В продължение на десетилетия физиците се опитват да създадат модел на квантовата гравитация, който да обедини квантовата
Но някои от моделите предвиждат ефектакоето може да бъде изследвано в лабораторията: леко нарушение на фундаментален квантов принцип, известен като принципа на изключване на Паули. Той определя например как са подредени електроните в атомите. Точно върху това работят служителите на проекта за подземна лаборатория INFN под планините Гран Сасо в Италия. Тяхната цел е да търсят признаци на радиация, причинена от такова нарушение, под формата на атомни преходи, забранени от принципа на Паули.
В две статии, публикувани в списанията Physical Review Letters и Physical Review D, учените описват дали са успели.
Как работи принципът на Паули?
В училищните уроци по химия учат, че електронитеподредени в атоми само по определен начин. Оказва се, че това се дължи на принципа на изключване на Паули. В центъра на атома е атомното ядро, заобиколено от орбитали с електрони. Първата орбитала, например, съдържа само два електрона.
Формулиран принцип на изключване на ПаулиАвстрийският физик Волфанг Паули през 1925 г. заявява, че два електрона не могат да имат едно и също квантово състояние. И така, в първата орбитала на атом два електрона могат да имат противоположно насочени спинове. Това квантово присъщо свойство обикновено се изобразява като ос на въртене нагоре или надолу, въпреки че електронът няма ос в буквалния смисъл.
Квантова гравитационна фотонна надпревара. Снимка: NASA
По същество това означава, че материята сама по себе си не можепреминават през друг. Както обясняват учените, това работи навсякъде - "ти, аз, ние се основаваме на принципа на изключване на Паули". Най-простият пример за този закон е фактът, че хората не могат да минават през стени.
Този принцип важи за всички елементарничастици, които принадлежат към същото семейство като електроните и са известни като фермиони. Тя е математически извлечена от фундаментална теорема, известна като теорема за спиновата статистика. Също така, принципът на изключване на Паули беше потвърден експериментално. Досега се приемаше, че това е вярно за всички фермиони. Принципът на изключване на Паули е един от основните принципи на Стандартния модел на физиката на елементарните частици.
Нарушаване на принципа
Но според някои спекулативни теории,които надхвърлят стандартния модел, този принцип може да бъде нарушен. Десетилетия наред физиците търсят фундаментална теория за реалността. Стандартният модел е отличен за обяснение на поведението на частиците, взаимодействията и квантовите процеси на микро ниво. Тя обаче не включва гравитацията.
И така, физиците се опитват да разработят обединяващтеорията на квантовата гравитация, някои версии на която предвиждат, че различни свойства, които са в основата на стандартния модел, като принципа на изключване на Паули, могат да бъдат нарушени при екстремни обстоятелства.
Например, много от тези разстройства са естественисе срещат в така наречените некомутативни теории и модели на квантовата гравитация. Една от най-популярните е теорията на струните. Тя описва фундаменталните частици като малки вибриращи нишки от енергия в многоизмерни пространства. Някои модели на струнната теория също предвиждат такова нарушение.
Трудност при проверката
Традиционно се смята, че такива прогнозитрудно за проверка. Квантовата гравитация е „органична“ само за места, където огромно количество гравитация е концентрирано в малко пространство. Най-простият пример е центърът на черна дупка, родното място на Вселената.
Авторите на новото изследване обаче излязоха с алтернатива. Ефектът от нарушаването на принципа на изключване и теоремата за спиновата статистика може да бъде открит в лабораторни експерименти на Земята.
Дълбоко под планините Гран Сасо, точно извън градаЛ'Акуила в Италия, физиците работят върху експеримента VIP-2, за да нарушат принципа на Паули. Специалният апарат е базиран на дебел римски олово блок, до който има германиев детектор. Той улавя малки признаци на радиация, идващи от метала.
Подземна лаборатория с ниска радиоактивност в Гран Сасо.
Снимка: Масимилиано Де Део, LNGS-INFN
Идеята е, че ако принципът на забранатаPauli ще бъде нарушен, вътре в оловото ще има "забранен" атомен преход, генериращ рентгенови лъчи с отчетлив енергиен сигнал. Ще бъде уловено от германиев детектор.
Космическа тишина
Лабораторията е специално поставена под земята,тъй като радиацията от такъв процес би била толкова слаба, че иначе би била заглушена от общия радиационен фон от космическите лъчи на Земята. Както обясняват италианските учени, тяхната лаборатория осигурява така наречената космическа тишина - планината Гран Сасо намалява потока от космически лъчи милион пъти. Само това обаче не беше достатъчно.
Честотата на сигнала, който физиците търсят, есамо едно или две събития на ден или по-малко. Това означава, че самите материали, използвани в експеримента, трябва да бъдат "радиочисти" - те не трябва да излъчват нищо. И оборудването трябва да бъде защитено от радиацията на скалите. На съвременните ускорители това е невъзможно, пишат учените.
Какво са направили учените?
След провеждане на експеримент в подземна лаборатория,учените не са открили доказателства за нарушение на принципа на Паули. Това изключва някои модели на квантовата гравитация. С други думи, физиците не са уловили "забранения" сигнал. Както и да е, за сега.
Също така, като част от проекта, физиците анализирахапрогнози на тета модела на Поанкаре и изключи някои версии на модела по скалата на Планк (мащабът, при който известните класически закони на гравитацията са нарушени). Освен това техният анализ противоречи на някои специфични реализации на квантовата гравитация.
Какво следва?
Сега изследователите планират да разширят изследванията си додруги модели на квантовата гравитация заедно с китайски физици. Те ще използват нови материали и методи за анализ, за да търсят слаби сигнали, за да "разкрият тъканта на пространство-времето", обясняват авторите на експериментите.
„Интересното е, че можем да проучим някоимодели на квантовата гравитация с толкова висока точност, че е невъзможно да се направи на съвременните ускорители “, заключават учените. „Това е голям скок както теоретично, така и експериментално.“
Прочетете още:
17-годишен инженер излезе с безмагнитен двигател: той може да се използва в електрически превозни средства
Недалеч от Земята са открити две планети. Може би са населени
Уникален метеор пренаписа историята на Слънчевата система: откъде идва
Заглавна снимка: Wikipedia