«Шелдон, ты невозможен!»: что за эксперименты проводили Шелдон Купер и Леонард Хофстедтер из «Теории большого взрыва»
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
Американский ситком «Теория большого взрыва» наверняка знают многие. Герои сериала - молодые физики, которые на протяжении 12 сезонов не могут справиться с повседневными рядовыми проблемами. Зато проводят какой-нибудь сложнейший опыт и делают новое научное открытие.
Самих открытий и опытов создатели сериала не показывают. А многие зрители так до конца и не поняли, чем конкретно занимаются Шелдон Купер и его друзья. Зрители не поняли, а спросить некого.
Дмитрий Зуев, аспирант кафедры технической физики Института космических исследований и высоких технологий СибГУ им. М.Ф. Решетнева
Фото: соцсети
Ученые СибГУ имени М.Ф. Решетнева тоже познакомились с сериалом. И с позиции телезрителей определили 5 вопросов, которые так и просятся, чтобы их задали. Отвечает на них аспирант кафедры технической физики Института космических исследований и высоких технологий СибГУ им. М.Ф. Решетнева, лауреат премии главы города молодым талантам, неоднократный победитель конкурсов Краевого фонда науки Дмитрий Зуев. (Скажем честно – ученые попытались рассказать это простыми словами, насколько удалось, судить вам, - мы, журналисты, кардинально переписывать коллегиально не решились – точно, наляпаем ошибок). Но для поклонников сериала, наверняка, интересно будет «покопаться» в оборотах и терминах. Но ход, в любом случае, нетривиальный. Одним словом, мы «за что купили, за то и продаем»). Итак:
В чем суть теории струн, которым в начале сериала занимался Шелдон?
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
Суть в том, чтобы описать все элементарные частицы (бозоны, фермионы) и их взаимодействия между собой как результат колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м.
Теория струн потенциально позволяет объединить квантовую механику с теорией относительности. Изначально многообещающая теория струн захватила умы физиков и была популярна, однако в процессе ее разработки возникло множество проблем: огромное количество вариантов теории, чрезмерная математическая сложность и самое главное: невозможность на данный момент провести экспериментальную проверку основных результатов. А без проверки экспериментов непонятно, куда нужно двигаться.
Шелдон сначала занимался бозонной теорией струн, потом перешел в гетеротическую. В чем принципиальная разница между ними?
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
- Бозонная теория струн – первый вариант теории, разработанный на рубеже 60х-70х годов ХХ века. Она описывает взаимодействие только бозонных частиц (фотоны, глюоны и другие). Бозоны – это хорошо, но есть еще и фермионы (кварки, протоны, нейтроны, лептоны). Гетеротическая теория струн описывает уже и бозоны, и фермионы.
С Раджем Шелдон работал над теорией струн под действием гамма-лучей от аннигиляции темной материи и рассматривал метод оптимизации 500 ГэВ детектора частиц в этом направлении. Что это значит?
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
Тут налицо не совсем корректный перевод с английского. По всей видимости, они пытались с помощью теории струн описать процесс аннигиляции темной материи (встреча двух частиц темной материи с последующим их превращением в другие частицы). И далее регистрировать гамма излучение с энергией 500 ГэВ (гигаэлектровольт), которое гипотетически должно появляться при аннигиляции. Задача регистрации следов аннигиляции темной материи косвенно бы подтвердила ее существование. Но последние эксперименты (например, изучение гамма-излучения 495 галактик телескопом Ферми в течение 8 лет) не обнаружили следов аннигиляции. Стоит отметить, что телескоп работал в диапазоне энергий от 502 МэВ до 251 ГэВ.
Шелдон и Леонард вместе написали статью о том, что пространство можно описать с помощью уравнений для сверхтекучей жидкости. Насколько это приближено к реальности?
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
В современной физике есть 2 больших теории: квантовая механика и общая теория относительности. Первая работает в микромире – на масштабах, сравнимых с размером элементарной частицы. Вторая описывает гравитацию и пространство-время на макромасштабах – космосе. И эти две вещи очень плохо совмещаются между собой. Общая теория относительности считает, что пространство-время является гладким и только большие массы могут его искажать. В квантовой механике наоборот, мельчайшие частицы на микромасштабах постоянно и непредсказуемо флуктуируют.
Единая теория взаимодействия – это теория, которая должна описывать все 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Теория струн является одной из попыток создать подобную теорию. Это актуально, задача построения единой теории взаимодействия решается уже более 100 лет.
Суть работы Шелдона и Леонарда в том, чтобы представить пространство-время, как движение жидкости с нулевой вязкостью (сверхтекучей жидкости). Сверхтекучесть гелия при температурах менее 2 Кельвинов (менее 271 градуса по Цельсию) была открыта в 1938 году советским физиком П.Л. Капицей. Сверхтекучей является жидкость, которая может протекать бесконечно без потери энергии. Сложность в том, что для передачи энергии требуется среда – звуковые волны перемещаются в воздухе, тепло перемещается через металлы и другие вещества. А электромагнитные волны двигаются в пустом пространстве, что вызывает вопросы. Это и послужило предпосылкой для создания этой теории около полувека назад.
Шелдон презрительно относится к инженерии и инженерам, называя инженеров «благородные многоквалифицированые рабочие» и «умпа-лумпы науки». Что, на ваш взгляд, сложнее – инженерия или фундаментальная/прикладная наука?
Кадр из сериала «Теория большого взрыва», канала CBS TV
Сложно и то, и другое. Просто характер решаемых проблем разный. Конечно же, инженер не разбирается в деталях всех вариантов теории струн, а физик-теоретик во всем технологическом цикле производства самолетов. Фундаментальная наука ищет новые знания, а инженерное дело применяет на практике научные знания. Сейчас инженеры и физики часто идут бок о бок в современных научных проектах: большой адронный коллайдер, детекторы гравитационных волн, разработка космических аппаратов. Физики и инженеры совместно разрабатывают, создают новые приборы и работают на них.
(Прим. ред: «Шелдон, ты невозможен!» - реплика из диалога в фильме).
Пройдите тест: а преданный ли ты фанат «Теории большого взрыва»?