Квантовая механика — ключ к пониманию бытия?

Каждый из нас хочет знать, кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но именно последние обладают наибольшими знаниями о Вселенной.
До начала ХХ века, однако, никто и предположить не мог, что элементарных частиц окажется так много, что из них можно составить целый «зоопарк». Лишь в 1925 году на смену старой квантовой теории пришла квантовая механика, которая основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, а ее положения значительно отличаются от положений механики классической. Всего за несколько десятилетий было обнаружено множество элементарных частиц, а их взаимодействие друг с другом легло в основу Стандартной модели. Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) и последующее обнаружение «частицы Бога» – по-научному Бозон Хиггса – стало лишь началом в понимании нашего сложного мира. Каждый год ученые открывают новые частицы, параллельно пытаясь ответить на вопрос о том, почему мы существуем.

Q-balls – странные квантовые объекты, способные вызывать гравитационные волны

Частица за частицей

Одной из последних обнаруженных физиками частиц является тетракварк. Если совсем кратко, то тетракварки представляют собой частицу экзотической материи, которая содержит два тяжелых кварка и два легких антикварка. Кварки, как, вероятно, помнит читатель, являются фундаментальными строительными блоками Вселенной, из которых состоит вся материя.
Кварки также являются частицами, из которых могут состоять адроны — первая группа элементарных частиц. До недавнего времени считалось, что нейтроны состоят из трех кварков, но новая частица адрона состоит из четырех. Исследователи отмечают, что тетракварк – самая долгоживущая частица из всех известных.

Тетракварки были обнаружены в 2020 году

Еще одной новинкой в нашем зоопарке оказались энионы. Это не просто новые частицы, они настолько необычны, что физики отнесли их к третьему царству элементарных частиц.
Критерий деления элементарных частиц на два царства – это значение спина, квантового числа, которое характеризует собственный момент импульса частицы. Иными словами, если спин отдельно взятой частицы определяется целым числом – перед вами бозон, а если полуцелым – фермион.
Теперь же утверждение о том, что каждая последняя частица во Вселенной – от космических лучей до кварков – является либо фермионом, либо бозоном, кажется, придется пересмотреть. Вот что говорит об этом Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института: «Раньше у нас были бозоны и фермионы, а теперь у нас есть это третье царство элементарных частиц».

В ходе недавнего исследования физикам наконец удалось доказать, что энионы ведут себя как нечто среднее между поведением бозонов и фермионов. Более того, их поведение в точности соответствует теоретическим предсказаниям.

Причем здесь гравитационные волны?

Итак, освежив в памяти Стандартную модель, которая объясняет, как взаимодействуют невидимые глазу частицы, создавая реальность, идем дальше: если взаимодействие элементарных частиц создает наш мир, то может ли физика объяснить наше существование?
Очень похоже на то. По крайней мере астрофизики полагают, что в начале Вселенной существовал дисбаланс между материей и антивеществом. И чтобы понять, откуда он взялся, ученые обратились к гравитационным волнам.
Гравитационные волны – это изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Если совсем просто, то они искажают пространство-время.

Команда физиков-теоретиков, возглавляемая Грэмом Уайтом из Института физики и математики Вселенной Кавли, сосредоточилась на явлении, под названием Q-ball. Как и во многих концепциях теоретической физики, Q-ball относительно трудно объяснить.
Между тем одна из самых больших космологических загадок заключается в том, почему Вселенная состоит из гораздо большего количества материи, чем антивещества. Совсем недавно команда физиков-теоретиков поняла, где искать ответ – необходимо обнаружить гравитационные волны, создаваемые причудливыми квантовыми объектами под названием Q-ball.
Не будем также забывать, что у каждого вида обычной частицы материи есть партнер из антивещества с противоположными характеристиками. Так что когда материя взаимодействует с антивеществом, они уничтожают друг друга. Именно этот факт и делает наше существование загадкой, поскольку космологи почти уверены, что на заре Вселенной было равное количество вещества и антивещества.

Гравитационные волны, зафиксированные детектором LIGO, произошли из-за столкновения черных дыр

Но если все эти партнеры по материи и антивеществу должны были уничтожить друг друга, Вселенная бы осталась без материи вообще. Но материя, как мы знаем, существует, и исследователи начинают постепенно понимать в чем весь сыр-бор.
Одна из потенциальных причин может заключаться в Q-ball-ах – теоретических «комках», которые образовались сразу после Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться. Эти объекты должны содержать свою собственную асимметрию материи и антивещества. Это означает, что внутри каждого Q-ball-а существуют неравные доли материи и антивещества.
И если бы Q—ball-ы высвободили больше материи, чем антивещества, то стали бы причиной гравитационной ряби в пространстве-времени. Согласно результатам нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, в таком случае обнаружить Q-ball-ы можно было бы с помощью гравитационных волн. Но как?

Распад Q-ball – ключ к созданию гравитационных волн

По сути, Q-ball-ы – это скопления заряженных полей, которые превратились в комки и слиплись. Однажды склеенные, они, как правило, служат долго, пережив фоновое излучение, возникшее в результате расширения Вселенной. Но вот в них потенциально интересно, так это то, что происходит, когда Q-ball распадаются.
Распад Q-ball происходит быстро и яростно. Причем настолько, что они образуют гравитационные волны! Более того, эти события распада относительно распространены, и у ученых должны быть средства для их обнаружения. Обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO, уже обнаружили гравитационные волны от других источников, сравнимые по силе и частоте с волнами, вызванными распадающимися Q-ball-ами.

Вероятно, скоро мы узнаем о Вселенной много нового

Отметим, что до сих пор не было обнаружено гравитационных волн, приписываемых распадам Q-ball-ов. Тем не менее, доктор Уайт и его коллеги с оптимизмом смотрят в ближайшее будущее:
Почти наверняка мы скоро обнаружим сигнал с начала времен, подтверждающий эту теорию о том, почему мы и остальной мир материи вообще существуем. Это захватывающее утверждение, и оно должно интересовать любого, кто кровно заинтересован в том, почему материя вообще существует, – пишут авторы научной работы.