Връзката между странните квантови явления и нашето съществуване

Всеки от нас иска да знае кои сме, откъде идваме и накъде отиваме. Отговори на тези въпроси дават най-различни хора - от философи и свещеници до физици-теоретици, но именно последните имат най-големи познания за Вселената. Но до началото на 20-ти век никой дори и не можеше да предполага, че елементарните частици ще се окажат толкова много, че да напълнят цели каталози и класификатори. Чак през 1925 година старата квантова теория бе заменена с квантовата механика, която се базира на вълновите уравнения и принципа на неопределеността, а нейните принципи значително се различават от схващанията на класическата механика.

Само за няколко десетилетия бяха открити голям брой елементарни частици, а тяхното взаимодействие една с друга застана в основите на Стандартния модел. След стартирането на Големия адронен колайдер и последвалото откриване на "Божествената частица", която изразена по научен път всъщност е  Хигс бозонът, започна началото на нашето разбиране на този твърде сложен свят. Всяка година учените откриват нови частици, като едновременно с това се опитват да отговорят на въпроса "Защо съществуваме?".

Частица след частица

Една от най-новите открити от физиците частици е тетракваркът. Казано съвсем накратко, тетракварките са частици екзотична материя, които включват два тежки кварка и два леки антикварка. Навярно всички си спомнят, че кварките са фундаменталните строителни блокове на цялата Вселена, които изграждат всичката материя.

Кварките също са частици, от които могат да са изградени адроните - първата група елементарни частици. Доскоро се считаше, че неутроните са най-стабилните частици, изградени от три кварка, но новооткритият адрон е съставен от четири. Учените отбелязват, че тетракваркът е най-дълго живеещата частица от всички известни към днешен ден.

Друг нов момент в този своеобразен зоопарк са енионите. Това са съвсем нов вид частици, които са толкова необичайни, че физиците ги класифицираха като трети подвид елементарни частици.

Да напомним, че критерият за разделяне на елементарните частици на две основни части е значението на техния спин - квантово число, което определя собствения момент на импулса на елементарната частица. Казано с други думи, ако спинът на дадена частица е цяло число, то това е бозон, а ако е полуцяло - то това е фермион.

Но днес твърдението, че всяка елементарна частица във Вселената - от космическите лъчи до кварковете са или фермион, или бозон, явно трябва да бъде преразгледана. Франк Уилчек, носител на Нобелова награда по физика от Масачузетския технологичен институт, казва: „Преди имахме бозони и фермиони, но сега имаме този нов за нас трети подвид на елементарните частици“.

Учените доказаха, че енионите са отделен клас елементарни частици

След редица научни експерименти физиците успяха да докажат, че поведението на енионите е нещо средно между поведението на бозоните и фермионите. Освен това, тяхното поведение съвсем точно съответства на прогнозите и изчисленията от теоретичната физика.

Гравитационните вълни

След като уточнихме някои основни моменти на Стандартния модел, които обясняват по какъв начин си взаимодействат невидимите за невъоръжено око частици, създавайки реалността, нека да продължим нататък: ако взаимодействието на елементарните частици създава нашия свят, може ли физиката да обясни нашето съществуване?

Изглежда че може. Астрофизиците предполагат, че в самото начало във Вселената е имало дисбаланс между материята и антивеществото. За да разберат каква е причината за възникването на този дисбаланс учените се обърнаха към гравитационните вълни.

Съвременната физика счита, че гравитационните вълни всъщност са промените на гравитационното поле и те се разпространяват подобно на всички други вълни. Може да се каже, че те изкривяват пространствено-времевия континуум.

Гравитационните вълни могат да разрешат космологичната криза

Екип теоретични физици, оглавяван от Греъм Уайт от института Кавли за физика и математика на Вселената, се фокусира върху явлението, известно като Q-ball. Както и редица други концепции от теоретичната физика, Q-ball е сравнително трудно да бъде обяснена.

Между другото, една от най-големите космологични тайни е защо Вселената е съставена от много повече материя, отколкото антивещество. Съвсем наскоро теоретичните физици разбраха къде трябва да бъде търсен отговора - необходимо е да бъдат регистрирани гравитационни вълни, създавани от твърде странните квантови обекти с име Q-ball.

Да не забравяме, че всяка една частица обикновена материя си има партньор от антивещество с противоположни характеристики. Когато материята взаимодейства с антивеществото, те взаимно се унищожават с излъчване на огромно количество енергия. Но именно този факт прави нашето съществуване мистерия, тъй като космолозите са почти сигурни, че в зората на Вселената е имало еднакво количество материя и антиматерия.

Гравитационните вълни, регистрирани от детектора LIGO, са излъчени при сблъскването на две черни дупки

По принцип всички тези партньори от материя и антивещество би трябвало да се самоунищожат. В този случай Вселената би останала без каквато и да било материя. Но ние знаем и виждаме, че материята съществува, а учените постепенно започнаха да разбират основните принципи.

Една от потенциалните причини може да са именно Q-ball-те - теоретични сгъстявания, които са се образували веднага след Големия взрив, още преди Вселената да почне да се разширява. Тези обекти би трябвало да имат своя собствена асиметрия на материята и антиматерията. Това означава, че във всеки един Q-ball съществуват неравни части от материя и антивещество.

И ако Q-ball отделят повече материя, отколкото антиматерия, то те биха предизвикали гравитационни вълни в пространство-времето. Според научната работа, публикувана в списание Physical Review Letters, Q-ball-те могат да бъдат открити с помощта на гравитационни вълни. Но как?

Разпадането на Q-ball е ключът в създаването на гравитационните вълни

На практика Q-ball е натрупване на заредени полета, които са се превърнали в сгъстъци и са се залепили заедно. Веднъж слепени, те живеят много дълго и издържат на фоновото излъчване, възникващо в резултат от разширението на Вселената. По-интересното е какво се случва, когато Q-ball се разпадат.

Разпадането на Q-ball протича бързо и яростно. Дотолкова бурно, че се образуват гравитационни вълни. Нещо повече, този вид разпадане е доста разпространено и учените би трябвало да имат средства и апаратура за неговото регистриране. Обсерваториите за изследвания на гравитационните вълни, каквато е например LIGO, вече откриха гравитационни вълни от други източници, честотата и амплитудата на които са сравними с изчисленията относно разпадането на Q-ball.

Засега все още реално не са регистрирани гравитационни вълни, предизвикани от разпада на Q-ball-и, но д-р Уайт и неговите колеги са оптимисти:

"Със сигурност съвсем скоро ще приемам сигнал още от началото на времето, потвърждаващ тази нова теория за произхода и съществуването. Тези нови концепции би трябвало да заинтригуват всеки, който се пита защо материята изобщо съществува".

Да добавим, че през следващите няколко години ни очакват много нови открития, понеже учените от ЦЕРН действително стоят на прага на откриването на една "нова физика".

Много хора с нетърпение очакват по-нататъшните изследвания и се опитват да вникнат в невероятно трудната за човешкото разбиране физика на градивните елементи на нас самите и нашата Вселена.