Что ‎описывает‏ ‎квантовая ‎механика? ‎Что ‎такое ‎ультрафиолетовая‏ ‎катастрофа? ‎Какова‏ ‎история‏ ‎открытий ‎в ‎этой‏ ‎области ‎физики?‏ ‎Что ‎такое ‎квант ‎и‏ ‎свет?‏ ‎За ‎что‏ ‎Альберту ‎Эйнштейну‏ ‎дали ‎Нобелевскую ‎премию? ‎Можно ‎ли‏ ‎воздействовать‏ ‎на ‎частицы‏ ‎силой ‎мысли?‏ ‎Какие ‎законы ‎и ‎формулы ‎описывают‏ ‎эти‏ ‎явления‏ ‎и ‎как‏ ‎развивалась ‎квантовая‏ ‎механика?

Об ‎этом‏ ‎простыми‏ ‎словами ‎в‏ ‎мини-лекции ‎по ‎физике ‎рассказывает ‎Кирилл‏ ‎Половников, ‎физик,‏ ‎кандидат‏ ‎физико-математических ‎наук, ‎стипендиат‏ ‎фонда ‎«Династия».

Благодарим‏ ‎за ‎монтаж ‎Алину ‎Морозову.

Недавно ‎мировые‏ ‎СМИ ‎сообщили ‎о ‎ряде ‎удивительных‏ ‎открытий, ‎согласно‏ ‎которым‏ ‎Стандартная ‎модель ‎физики‏ ‎частиц ‎может‏ ‎оказаться ‎неполной. ‎Все ‎дело‏ ‎в‏ ‎магнетизме ‎субатомных‏ ‎частиц, ‎называемых‏ ‎мюонами: ‎пятнадцать ‎лет ‎назад ‎физики‏ ‎из‏ ‎Брукхейвенской ‎национальной‏ ‎лаборатории ‎обнаружили,‏ ‎что ‎мюоны ‎двигаются ‎неожиданными ‎образом,‏ ‎что‏ ‎не‏ ‎соответствовало ‎теоретическим‏ ‎предсказаниям. ‎С‏ ‎тех ‎пор‏ ‎ученые‏ ‎пытались ‎понять‏ ‎почему.

Мюон ‎и ‎Стандартная ‎модель

Исследователи ‎регистрируют‏ ‎мюоны ‎в‏ ‎космических‏ ‎лучах ‎– ‎они‏ ‎возникают ‎в‏ ‎результате ‎распада ‎заряженных ‎пионов‏ ‎(три‏ ‎вида ‎субатомных‏ ‎частиц ‎из‏ ‎группы ‎мезонов). ‎Пионы ‎создаются ‎в‏ ‎верхних‏ ‎слоях ‎атмосферы‏ ‎и ‎имеют‏ ‎очень ‎короткое ‎время ‎распада ‎–‏ ‎несколько‏ ‎наносекунд.‏ ‎Мюоны ‎являются‏ ‎неотъемлемым ‎элементом‏ ‎космоса, ‎а‏ ‎физики‏ ‎отмечают, ‎что‏ ‎они ‎похожи ‎на ‎крошечные ‎вращающиеся‏ ‎вокруг ‎собственной‏ ‎оси‏ ‎магниты.

Мюоны ‎идентичны ‎электронам‏ ‎(за ‎исключением‏ ‎массы) ‎и ‎имеют ‎скорости,‏ ‎близкие‏ ‎к ‎скорости‏ ‎света. ‎Эти‏ ‎субатомные ‎частицы ‎генерируют ‎магнитные ‎поля,‏ ‎силу‏ ‎и ‎ориентацию‏ ‎которых ‎физики‏ ‎называют ‎магнитным ‎моментом.

Для ‎расчета ‎магнитного‏ ‎момента‏ ‎мюона‏ ‎вплоть ‎до‏ ‎2020 ‎года‏ ‎ученые ‎использовали‏ ‎смешанный‏ ‎подход. ‎Они‏ ‎собирали ‎данные ‎о ‎столкновениях ‎между‏ ‎электронами ‎и‏ ‎позитронами‏ ‎(противоположностью ‎электронов) ‎а‏ ‎затем ‎использовали‏ ‎их ‎для ‎вычисления ‎вклада‏ ‎сильного‏ ‎взаимодействия ‎в‏ ‎магнитный ‎момент‏ ‎мюона. ‎Последние ‎результаты ‎были ‎получены‏ ‎в‏ ‎прошлом ‎году‏ ‎и ‎дают‏ ‎очень ‎точную ‎оценку.

6 апреля ‎в ‎научном‏ ‎журнале‏ ‎Nature вышло‏ ‎исследование, ‎в‏ ‎котором ‎физики‏ ‎применили ‎новый‏ ‎подход.‏ ‎С ‎его‏ ‎помощью ‎им ‎удалось ‎получить ‎оценку‏ ‎напряженности ‎магнитного‏ ‎поля‏ ‎мюона, ‎которое ‎практически‏ ‎полностью ‎соответствует‏ ‎его ‎экспериментальному ‎значению.

По ‎словам‏ ‎ведущего‏ ‎автора ‎исследования,‏ ‎профессора ‎физики‏ ‎в ‎Пенсильванском ‎университете ‎Золтона ‎Фодора,‏ ‎большинство‏ ‎явлений ‎в‏ ‎природе ‎можно‏ ‎объяснить ‎с ‎помощью ‎Стандартной ‎модели‏ ‎–‏ ‎она‏ ‎позволяет ‎предсказать‏ ‎свойства ‎частиц‏ ‎с ‎удивительной‏ ‎точностью.‏ ‎Но ‎когда‏ ‎экспериментальные ‎результаты ‎и ‎теория ‎не‏ ‎совпадают, ‎существует‏ ‎вероятность‏ ‎открытия ‎чего-то ‎нового‏ ‎– ‎чего-то,‏ ‎что ‎лежит ‎за ‎пределами‏ ‎Стандартной‏ ‎модели.

Стандартная ‎модель‏ ‎является ‎самой‏ ‎успешной ‎на ‎сегодняшний ‎день ‎квантовой‏ ‎теорией,‏ ‎которая ‎описывает‏ ‎слабые, ‎электромагнитныее‏ ‎и ‎сильные ‎взаимодействия.

Частицы ‎Стандартной ‎модели‏ ‎объединяются‏ ‎друг‏ ‎с ‎другом‏ ‎четырьмя ‎фундаментальными‏ ‎силами. ‎Три‏ ‎описанных‏ ‎выше ‎взаимодействия‏ ‎доступны ‎квантовой ‎физике, ‎но ‎четвертое‏ ‎– ‎гравитационное‏ ‎взаимодействие‏ ‎– ‎не ‎согласуется‏ ‎с ‎квантовой‏ ‎теорией, ‎поэтому ‎его ‎рассматривают‏ ‎отдельно.

В‏ ‎ходе ‎нового‏ ‎исследования ‎ученым‏ ‎удалось ‎привести ‎теорию ‎в ‎соответствии‏ ‎с‏ ‎измерениями. ‎Для‏ ‎этого ‎они‏ ‎построили ‎оценку ‎с ‎нуля, ‎начав‏ ‎с‏ ‎довольно‏ ‎простых ‎уравнений.

Читайте‏ ‎также: ‎Альтернативная‏ ‎история ‎Большого‏ ‎взрыва

Полученные‏ ‎данные ‎существенно‏ ‎сокращают ‎разрыв ‎между ‎теорией ‎и‏ ‎экспериментальными ‎измерениями‏ ‎и,‏ ‎если ‎являются ‎верными,‏ ‎подтверждают ‎главенство‏ ‎Стандартной ‎модели, ‎которая ‎десятилетиями‏ ‎руководила‏ ‎физикой ‎элементарных‏ ‎частиц. ‎Но‏ ‎это ‎– ‎далеко ‎не ‎самые‏ ‎интересные‏ ‎новости.

Кто ‎и‏ ‎почему ‎говорит‏ ‎о ‎«Новой ‎физике»?

Несмотря ‎на ‎описанные‏ ‎выше‏ ‎результаты,‏ ‎существует ‎все‏ ‎больше ‎свидетельств‏ ‎того, ‎что‏ ‎крошечная‏ ‎субатомная ‎частица,‏ ‎похоже, ‎не ‎подчиняется ‎известным ‎законам‏ ‎физики. ‎Так‏ ‎7‏ ‎апреля ‎в ‎журнале‏ ‎Physical ‎Review‏ ‎Letters вышло ‎исследование, ‎результаты ‎которого,‏ ‎по‏ ‎мнению ‎его‏ ‎авторов, ‎открывают‏ ‎дверь ‎в ‎неизвестность ‎в ‎нашем‏ ‎понимании‏ ‎Вселенной.

Как ‎говорится‏ ‎в ‎пресс-релизе исследования,‏ ‎ученые ‎из ‎Национальной ‎ускорительной ‎лаборатории‏ ‎имени‏ ‎Энрико‏ ‎Ферми ‎(Fermilab,‏ ‎США) ‎в‏ ‎ходе ‎эксперимента,‏ ‎который‏ ‎получил ‎название‏ ‎Muon ‎g-2 ‎хотели ‎получить ‎точные‏ ‎измерения ‎колебания‏ ‎магнитных‏ ‎мюонов ‎при ‎прохождении‏ ‎через ‎магнитное‏ ‎поле.

«Если ‎экспериментальное ‎значение ‎магнитного‏ ‎момента‏ ‎мюонов ‎отличается‏ ‎от ‎теоретического‏ ‎предсказания ‎– ‎мы ‎называем ‎это‏ ‎аномалией – это‏ ‎отклонение ‎может‏ ‎быть ‎признаком‏ ‎новой ‎физики, ‎в ‎которой ‎на‏ ‎мюон‏ ‎влияет‏ ‎тонкая ‎и‏ ‎неизвестная ‎частица‏ ‎или ‎сила»,‏ ‎–‏ ‎пишут ‎авторы‏ ‎научной ‎работы.

Необходимо ‎отметить, ‎что ‎поиски‏ ‎подобной ‎аномалии‏ ‎(и‏ ‎«Новой ‎физики» ‎в‏ ‎частности) ‎ведутся‏ ‎не ‎один ‎год ‎–‏ ‎ученые‏ ‎ищут ‎ее,‏ ‎чтобы ‎разгадать‏ ‎тайну ‎темной ‎материи, ‎темной ‎энергии‏ ‎и‏ ‎других ‎явлений.‏ ‎Дело ‎в‏ ‎том, ‎что ‎несмотря ‎на ‎успех‏ ‎Стандартной‏ ‎модели,‏ ‎она, ‎увы,‏ ‎описывает ‎Вселенную‏ ‎не ‎до‏ ‎конца,‏ ‎так ‎как‏ ‎не ‎учитывает ‎четвертое, ‎гравитационное ‎взаимодействие.

Новая‏ ‎сила ‎природы

Так‏ ‎как‏ ‎признаки ‎Новой ‎физики‏ ‎можно ‎обнаружить‏ ‎благодаря ‎аномалиям, ‎исследователи ‎изучают‏ ‎их‏ ‎очень ‎внимательно,‏ ‎особенно ‎когда‏ ‎экспериментальные ‎результаты ‎расходятся ‎с ‎теоретическими‏ ‎предсказаниями.

Именно‏ ‎это ‎и‏ ‎произошло ‎в‏ ‎ходе ‎работы ‎физиков ‎из ‎Fermilab‏ ‎–‏ ‎результаты‏ ‎эксперимента ‎показали,‏ ‎что ‎полученное‏ ‎значение ‎магнитного‏ ‎момента‏ ‎мюона, ‎когда‏ ‎тот ‎проходит ‎через ‎магнитное ‎поле,‏ ‎отклоняется ‎от‏ ‎теории‏ ‎на ‎ничтожную ‎величину‏ ‎– ‎0,00000000251‏ ‎– ‎и ‎имеет ‎статистическую‏ ‎значимость‏ ‎4,2 ‎сигма.‏ ‎Для ‎полной‏ ‎уверенности ‎физикам ‎нужно ‎достичь ‎показателя‏ ‎в‏ ‎5 ‎сигма.‏ ‎Но ‎даже‏ ‎такая ‎крошечная ‎величина ‎может ‎сильно‏ ‎изменить‏ ‎направление‏ ‎физики ‎элементарных‏ ‎частиц.

Мюонное ‎кольцо‏ ‎g-2 ‎в‏ ‎Национальной‏ ‎ускорительной ‎лаборатории‏ ‎имени ‎Энрико ‎Ферми ‎(Fermilab, ‎США),‏ ‎работает ‎при‏ ‎температуре‏ ‎минус ‎450 ‎градусов‏ ‎по ‎Фаренгейту‏ ‎и ‎изучает ‎колебания ‎мюонов‏ ‎при‏ ‎прохождении ‎через‏ ‎магнитное ‎поле.

К‏ ‎сожалению, ‎несмотря ‎на ‎столь ‎вдохновляющие‏ ‎результаты,‏ ‎при ‎такой‏ ‎статистической ‎значимости‏ ‎сигма ‎нельзя ‎сказать, ‎что ‎ученые‏ ‎совершили‏ ‎открытие.‏ ‎Но ‎доказательства‏ ‎существования ‎новой‏ ‎физики ‎в‏ ‎мюонах,‏ ‎как ‎пишет Scientific‏ ‎American, ‎в ‎сочетании ‎с ‎аномалиями,‏ ‎недавно ‎наблюдавшимися‏ ‎в‏ ‎эксперименте ‎Большого ‎адронного‏ ‎коллайдера ‎Beauty‏ ‎(LHCb) ‎в ‎ЦЕРН ‎близ‏ ‎Женевы‏ ‎– ‎впечатляют‏ ‎и ‎раззадоривают‏ ‎исследователей.

Ученые ‎также ‎сообщили, что ‎вероятность ‎того,‏ ‎что‏ ‎полученные ‎измерения‏ ‎могут ‎быть‏ ‎случайностью, ‎равняются ‎одному ‎из ‎40‏ ‎000.‏ ‎Этого,‏ ‎однако, ‎недостаточно‏ ‎для ‎объявления‏ ‎официального ‎открытия,‏ ‎но‏ ‎ученые ‎отмечают,‏ ‎что ‎в ‎ближайшие ‎годы ‎мюонные‏ ‎эксперименты ‎продолжатся,‏ ‎а‏ ‎значит ‎данных ‎будет‏ ‎значительно ‎больше.

Интересно,‏ ‎что ‎сам ‎эксперимент ‎Fermilab‏ ‎закончился‏ ‎в ‎середине‏ ‎2018 ‎года,‏ ‎но ‎исследовательская ‎команда ‎по-прежнему ‎занимается‏ ‎анализом‏ ‎полученных ‎данных,‏ ‎включая ‎дополнительные.

Если‏ ‎эти ‎данные ‎окажутся ‎похожи ‎на‏ ‎те,‏ ‎что‏ ‎опубликованы ‎в‏ ‎новом ‎исследовании,‏ ‎их ‎может‏ ‎быть‏ ‎достаточно, ‎чтобы‏ ‎сделать ‎аномалию ‎полномасштабным ‎открытием ‎к‏ ‎концу ‎2023‏ ‎года‏ ‎– ‎то ‎есть‏ ‎подтвердить ‎наличие‏ ‎новой, ‎неизвестной ‎науке ‎силы‏ ‎природы‏ ‎(или ‎частицы),‏ ‎которая ‎оказывает‏ ‎влияние ‎на ‎мюоны. ‎Так ‎что‏ ‎ждем,‏ ‎2023 ‎не‏ ‎за ‎горами.

Материал‏ ‎подготовлен ‎специально ‎для ‎crithin.ru ‎