Мюон – разрушитель современной физики
Ученые проводят эксперимент Muon g-2 в Лаборатории Ферми (неподалеку от Чикаго). Это сложная современная физика, но попробуем разобрать ее суть, не прибегая к трехэтажным уравнениям и высшей математике.
Мюон – частица с отрицательным зарядом. Но, в отличие от электрона, не так сильно отклоняется при прохождении магнитного поля. Мюон тяжелее электрона в 207 раз, при этом меньше протона в 9 раз. Роль мюонов в природе до конца не понятна.
Почему же мюон так интересует современных физиков?
Эксперимент Muon g-2 посвящен поиску так называемого аномального магнитного момента мюона. Это значит, что магнитный момент мюона будет отличаться от расчетов, которые задаются уравнениями Стандартной модели. А значит, она неверна!
Что более интересно, аномалия мюона берется не просто так, а из-за взаимодействия с частицами, которые пока неизвестны науке. Мюоны разгонялись по кольцу в циркулярном коллайдере. На них воздействовали мощным магнитным полем.
Температура в этом кольце поддерживается на уровне –270 градусов – практически на уровне абсолютного нуля. И то самое отклонение от расчетных данных было зафиксировано! Это, возможно, и есть проявление пятой силы природы, ранее неизвестной науке.
Почему «возможно», а не 100 %? Дело в том, что сейчас остается 1 шанс из 40 тысяч, что это была статистическая погрешность. А по канонам современной физики статистическая погрешность должна быть на уровне 1 шанс на 3,5 миллиона.
«Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью. Это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами», – заявил участник группы ученых профессора Марка Ланкастера.
Ученым осталось только еще раз повторить эксперимент, снизив вероятность статистической погрешности. И тогда открытие пятой силы будет признано официально.
Какие возможности потенциально может дать нам открытие пятой силы:
– Открытие новых частиц, которые отвечают за пятую силу природы.
– Уточнение картины мира. Как на самом деле устроена Вселенная?
– Открытие новых горизонтов в физике, которая сейчас явно находится в тупике.
– Создание единой теории фундаментальных взаимодействий.
Все это может привести к технологическому прорыву, сравнимому с тем, что мы наблюдали на протяжении всего XX века.
Глава 17
Физика в тупике
Все нынешние теории красивы, но у них есть один ключевой недостаток: все они являются игрой ума и предметом математического моделирования. Ученые видят проблемы, не могут решить их на уровне экспериментов и пытаются придумать с помощью математического моделирования некую реальность.
Отсюда и возникают сложные конструкции – суперсимметричные частицы, дополнительные измерения, всевозможные кандидаты на звание частиц темной материи. По сути, эти вопросы остались неизменными с конца 1980-х.
Все эти теории могут быть произвольно изменены, если возникнут противоречивые моменты.
И это снижает их практическую ценность. Они напоминают поведение троечника в школе, который пытается решить задачу не с помощью знаний и логики, а просто подобрав правильный ответ.
Эйнштейн стремился к простоте в своих теориях. Он прекрасно понимал, что природа не может быть устроена чересчур сложно. Именно поэтому общую теорию относительности так легко объяснить и ее спокойно понимают даже школьники.
В этом плане забавно сходство популярного сериала «Теория Большого взрыва» с ситуацией в современной физике.
Жанр этого сериала – ситком. В ситкомах герои мало меняются от серии к серии. Они попадают примерно в одни и те же ситуации, пытаются решать их похожими способами из серии в серию. Разумеется, у них ничего не получается. А зрителю интересно наблюдать этот сизифов труд и угадывать, как скоро герой в новой серии останется наедине со своей проблемой.
Так и физики – пытаются решить проблемы, усложняя этот мир. Добавляя новые измерения и виртуальные частицы. И, как в ситкоме, остаются все с теми же вопросами и проблемами, которые появились в «первой серии» – в конце 1980-х.
Если посмотреть на темы большинства современных научных работ, то можно увидеть превалирование квантового моделирования. И речь идет в основном о теоретической физике. Фундаментальная работа в физике все сильнее отдаляется от эксперимента и технологического применения.
В узких областях, таких как физика плазмы, акустика, квантовая оптика, ядерная физика и астрофизика, экспериментальные данные и теория сильно переплетены. Но в тех областях физики, которые отвечают за фундаментальные законы природы – физика элементарных частиц, квантовая гравитация и космология, – теория все сильнее отделяется от эксперимента. А без возможности экспериментальной проверки все рассуждения чаще уходят в спекуляции.
Стандартная модель много лет неплохо подтверждалась экспериментами. Однако в последние годы по ней один за другим наносятся серьезные удары.
Про аномальный магнитный момент мюона мы уже говорили. Но это не единственный эксперимент, который рушит устои современной физики.
В декабре 2021 года немецкие физики из Мюнхенского технического университета сообщили о возможном открытии тетранейтрона. Это частица, состоящая из четырех нейтронов.
Если открытие подтвердится, то физикам придется пересмотреть стандартную модель атомного ядра. Современная ядерная физика исключает возможность существования тетранейтрона.
Одна из основ современной квантовой механики – принцип Паули. Он гласит, что два или более идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе. Нейтроны должны распадаться на протон, электрон и антинейтрино. И целостность такая частица сохранить не может!
Согласно принципу Паули, тетранейтрон существовать не должен. Однако эксперимент немецких ученых – уже третий, в котором физикам удалось уловить эту частицу. Результаты эксперимента еще необходимо повторить, но это, скорее всего, просто вопрос времени.
Еще одна серьезная проблема, которую не может объяснить Стандартная модель, – это масса нейтрино. В Стандартной модели нейтрино – безмассовая частица. Однако эксперименты с нейтринными осцилляциями показали, что масса у нейтрино все-таки есть.
Что придется делать физикам в случае, если все экспериментальные данные подтвердятся?
Будет период «смутного времени», когда нужно написать новую теорию, которая непротиворечиво объяснит новые открытия.
А что же будет со старой теорией, Стандартной моделью? Неужели десятки лет трудов от тысяч великих умов отправятся в утиль?
Ни в коем случае!
В физике ни одна теория ни исчезает просто так. Она лишь становится частным случаем более общей теории.
Возьмите физику Ньютона. Его физика принципиально неверна! Поэтому
