории около сътворението на света. Например учените заговориха за нов космологичен модел, известен като хигсогенеза (Higgsogenesis). Документ с описание на този модел е публикуван в Physical Review Lettres.

Терминът „хигсогенеза“ се отнася към първата поява на частицата на Хигс в ранната Вселена, така както бариогенезата се отнася до появата на барионите (протони и неутрони) в първите моменти след Големия взрив. И макар че бариогенезата е достатъчно добре изучен процес, хигсогенезата остава строго хипотетична.

В конкретната описана работа се предполага, че Хигс има античастица – анти-Хигс. Обикновените частици от рода на протони и електрони имат античастици партньори (антипротон и позитрон), но с обикновените частици се появяват в равни количества материя и антиматерия.

И космолозите досега недоумяват защо живеем във Вселена, където преобладава материята. Никой не знае как се е появила тази асиметрия в младата Вселена.

За решаването на тази загадка авторите предлагат асиметрия между Хигс и анти-Хигс. Нарушаването на тази симетрия би трябвало да доведе до това, че в нашата сегашна Вселена преобладава именно материята.

Те също така смятат, че с изстиването на Вселената частиците Хигс се разпадат на частици тъмна материя, увеличавайки по този начин количеството тъмна материя във Вселената. Ако последната идея е вярна, то Хигс трябва да се разпада по такъв начин, който ще посочи тъмната материя. Теорията е изключително интересна, но и много крехка.

Гравитационните вълни все пак са космически прах

През юни 2014 година астрофизици от екипа BICEP2 съобщиха вълнуваща вест: те успели да открият слаби вълни в поляризацията на реликтовото (древно) лъчение на Вселената.

Реликтовото лъчение е остатък от светлината, възникнала във Вселената в най-ранния стадий от нейното съществуване и претърпяла кардинални изменения през дългото пътешествие из космическото пространство.

В първите мигове след Големия взрив, който според последни данни е настъпил преди 13,8 млрд. години, Вселената е била толкова гореща и плътна, че фотоните не са успявали да прелетят значително разстояние, без да се натъкнат на частици.

Така светлината постоянно се е разсейвала и поглъщала, йонизирайки всички атоми на материята, които са успели да се образуват. Но когато Вселената е навършила приблизително 380 000 години, тя е изстинала толкова, че електроните и протоните са могли да се обединят, формирайки стабилни атоми водород, които не се подлагали веднага на йонизация.

Откритието на учените от BICEP2 можеше да означава, че наблюденията потвърждават теорията за съществуването на предсказаните от Айнщайн гравитационни вълни („гънки“ по тъканта на пространство-времето). Но по-късно учените събраха повече данни, които накараха специалистите да се усъмнят в еднозначността на откритието.

Екипът на космическата мисия „Планк“, която също се занимава с изследване на реликтовото лъчение на Вселената, съобщи за своите съмнения, че тези „гънки“ в поляризацията на древната светлина действително са предизвикани от въздействието на гравитационните вълни.

Почти цялата втора половина на 2014 година членовете на двата екипа спореха горещо на тази тема, но най-много от всичко физиците искаха да се докопат до истината. По тази причина учените от експеримента BICEP2 и проекта Planck Collaboration обединиха усилия, за да открият единен и достоверен отговор на своите въпроси.

Сътрудничеството на двете групи, както и работата с полярни и космически телескопи се превърна в дълбоко разочарование за науката – авторите на изследването твърдят, че въпросната B-mode поляризация на реликтовото лъчение по-скоро изобщо не е била доказателство за древно явление от рода на гравитационни вълни, а е била предизвикана от присъствието на междузвезден прах.

Европейската космическа агенция е обявила дългочаканите резултати на 30 януари 2015 година.

Нова версия за произхода на живота

От дълги години учените спорят как се е появил животът на Земята. В резултат участниците в тези дискусии са се разделили условно на три лагера.

Първите смятат, че първо трябва да се е формирала ДНК молекулата. Вторите са на мнение, че първо трябва да се е развило явлението метаболизъм, а третите твърдят, че на първо място трябва да са възникнали примитивни клетъчни мембрани.

Изследване на химици от Медицинския изследователски съвет и Кеймбриджкия университет представя нова версия за зараждането на всичко живо на Земята. В статия, публикувана в изданието Nature Chemistry, учените описват реакциите, предшестващи формирането на строителните блокчета на живота.

Моделирайки условията, които са се наблюдавали на младата планета, изследователите стигнали до извода, че всеки компонент от съставките на живота може да се е формирал от сероводород и циановодород под въздействието на ултравиолетово лъчение.

Ново дърво на живота разклати теорията на Дарвин

Екип изследователи от Темпъл юнивърсити във Филаделфия, САЩ, са провели мащабен анализ на биологични данни за определяне на закономерностите в развитието на биоразнообразието на Земята.

Съставеното от учените дърво на живота (TimeTree of Life) с поправка на времето показало, че появата на нови видове и разширението на вътревидовите популации винаги е протичало с постоянна скорост.

„Постоянната скорост на биологичната диверсификация, която установихме в хода на последното изследване, опровергава общоприетата теория, прогнозираща забавяне на скоростта на ръста на биологичното разнообразие и запълването на екологичните ниши на съществуващите видове“, отбелязва водещият автор на изследването проф. Блеър Хеджис, еволюционен биолог от Темпъл юнивърсити.

Дървото на живота, съставено от екипа на Хеджис, представлява фактическа схема на ръста на биологичното разнообразие на Земята с времето. За разлика от аналогични стандартни модели новият акцентира не толкова на произхода на различните видове, колкото на времето на тяхната поява.

Биолозите на Темпъл юнивърсити са съставили времева спирала, включваща събития и отделяне на 50 000 вида от техните предци.

Квантово заплитане е източник на холографското пространство

Физици и математици от Япония и Калифорния начело с Хироши Оогури (Hirosi Ooguri) са направили значителна крачка към обединяването в едно цяло на общата теория на относителността и квантовата механика.

Работата на учените, публикувана в изданието Physical Review Letters, поставя нова фундаментална база под така наречената теория на всичко (Theory of Everything, ToE), описвайки как пространствено-времевият континуум се образува на базата на явлението квантово заплитане.

Една от съставките на хипотетичната теория на всичко се явява холографският принцип. Той твърди, че гравитацията в триизмерен обем може да бъде описана от квантовата теория на двуизмерна повърхност, ограничаваща триизмерния обем. В резултат на това трите обичайни пространствени измерения се появяват от повърхността на проекция, която има само две измерения. Но досега никой не е успявал да разбере и обясни механизмите, отговорни за появата на трето „обемно“ измерение.

Хироши Оогури и колегите му изяснили, че ключов момент на споменатите механизми се явява квантовото заплитане.

В края на годината обаче физиците от Националната ускорителна лаборатория „Енрико Ферми“ (Фермилаб) попариха надеждите за откриването на холографската вселена. Учените са публикували на сайта arXiv.org резултатите от експеримента Holometer, при които не са успели да открият проява на съществуването на холографска Вселена.

„Не успяхме да открием корелации, които да сочат нова физика и холографски шум. Но за мен нашето най-голямо постижение се заключава в това, че сега имаме метод за наблюдение на тъканта на пространство-времето на такова ниво“, казва Крейг Хоган (Craig Hogan) от Калифорнийския технологичен институт в Пасадена (САЩ).

Все пак Хоган признава, че резултатите от изследването не изключват, че холографската природа на Вселената може да се крие в други ъгълчета на Вселената, например в ъгъла на наклона на обектите от материалния свят един спрямо друг. Затова и въпросът за холографската Вселена остава открит.

Неизвестна физика пази Вселената от колапс

Физици теоретици изясниха, че микро черните дупки трябва да предизвикат колапс на Вселената. Това обаче не се случва, което сочи съществуването на неизвестна физика, която предпазва вакуума от колапс, става ясно от статия, публикувана в сп. Physical Review Letters.

„Нашата работа не показва, че Големият адронен колайдер може да ражда подобни черни дупки и че те могат да унищожат Вселената. Не бива да се говори: „Ужас, кошмар, унищожаваме Вселената“. Всъщност ние сме открили неизвестни физични принципи, които стабилизират вакуума и не позволяват на частиците да „пропадат“ надолу“, казва Ян Мос (Ian Moss) от университета на Нюкасъл (Великобритания).

Според теорията на Хигс Вселената се пронизва от особено поле, с което взаимодействат всички съществуващи елементарни частици – колкото по-силно се свързват те с полето, толкова по-висока ще бъде тяхната маса. Ако такова поле съществува, то трябва да съществуват и Хигс бозони – частици, отговорни за неговото взаимодействие с протоните, електроните и други прояви на видимата и тъмната материя.

Едно от възможните следствия от съществуването на полето се явява това, че ние живеем не в истински, а в така наречения фалшив вакуум. Това означава, че най-ниското енергийно състояние, в което могат да се намират частиците в нашия свят, което физиците наричат „вакуум“, всъщност не се явява абсолютна „нула“ или минимум на езика на математиците.

Както показали изчисленията на Мос и колегите му „абсолютният вакуум“ ще съществува в микроскопични черни дупки, като тези, от които толкова се страхуваха хората в миналите години и смятаха, че могат да се родят на Големия адронен колайдер по време на експерименти по сблъсък на частици.

Появата на подобни „мехури“ с истински енергиен вакуум в черната дупка се явява катастрофално събитие, както обясняват физиците. Тъй като такъв вакуум е „по-изгоден“ от енергийна гледна точка, неговият „мехур“ практически мигновено ще изпълни цялата Вселена, освобождавайки енергията, запасена във „фалшивия вакуум“. В резултат на това тя буквално ще „закипи“ и ще прекрати своето съществуване.

Подобни черни дупки принципно биха могли да са се родили в хода на сблъсъците между частици за 13,8 милиарда години съществуване на Вселената или да се появят в зората на живота в света.

Всички ние съществуваме, което означава, че има някакъв неизвестен ни квантовофизичен принцип, който стабилизира фалшивия вакуум и не позволява на подобни „мехури“ да го разрушат.

Според Мос бъдещите експерименти на Големия адронен колайдер с Хигс бозони и други екзотични частици могат да дадат ключ за търсенето на нова, все още неизвестна ни физика, защитаваща Вселената от разпад.

Термоядрен синтез само след 10 години?

В средата на годината инженерите от Масачузетския технологичен институт предложиха нова конструкция на компактен термоядрен реактор. Такива реактори може да се пуснат в експлоатация само след 10 години, твърдят изследователите.

Термоядрената енергия, с нейното неизчерпаемо водородно гориво и огромни генерирани мощности, засега остава мечта и серия скъпи лабораторни опити. Физиците дори си имат шега: „Практическото приложение на термоядрения синтез ще започне след 30 години и този срок никога няма да се промени.“

И все пак в Масачузетския технологичен институт (MIT) са убедени, че дълго чаканият пробив ще се случи само след 10 години.

Увереността на изследователите се основава на използването на нови свръхпроводящи материали за създаването на магнит, който ще бъде много по-малък и мощен от съществуващите свръхпроводящи магнити.

По думите на директора на центъра за плазма и термоядрен синтез на MIT проф. Денис Уайт (Dennis Whyte) използването на нови достъпни свръхпроводящи магнити на основата на редкоземния бариев меден оксид (REBCO) позволява създаването на много мощни и компактни магнити, а термоядрен реактор, способен да снабдява с енергия около 100 000 души, може да се построи за около пет години.

Трудно е да повярваме, че епохалният пробив в енергията, която може да спре глобалното затопляне и да премахне екологичните проблеми с изгарянето на изкопаеми горива, може да се случи толкова бързо. Но в MIT са убедени, че този път 10 години не са шега, а реален срок за появата на първите работоспособни токамаци. Остава да чакаме.

Категории на статиите:
Наука

Коментарите са затворени.

Мегавселена

С използването на този сайт вие се съгласявате със събирането на cookies. повече информация

Сайтът използва coocies, за да ви даде възможно най-доброто сърфиране. С влизането в него вие се съгласявате с използването им.

Затвори