Вещи, которые невидимы на данный момент
Вещи, которые наука знает и видит, — лишь малая часть того, что, вероятно, существует. Конечно, наука и техника не должны воспринимать «видение» буквально. Хотя наше зрение не может их увидеть, наука уже давно «видит» такие вещи, как воздух и содержащийся в нем кислород, радиоволны, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и атомы.
Мы также видим в некотором смысле антивеществокогда он бурно взаимодействует с обычной материей, и что вообще представляет собой более сложную проблему, потому что, хотя мы видели это по эффектам взаимодействия, в более целостном смысле, как вибрации, оно было для нас неуловимым до 2015 года.
Однако мы все еще в некотором смысле не «видим» гравитации, потому что мы не обнаружили до сих пор ни одного носителя этого взаимодействия (т. е., например, гипотетической частицы, называемой гравитон). Здесь стоит упомянуть, что существует некоторая аналогия между историей гравитации и .
Мы видим действие последнего, но непосредственно его не наблюдаем, не знаем, из чего оно состоит. Однако между этими «невидимыми» явлениями есть принципиальная разница. Никто никогда не подвергал сомнению гравитацию. А с темной материей (1) иначе.
Как г темная энергиякоторый, как говорят, содержит даже больше, чем темная материя. Его существование было выведено в виде гипотезы на основе поведения Вселенной в целом. «Увидеть» ее, вероятно, будет даже сложнее, чем темную материю, хотя бы потому, что наш общий опыт учит, что энергия по своей природе остается чем-то менее доступным для чувств (и инструментов наблюдения), чем материя.
По современным предположениям, оба темных должны составлять 96% его содержания.
Так что, по сути, даже сама Вселенная по большей части для нас невидима, не говоря уже о том, что, когда дело доходит до ее пределов, мы знаем только те, которые определяются человеческим наблюдением, а не те, которые были бы ее истинными крайностями — если так в они вообще есть.
Что-то тянет нас вместе со всей Галактикой
Незаметность некоторых вещей в космосе может быть мучительна, например, тот факт, что и 100 XNUMX соседние галактики непрерывно движутся к загадочной точке во Вселенной, известной как Великий аттрактор. Эта область находится примерно в 220 миллионах световых лет от нас, и ученые называют ее гравитационной аномалией. Считается, что Великий Аттрактор имеет массу квадриллионов солнц.
Начнем с того, что он расширяется. Это происходит со времен Большого взрыва, а текущая скорость этого процесса оценивается в 2,2 млн км в час. Это означает, что наша галактика и соседняя с ней галактика Андромеды тоже должны двигаться с такой скоростью, верно? Не совсем.
В 70-х мы создали подробные карты космического пространства. Фон микроволнового излучения (CMB) Вселенной и мы заметили, что одна сторона Млечного Пути теплее другой. Разница была меньше сотой доли градуса Цельсия, но этого было достаточно, чтобы мы поняли, что движемся со скоростью 600 км в секунду к созвездию Центавра.
Спустя несколько лет мы обнаружили, что не только мы, но и все в пределах ста миллионов световых лет от нас движемся в том же направлении. Есть только одна вещь, которая может противостоять расширению на такие огромные расстояния, и это гравитация.
Андромеда, например, должна удалиться от нас, а ведь через 4 миллиарда лет нам придется… столкнуться с ней. Достаточная масса может противодействовать расширению. Сначала ученые подумали, что именно такая скорость обусловлена нашим расположением на окраине так называемого Местное сверхскопление.
Почему нам так трудно увидеть этот таинственный Великий Аттрактор? К сожалению, это наша собственная галактика, которая закрывает нам обзор. Через пояс Млечного Пути мы не можем видеть около 20% Вселенной. Так уж получилось, что он идет именно туда, где находится Великий Аттрактор. Теоретически можно проникнуть сквозь эту завесу рентгеновскими и инфракрасными наблюдениями, но это не дает четкой картины.
Несмотря на эти трудности, было установлено, что в одной области Великого Аттрактора, на расстоянии 150 миллионов световых лет, находится галактическая Кластер Норма. За ним еще более массивное сверхскопление, находящееся на расстоянии 650 миллионов световых лет, содержащее массу 10 XNUMX. галактики, один из крупнейших объектов во Вселенной, известных нам.
Итак, ученые предполагают, что Великий Аттрактор гравитационный центр множество сверхскоплений галактик, в том числе и наша — всего около 100 XNUMX объектов, таких как Млечный Путь. Есть также теории, что это огромное скопление темной энергии или область высокой плотности с огромным гравитационным притяжением.
Некоторые исследователи считают, что это всего лишь предвкушение окончательного… конца Вселенной. Великая депрессия будет означать сгущение Вселенной через несколько триллионов лет, когда расширение замедлится и начнет разворачиваться. Со временем это привело бы к сверхмассивному, который съел бы все, включая себя.
Однако, как отмечают ученые, расширение Вселенной в конечном итоге победит силу Великого Аттрактора. Наша скорость к нему составляет лишь одну пятую скорости, с которой все расширяется. Огромная локальная структура Ланиакея (2), частью которой мы являемся, однажды должна будет рассеяться, как и многие другие космические сущности.
Пятая сила природы
Нечто, чего мы не можем видеть, но о существовании которого в последнее время всерьез подозревали, есть так называемая пятый удар.
Обнаружение того, что сообщается в СМИ, связано с предположениями о гипотетической новой частице с интригующим названием. X17может помочь объяснить тайну темной материи и темной энергии.
Известны четыре взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые атомные взаимодействия. Воздействие четырех известных сил на материю — от микроцарства атомов до колоссальных масштабов галактик — хорошо задокументировано и в большинстве случаев объяснимо. Однако, если учесть, что примерно 96% массы нашей Вселенной состоит из неясных, необъяснимых вещей, называемых темной материей и темной энергией, то неудивительно, что ученые давно подозревали, что эти четыре взаимодействия не отражают всего, что есть в космосе. продолжается.
Попытка описать новую силу, автором которой является команда под руководством Аттила Краснагорская (3), физика в Институте ядерных исследований (ATOMKI) Венгерской академии наук, о которой мы слышали прошлой осенью, была не первым признаком существования таинственных взаимодействий.
Те же ученые впервые написали о «пятой силе» в 2016 году, после проведения эксперимента по превращению протонов в изотопы, являющиеся вариантами химических элементов. Исследователи наблюдали, как протоны превращали изотоп, известный как литий-7, в нестабильный тип атома, называемый бериллием-8.
3. Проф. Аттила Краснахоркай (справа)
Когда бериллий-8 распался, образовались пары электронов и позитронов, которые отталкивали друг друга, заставляя частицы вылетать под углом. Команда ожидала увидеть корреляцию между световой энергией, испускаемой в процессе распада, и углами, под которыми частицы разлетаются. Вместо этого электроны и позитроны отклонялись на 140 градусов почти в семь раз чаще, чем предсказывали их модели, — неожиданный результат.
«Все наши знания об видимом мире можно описать с помощью так называемого Стандартная модель физики элементарных частиц», — пишет Краснагоркай. «Однако он не предусматривает никаких частиц тяжелее электрона и легче мюона, который в 207 раз тяжелее электрона. Если мы обнаружим новую частицу в указанном выше окне масс, это будет указывать на какое-то новое взаимодействие, не включенное в Стандартную модель».
Таинственный объект назван X17 из-за его расчетной массы в 17 мегаэлектронвольт (МэВ), что примерно в 34 раза больше, чем у электрона. Исследователи наблюдали за распадом трития в гелий-4 и в очередной раз наблюдали странный диагональный разряд, указывающий на частицу с массой около 17 МэВ.
«Фотон является посредником электромагнитной силы, глюон — сильной, а бозоны W и Z — слабой», — объяснил Краснахоркай.
«Наша частица X17 должна опосредовать новое взаимодействие, пятое. Новый результат снижает вероятность того, что первый эксперимент был просто совпадением или что результаты вызвали системную ошибку».
Темная материя под ногами
Из великой Вселенной, из туманной области загадок и загадок великой физики вернемся на Землю. Мы сталкиваемся здесь с довольно удивительной проблемой… с видением и точным изображением всего, что находится внутри (4).
Несколько лет назад мы писали в «МТ» о загадка земного ядрачто с его созданием связан парадокс и точно неизвестно, какова его природа и структура. У нас есть методы, такие как, например, тестирование с помощью сейсмические волны, также удалось разработать модель внутреннего строения Земли, для чего существует научное согласие.
однако по сравнению с далекими звездами и галактиками, например, наше понимание того, что лежит у нас под ногами, слабое. Космические объекты, даже очень далекие, мы просто видим. Чего нельзя сказать о ядре, слоях мантии или даже более глубоких слоях земной коры..
Доступны только самые прямые исследования. Горные долины обнажают скалы глубиной до нескольких километров. Самые глубокие геологоразведочные скважины простираются на глубину чуть более 12 км.
Информацию о горных породах и минералах, строящих более глубокие, дают ксенолиты, т.е. обломки горных пород, вырванные и унесенные из недр Земли в результате вулканических процессов. На их основе петрологи могут определять состав полезных ископаемых до глубины в несколько сотен километров.
Радиус Земли составляет 6371 км, что оказывается непростым путем для всех наших «проникновителей». Из-за огромного давления и температуры, достигающей примерно 5 градусов Цельсия, трудно ожидать, что самые глубокие недра станут доступными для непосредственного наблюдения в обозримом будущем.
Так как же мы узнали то, что знаем о структуре недр Земли? Такую информацию предоставляют сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, т.е. упругие волны, распространяющиеся в упругой среде.
Они получили свое название из-за того, что генерируются ударами. В упругой (горной) среде могут распространяться два типа упругих (сейсмических) волн: более быстрые — продольные и более медленные — поперечные. Первые представляют собой колебания среды, происходящие вдоль направления распространения волны, тогда как в поперечных колебаниях среды происходят перпендикулярно направлению распространения волны.
Продольные волны регистрируются первыми (лат. primae), а поперечные — вторыми (лат. secundae), отсюда их традиционная в сейсмологии маркировка — продольные волны р и поперечные s. Р-волны примерно в 1,73 раза быстрее, чем s.
Информация, предоставляемая сейсмическими волнами, позволяет построить модель недр Земли на основе упругих свойств. Мы можем определить другие физические свойства на основе гравитационное поле (плотность, давление), наблюдение магнитотеллурические токи генерируются в мантии Земли (распределение электропроводности) или разложение теплового потока Земли.
Петрологический состав можно определить на основании сопоставления с лабораторными исследованиями свойств минералов и горных пород в условиях высоких давлений и температур.
Земля излучает тепло, и неизвестно, откуда оно берется. Недавно появилась новая теория, связанная с самыми неуловимыми элементарными частицами. Считается, что важные ключи к разгадке тайны тепла, излучаемого изнутри нашей планеты, могут быть обеспечены природой. нейтрин — частицы чрезвычайно малой массы — испускаемые радиоактивными процессами, протекающими в недрах Земли.
Основными известными источниками радиоактивности являются неустойчивые торий и калий — как мы знаем из образцов горных пород, находящихся на глубине до 200 км под поверхностью земли. Что скрывается глубже, уже неизвестно.
Мы знаем это геонейтрина испускаемые при распаде урана обладают большей энергией, чем испускаемые при распаде калия. Таким образом, измеряя энергию геонейтрино, мы можем выяснить, из какого радиоактивного материала они происходят.
К сожалению, геонейтрино очень трудно обнаружить. Поэтому для их первого наблюдения в 2003 году потребовался огромный подземный детектор, заполненный ок. тонн жидкости. Эти детекторы измеряют нейтрино, регистрируя столкновения с атомами в жидкости.
С тех пор геонейтрино удалось наблюдать только в одном эксперименте с использованием подобной технологии (5). Оба измерения показывают, что Около половины тепла Земли от радиоактивности (20 тераватт) можно объяснить распадом урана и тория. Источник остальных 50%… пока неизвестно что.
5. Модельная карта интенсивности выбросов геонейтрино на Земле — прогнозы
В июле 2017 года началось строительство здания, также известного как DUNEпланируется завершить примерно в 2024 году. Объект будет расположен почти в 1,5 км под землей в бывшем Хоумстеке, Южная Дакота.
Ученые планируют использовать DUNE, чтобы ответить на самые важные вопросы современной физики, тщательно изучив нейтрино, одну из наименее изученных фундаментальных частиц.
В августе 2017 года международная группа ученых опубликовала в журнале «Physical Review D» статью, в которой предложила достаточно инновационное использование DUNE в качестве сканера для изучения внутреннего строения Земли. К сейсмическим волнам и скважинам добавился бы новый метод изучения недр планеты, что, быть может, показало бы нам совершенно новую ее картину. Однако пока это только идея.
Из космической темной материи мы добрались до внутренностей нашей планеты, не менее темных для нас. и непроницаемость этих вещей смущает, но не так сильно, как тревога, что мы не видим все объекты, которые находятся относительно близко к Земле, особенно те, которые находятся на пути столкновения с ней.
Впрочем, это немного другая тема, которую мы недавно подробно обсуждали в «МТ». Наше стремление развивать методы наблюдения полностью оправдано во всех контекстах.
