[Физика ғажабы] Бізге барлығының теориясы неліктен керек?

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Физика ғажабы» циклдың басқа мақалалары
«Scio me nescire», немесе «Мен ештеңе білмейтінімді білемін»
Метрология және SI Халықаралық бірліктер жүйесі: біз физикалық шамаларды қалай өлшей бастадық?
Метрология және SI халықаралық бірліктер жүйесі. II бөлім
Ғаламды игеру: Жұлдыздарға барар жолдағы қауiптер
Үлкен адрон коллайдерi – қазiргi физиканың құтқарушысы

Бүгінгі физика біздің әлемге сан қырлы заңдар мен теориялар арқылы өзінше сипаттама береді. Әйтседе, бір кетікке кірпіш қаланбағандай. Әлемнің мен деген ғалымдары ғаламдағы барлық бар затқа бірден анықтама бере алатын жалпы теорияны, яғни барлығнығ теориясын тұжырымдай алмай қаншама өмірін құрбан етті. Неге ғылым оған сонша мұқтаж? Неліктен әлі күнге дейін барлық заттардың теориясы өзінің нақты ажарын айқындамады? Физика өзі қайда жылжуда? Бұл сұрақтардың жауабын тек өзі ғана білетін секілді.

Табиғи құбылыстар

Физика ғылымында құбылыс топтастырылуы (не жіктелуі) осы физикалық құбылыстарға қатысатын өзара әрекеттестер кейіпіне негізделген. «Өзара әрекеттестіктер» өз кезегінде төрт негізгі классқа бөлінеді:

1. Гравитациялық өзара әрекет белгілі бір масса арқылы бірін-бірі тартатын денелер арқылы пайда болады.
2. Электромагнитті өзара әрекет — зарядталған денелердің қатысында пайда болатын өзара қарекет.
3. Күшті ядролық әрекеттестіктер кванттық деп аталатын ұсақ әлемнің «патшасы».
4. Әлсіз ядролық әрекеттестіктер — бір дененің екінші бір денеге құбылуын қамтамасыз етіп, бақылауға алатын әрекет түрі.

Физиканың қос бағаны

Дәл қазір біз барлығының теориясын толық тұжырымдадық десек, үлкен күнә болар еді. Күте тұрыңыз, дегенмен мұқым түсінікті сипаттауға әлде қауқарлы қос егіз теория бар: стандартты модель және жалпы қатынастық теориясы. Бірінші теория өз кезегінде күллі кванттық әлемге сипат берсе, екіншісі — ғаламзаттың «үлкен қабаты».

\(1915\) жылы Альберт Эйнштейн құрған салыстырмалылықтың жалпы теориясы тек гравитациялық әрекеттесуді түсіндіруге негізделді. Мұндағы гравитация күш деген сипатқа ие емес, оның орнына кеңістік пен уақыттың қисаю нәтижесі дегенге саяды. Дене тік қозғалуға ұмтылыс білдіргеніне қарамастан, түзу қисықтар уақыт-кеңістік торлары арқылы дененің жақындау иллюзиясын туындатады. Геометриялық көзбен қарасақ, бұл дәл шар үстіне жүргізілген түзулер іспетті. Егер оның шардың кез келген бойынан екі параллель түзу жүргізсек, олар келесі бір полюсте түйісетін болады. Бұл математикалық қайшылық әкелетін секілді. Мұндай қисықтыққа ұшыраған кеңістікте қарабайыр геометрия өз құзіретінен айырылады. Бұл шарды Евклидтік емес геометрия басқарады.

Бүгінгі таңда бұл біз білетін гравитацияның толық түсінікті мәні. Дегенмен гравитациядан бөлек (ауырлық күші) салыстырмалылықтың жалпы теориясын сипаттайтын үш физикалық өзара әрекеттестік барын ұмытпаған жөн.

Мұны стандартты модель керемет атқарып шықты. Заттардың құрылымын, іргелі бөлшектерді және квантты дәрежедегі олардың өзара әрекеттесуін сипаттап берді. Оған қоса, біз білетін алпауыт физикалық құбылыстар контекстінен алыстамағаны тағы бар. Стандартты модельде материя бөлшектері (фермион) және өзара әрекетті жүзеге асыратын бөлшектер (бозондар) бар. Ұсақ кванттардың деңгейінде жұп бөлшектердің туылуы адам нанғысыз құбылыс. Әр бөлшектер үшін, ол мейлі бозон болсын, я фермион болсын заряд бойынша ерекшеленетін, дегенмен бірдей масса мен айналуға ие «егіз-қосақ» (антибөлшек) бар. Мысалыға, электронның антиегізі — позитрон, ал кварктікі — антикварк. Антибөлшектердің бар болу себебі әлі күнге дейін беймәлім құбылыс ретінде қала береді, бірақ та оларға қатысты өте бір қызықты құбылыс бар. Бұл құбылысты сипаттау үшін бізге вакуумды қорап қажет болады. Ғалам бос кеңістікті ұната бермейтіндіктен «қарызға» энергия ала тұрады. Сол энергиядан бөлшек-антибөлшектердің жұп егізін құрады. Белгілі бір қашықтықты жүріп өткен соң, бұл жұптар бір-бірімен қақтығысқа ұшырайды. Нәтижесінде қайтадан сол өздері пайда болған энергияның мөлшеріне қайтып келеді.

Жұп бөлшектердің мұндай бейретті туылуы табиғаты жағынан ғана емес, тудыратын сұрақтарымен де ерекшеленеді: стандартты модель мен қатынастылықтың жалпы теориясын қалай біріктіруге болады? Ғаламның қай бұрышы болмасын жұптардың туылуы жиі және бейберекет күйде болады. Ал кейде түзіліп үлгерген бөлшектер мен антибөлшектер басқа қарапайым бөлшектермен байқаусызда қосылып кетіп, протон, нейтрон, одан қалды жәй атомдар секілді күрделі құрылымдарды түзуі әбден мүмкін. Осындай туылу мен жоғалу хаостарынан бөлшектердің саны ғана емес, кеңістіктің қисықтығы да ауытқиды.

Ғарыштық масштабта жұптардың туылуы үлкен өзгеріс алып келмейді. Жер орбитасындағы вакуум айналасына көз тастайық: мұнда бөлшектердің тұрақты туылуы мен жоғалуы орын алып отырады. Бірақ олар сондай шынашақ болғандықтан ғаламшар үшін аса қатты маңыз ойнай бермейді. Сондықтан 10 миллиард бөлшек туылып, не жоғалсын ештеңке өзгермейді. Себебі, бұл мөлшер бір шар түзу үшін мүлде жеткіліксіз.

Ал субатомдық деңгейде бәрі керісінше. Кванттар масштабында Гейзенбергтің анықталмау қағидаты күш алады: жұп бөлшектерден туындаған гравитацияның берекетсіз, бірақ бар болған өзгерістеріне орай, барлық бөлшектің қызметімен жылдамдығын нақты есептеулермен анықтау, әсте, мүмкін емес. Бұл дегеніміз кенеттен пайда болып, жоғалуға қабілетті бөлшектердің бар екендігі. Одан бөлек, әлдебір ықтималдылықпен анықталмаған бағытқа қозғала алатын, бірақ еш есептеуге келмейтін деген сөз. Бұл кезде салыстырмалылық теориясы ықтималдылықтармен жұмыс істеуді ұйғармайды. Байқағанымыздай, жұп бөлшектердің туылу құбылысы гравитацияны салыстырмалылық теориясымен анықтауға мүмкіндік бермейді.

Егіз-бөлшектер мен гравитация (ауырлық күші) стандартты модель мен қатынастық теориясын бір теорияға тұжырымдауға мүмкіндік бермейтін бөгет тас секілді.

Теориядан тыс: сингулярлық және қара құрдым

Ғасырлар бойы қара құрдымның тіршілігі қақпағы ашылмаған, бүгулі теория ретінде ғана қала берген-ді. Бірақ бұл үрдісті \(2019\) жылдың көктеміндегі дүниежүзілік телескоптардың желісі "Көкжиек Көріністері Телескобы«(ағыл. «Event Horizon Telescope») арқылы жасалған қара құрдымның алғашқы суреті тоқттаты. Ақиқатында бұл әйгілі сурет бар болғаны қара құрдымға түскен қыздырылған газ бен шаңның айналған аккреционды диск шағылысы ғана. Құрдым ішінде не бары беймәлім.

Қара құрдым ішіндегі бар нәрсенің бәрі кеңістіктен тыс және құр теориялық сұрақ күйінде қала береді. Оқиғалар көкжиегі — қара құрдымның сыртқы қабатын алып жатқан орасаң зор күш. Одан тіпті, жарықтың өзі құтыла алмайды. Жарық жылдамдығы бүгінгі ғаламда ең максималды жылдамдыққа ие, сол себепті қара құрдымның «ішкі қабаты» жайлы анық ақпарат алу мүмкін емес. Десек те салыстырмалылық теориясы оқиғалар көкжиегінің тұсында сингулярлық өмір сүреді деп болжайды. Сингулярлық дегеніміз — қара құрдымның барлық массасы шоғырланған шетсіз жазықтық нүкте. Физика шексіздіктермен жұмыс істеуге негізделмегендіктен сингулярлық оның барлық заңдарын жоққа шығарады.

Қара құрдым екі іргелі теорияның неліктен бір теорияға бірікпейтініне кезекті бір себеп болды. Яғни, сингулярлықтың қара құрдым ішінде бар болуы салыстырмалылық теориясы арқылы болжанса, стандартты модель мұны мүлде теріске шығарады. Сингулярлық неге сонша қарама-қайшылық тудырады? Сингулярлықта бірдей жылдамдыққа ие шегі жоқ бөлшектер бір уақытта бір нүктеге тоғысады. Паулидың тыйым қағидатына сәйкес кванттық әлемде бөлшектердің мұндай әрекеті мүмкін емес.

Паулидің тыйым қағидаты — кванттық механиканың іргелі қағидаттарының бірі. Бұл дегеніміз бір уақытта екі немесе одан көп фермиондар бірдей орын мен бірдей жылдамдыққа ие бола алмайды.

Физикалық заңдылықтар тек сингулярлықта ғана емес, оның айналасында да бұзылады. Дегенмен құпияның несі жаман? Біз Қара құрдым ішінде не барын білмейміз, сол арқылы сингулярлық біздің әлемге аян күйінде әсер ете алмайды. Осылайша сингулярлыққа қатысты физикалық теориялардың түк еместігіне қарамастан қатынастық пен кванттық теориялар ғаламды сипаттауға әлі қабілетті. Сонымен оқиғалар көкжиегі қара құрдымның ішкі құпияларына қарамастан ғаламды сингулярлықтан қорғай отыра, сол қара құрдымды сипаттай алады. Нәтижесінде, қара құрдымның сыртқы құбылысын сипаттау үшін жәй ғана стандартты модельдерді ұмытып, жалпы салыстырмалылық теориясына назар салған абзал. Алайда егер барлық ғалам осындай сингулярлық сипатқа ие болса ше?

Жойқын жарылыс

Барлық ғалам қалайша сингулярлы күйге түсе алмақ? Бар болғаны оны микроскоптық өлшемге дейін қысу қажет. Қалғанын гравитацияға қалдыра салған жөн. Шамамен \(13.8\) миллиард жыл бұрын біздің ғалам дәл сол сығылу (қысылу) нүктесіне жеткен еді. Дегенмен бұл бір оқиғаның бастауына себеп болды. Жойқын жарылыс. Иә, дәл осы сәтте біздің әлем өз бастауын алған еді. Кеңістік түсінігі бұл нүктенің сыртында өзінің мәнін жойды. Сондықтан жойқын жаралыс жәй ғана жарылыс емес...Үріле бастаған әуе шары. Ауа ғаламның кеңеюін білдіреді ғой, дұрыс па? Бұның барлығы біз ойлағандай қарапайым емес. Шын мәнісінде, шардың жоғары жағы — ғаламдағы барлық затты сыйдырған уақыт-кеңістік жібі. Расыменде, шар мен ғалам біріне-бірі ұқсас келеді! Егер біз шар ішіндегі ауаны сорып алып, оны сықсақ, онда жоғарғы қабаттың ауданы нөлге теңеседі. Осылайша жойқын жарылыс уағында да бір нүктеге қысылған ғалам көлемі нөлге тең болған еді. Есіңізге ештеңе түспеді ме? Бұл температурасы қара құрдымнан әлде қайда үлкен тағы бір сингулярлық. Бірақ жойқын жарылыс кезінде ғалам үлкен қарқынмен өсе түсті. Бірнеше сәттерден соң айналаға жарқыл жарық шаша отыра шексіз жазықтық кішірейе бастады. Ғалам тұтанды!

Бір қызығы: әлгі жарқылдың сарқыншағын қазірде тамашаласақ болады. Микротолқынды телескопты пайдалана отыра, сіз кеңістікті қоршай алған бірдей микротолқынды сәулелерді байқайсыз. Бұлар — қалдық сәулелер. Ол өзінің бастауын алғаннан бері \(13\) миллиард жыл бойы өшпеусіз жануда.

Физиканың бүгінгі теориялары арқылы жас ғаламның жай-күйін анықтау мүмкін емес. Асқан тығыздық пен жоғары температуралар сәтінде күштер өзара астасып, соңындағы теңдікте шексіз мәндерге ие болды. Біз білетіндей физика шексіздіктермен жұмыс жасамайды: олар пайда болған жағдайда не теорияның теңдігі қате, не теорияның өзінде ақау бар. Сол себепті адам баласына бардың бәрін игеретін, үлкен, әрі жаңа бір дүние қажет.

Соңғы жылдардағы физиканың міндеті

Қазіргі физиканың басты міндеттері болып салыстырмалылық теориясы мен стандартты модельді бір бүтін теорияға айналдыру болып табылады. Барлығының теориясын құру үшін біз макроәлемдер үшін субатомдар заңдарын емес, шағын әлемдердің гравитациясын іздейміз (кванттық гравитацияны).

Керісінше атомдардан алыс қашықтықта ядролық әрекеттер тым әлсіз және тіпті нөлге тең. Сол себепті стандартты модельдің өлшемін біз қолданатын өлшемге дейін ұзартудың еш мәнісі жоқ.

Осылайша әлемді сипаттайтын екі негізгі теорияны біріктіру әрекеті бізді ғалам құпиясының түбіне батырып, алыс қайшылықтарға әкеп соқтырады.

Физиканың келешегі

Біздің әлемнің көптеген бөлігін сипаттауда стандартты модель мен қатынастық теориясы өзінің міндетін ғажап атқаруда. Иә, расымен олар әлде бір нәрседен қағылады, тіпті үлкен немесе іргелі заттардан айырылады. Дегенмен мұның бәрі адам көзінен тыс, бізге сыры бүгулі ғаламның әлде бір жерінде болып жатыр. Ғаламның қалайша құрылғанын түсіну үшін түбінде барлығының теориясы қажет болады. Ол сингулярлық пердесінің арғы жағында жасырынған дүниенің құпиялары мен физикалық құбылыстарды сипаттауға әлеуетті болар еді. Өзара әрекеттесудің бірігуі Ньютонның бүкіләлемдік тартылыс теориясынан бастап, барлық әлемнің құбылыстарын сипаттауға дейінгі кезеңді тәмамдауы мүмкін болып көрінер, бірақ шындығында «Барлығының теориясы» бізге физиканың көптеген сұрақтарына жауап беріп қана қоймай, оның дамуына тың серпін берері анық. Көзімізге бұлыңғыр болған дүниелер жаңа физикаға жаңа теорияларды ашады.

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Мади Пазыл

Редактор: Дильназ Жемісбек