«Горох» Вселенной или годятся ли преоны на роль «первокирпичиков мироздания»?

Любой атом, как известно, состоит из электронов, протонов и нейтронов. А те, в свою очередь, из множества частиц, которые в XX веке опрометчиво назвали элементарными. Ведь вскоре выяснилось, что сами «элементарные» частицы состоят из множества составляющих, могут превращаться друг в друга. И на сегодня такие частицы исчисляют уж сотнями. Понятное дело, «первокирпичиками Вселенной» они уж быть никак не могут…

Тогда, в 1964 году, американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Ман предложил на эту роль гипотетические частицы, названные кварками. Однако и здесь вышла незадача: сначала теоретикам было достаточно всего трех кварков, потом их стало шесть, а ныне и того больше…

Пришлось физикам ввести в обиход так называемую Стандартную модель, согласно которой все вещество Вселенной состоит из шести кварков и шести легких частиц — лептонов, не участвующих в так называемом сильном взаимодействии. (Типичным представителем класса лептонов является, например, электрон.)

Однако около 30 лет назад некоторые теоретики решили, что даже дюжина разных «кирпичей» — это слишком много. То есть было выдвинуто предположение, что лептоны и кварки, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, названных преонами. Причем выходило, что для создания всех-всех-всех частиц нашего мира достаточно комбинаций всего из трех преонов.

Однако до сих пор ни одна из многих преонных теорий не была подтверждена на практике. Слишком много энергии потребовалось бы, чтобы расколоть кварк на преоны, и такого уровня нельзя достичь ни на одном из современных ускорителей. А то, что невозможно проверить, нельзя считать доказанным.

Но если преоны нельзя получить в ускорителях и прочих экспериментальных установках, то, может быть, их можно увидеть где-то на просторах Вселенной?

Ведь согласно нынешней канонической теории Большого взрыва, после которого будто бы родилась наша Вселенная, сначала в пустом пространстве появились лептоны и кварки. Кварки, остывая, объединились в протоны и нейтроны, те, еще подостыв и объединившись с электронами, образовали атомы, и так далее. Но почему бы тогда не предположить, что еще до лептонов и кварков образовались сначала преоны, а из них все остальное?..

В 2006 году шведские теоретики решили посмотреть на компьютерной модели, что будет, если считать, что из преонов образовались некоторые звезды. Компьютер показал: да, вовсе не все поголовно преоны могли участвовать в синтезе материи. Часть из них от такой участи могла увильнуть и затем образовать чисто преонные звезды. Существуют же ныне модели нейтронных звезд и светил из кварков… Чем же преоны хуже?

Расчет показал, что масса и размеры преонных звезд должны быть значительно меньше, чем у обычных звезд, — не больше сотни земных масс, но плотность гораздо выше, чем у нейтронных звезд и даже звезд из кварков.

Нижнего предела массы вроде бы нет, а потому ученые решили, что преонные звезды могут быть размером с… горошину, имея при этом массу чуть меньше, чем у Луны. Понятное дело, такой «горох», рассеянный по мировому пространству, весьма трудно заметить. Зато, между прочим, он оказался прекрасным кандидатом на роль темной материи.

И эти умозаключения так бы и остались очередной теоретической сказкой, если бы теперь авторы не объяснили, как такой преонный горох обнаружить.

Оказывается, подобные объекты будут хорошо работать как гравитационные линзы и отклонять лучи света, проходящие мимо них. Но в данном конкретном случае есть нюанс: преонные звезды будут хорошо взаимодействовать не со светом, а с гамма-квантами, которые время от времени рождаются в различных вселенских катастрофах вроде взрывов сверхновых. Правда, преонный «горох» не усилит гамма-сигнал, как обычная гравитационная линза, зато оставит характерный след в его спектре.

Другой способ обнаружения преонных звезд заключается в регистрации гравитационных волн. Их будут эффективно излучать две горошины, если они образуют пару и, как двойные звезды, начнут вращаться вокруг общего центра масс. Если такая пара окажется вблизи Солнца, то ее гравитационные волны будут столь сильными и высокочастотными, что их сможет зарегистрировать даже настольный прибор. Между тем, сегодня для этой цели применяются гигантские подземные детекторы гравитационных волн, которые пока ничего и не поймали.

И наконец, если небольшая преонная звезда столкнется с Землей, это событие можно будет зарегистрировать сейсмодетекторами. Горошина так мала и массивна, что просто пройдет нашу Землю насквозь, не причинив больших разрушений. Но на сейсмодетекторах должен остаться характерный сигнал.

Таким образом, теоретики подсказали, каким образом организовать охоту за преонами. Теперь очередь за экспериментаторами. Возможно, если проанализировать уже накопленный массив астрономических и сейсмических данных, в нем найдутся следы преонных горошин?..

Так или иначе, но ныне физики из Технологического университета Лулео (Швеция) предлагают хорошенько поискать преоны в окружающем нас мире. Глядишь, да кому-то повезет и он станет наконец-таки первооткрывателем «кирпичиков» Вселенной.

Публикацию подготовил Г. МАЛЬЦЕВ

 

Как устроен «Демон Максвелла»

Японским, физикам впервые удалось превратить информацию в энергию, реализовав таким образом на практике мысленный эксперимент, предложенный почти полтораста лет тому назад, пишет журнал Nature Physics.

Физики отмечают, что на создание данного эксперимента их вдохновил знаменитый «демон Максвелла». В 1867 году известный английский физик-теоретик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, якобы опровергающий второе начало термодинамики.

Представьте себе, что имеются две емкости с газом, разделенные дверью, и некий демон-служитель, который способен открывать и закрывать эту самую дверь в нужные моменты. Предполагается, что демону известны скорости молекул — перед быстрыми он открывает дверь, а перед медленными, наоборот, закрывает. Таким образом, получается, что в одной емкости, например, правой, собирались быстрые молекулы и она нагревалась. А во второй — левой — накапливаются одни медленные молекулы, и она, соответственно, остывает.

В итоге выходит, что «демон Максвелла» позволяет нагреть один сосуд и охладить другой без дополнительного подвода энергии. В то же время Второе начало термодинамики утверждает, что самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому, невозможен.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя «демона Максвелла» и оба сосуда. Ведь для того, чтобы сам «демон» действовал, ему тоже нужна какая-то энергия. За счет ее и происходит весь процесс. Стало быть, никакого парадокса не существует.

Но все-таки, как же японские исследователи осуществили свой эксперимент? В рамках работы ученые поместили две продолговатые бусинки из полистирола размером около 300 нанометров каждая в специальный раствор, который сами организаторы эксперимента назвали буферным.

Одна из бусин была прикреплена к стеклянной подложке, а вторая могла свободно вращаться вокруг первой — бусина двигалась под ударами молекул буферного раствора, в который была погружена вся система. Молекулы буфера приблизительно с равной частотой ударяли по бусине с разных сторон, заставляя вращаться то по часовой стрелке, то против.

Исследователи могли препятствовать вращению бусины в одном из направлений, прикладывая напряжение к электродам, расположенным на стеклянной подложке.

В создаваемом электромагнитном поле из диэлектрического материала бусине было энергетически выгоднее вращаться только в одном из возможных направлений. При этом ученые наблюдали за движением бусины при помощи микроскопа, оснащенного камерой для высокоскоростной съемки. Когда бусина вращалась против часовой стрелки, они прикладывали к электродам напряжение так, чтобы возникающее поле не давало ей совершить оборот в обратном направлении.

Сами авторы проводят аналогию между созданной ими системой и подъемом бусины по винтовой лестнице: каждый оборот против часовой стрелки соответствовал перемещению на одну ступеньку вверх. То есть спустя некоторое время после начала эксперимента бусина как бы поднималась до конца лестницы при том, что притока энергии в систему извне не было — ученые только меняли направление поля в зависимости от поступающей информации о системе. При этом сами физики не скрывают, что основой для эксперимента стали теоретические выкладки французского физика Лео Сциларда, опубликованные им в работе 1929 года, где он описал гипотетическую машину, которая позволяет превращать имеющуюся в системе информацию в энергию. Однако машина Сциларда не может быть использована для создания «вечного двигателя», способного, например, превращать в электричество пустопорожнюю болтовню.

Японские ученые подчеркивают, что закон сохранения энергии не нарушается в их эксперименте, поскольку для работы компьютеров и камер, а главное, для создания электромагнитного поля требуется электрическая энергия. Вместе с тем непосредственно передачи энергии самой бусинке не происходит; стало быть, в рамках эксперимента происходит превращение информации в энергию.

Эксперимент японских ученых и его схема.

Исследователи даже подсчитали, что при комнатной температуре 1 бит информации в созданной ими машине Сциларда давал 3x1021 джоулей энергии. Казалось бы, очень немного. Однако исследователи полагают, что и этой энергии вполне достаточно, чтобы заставить двигаться, например, наноробота — переносчика лекарств.

Ведь КПД созданного ими устройства — около 28 %. Это не так уж мало — ведь КПД самых лучших двигателей внутреннего сгорания не превышает 40 %.

Ученые не исключают, что в будущем разработанный ими принцип позволит создать системы, в которых размеры и управляемого объекта (например, наномотора), и «демона» не будут превышать сотен нанометров.

Кстати, для того чтобы представить себя «демоном Максвелла», вовсе не обязательно мысленно сжиматься до размеров молекул. Любая живая система в некотором роде представляет собой такого «демона», ежесекундно пытаясь воссоздать порядок из окружающего ее хаоса.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН