Единая теория поля

Перспективы описания всего происходящего в природе, на основе одной единственной теории «суперсилы», всегда привлекали к себе внимание специалистов. Физики считают, что осуществление этой мечты вполне возможно и может стать реальностью. Решающий шаг на пути к созданию единой теории поля был сделан в 60-е годы XIX века. В 1865 г. Максвелл создал единую теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления, т.е. он создал теорию электромагнитных волн. Согласно этой теории электромагнитные волны, в вакууме, создавая друг друга, распространяются со скоростью света.

Эйнштейн, в 20-х годах ХХ века, предпринял попытку объединить электромагнитное взаимодействие с гравитационным взаимодействием. Однако это ему не удалось. Во времена Эйнштейна еще не были известны фундаментальные сильные и слабые взаимодействия. На основе квантовой механики и теории электромагнетизма удалось создать квантовую электродинамику (КЭД),обладающую высокой точностью и предсказательной силой. Для трех остальных взаимодействий пока нет аналогичных достижений.

Ученые выяснили, что из четырех взаимодействий, существующих в природе между телами, только электромагнитное обладало свойством перенормируемости. Выяснили, что успехи КЭД имеют отношение к симметрии. Физики убеждены, что симметрия служит ключом к пониманию природы взаимодействий. Они считают, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддержать в природе некий набор симметрий. Например, сфера симметрична, арка собора симметрична, законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные и наоборот, законы механики инвариантны, относительно изменения начала отсчета.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кажутся весьма разными по своей природе, а в действительности оказались двумя разновидностями единого взаимодействия. Американским ученым Стивену Вайнбергу и Шелдону Глешоу, а также пакистанскому ученому Абдусу Саламу в 1967 г. удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействие. Эту теорию они назвали «Теория электрослабого взаимодействия». При распаде нейтрона в слабом взаимодействии участвуют четыре частицы различных типов: нейтрон, протон, электрон и нейтрино. Действия слабых сил приводят к превращению одних частиц в другие, а электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Вайнберг и Салам установили, что для поддержания локальной симметрии необходимы три новых силовых поля, кроме самого электромагнитного поля. Соответственно, должны существовать дополнительно к фотону еще три новых типа частиц – переносчиков слабого взаимодействия, по одному для каждого поля. Эти частицы назвали векторные промежуточные бозоны. Испуская, квант электрослабого поля, электрон превратится в нейтрино, или нейтрино превратится в электрон по схеме: n+ →p+e^-. Нейтрон (n) и нейтрино ( ), сталкиваясь, превращаются в протон (p) и электрон (e^-). В нейтроне d-кварк, испуская виртуальную частицу W^- , превращается в u-кварк, тем самым нейтрон превращается в протон. Нейтрино поглощает частицу W^- и превращается в электрон.

Таким образом, теория предсказала существование трех частиц W^-, W⁺ и Z^o– переносчиков квантов слабого взаимодействия. Здесь английская буква W взята из начальной буквы слова weak – слабый. Кроме того, теория предсказала, что частицы – переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу: m( )=m( )=80ГэВ; m(Z⁰)=90 ГэВ.

В условиях слабого взаимодействия происходит спонтанное нарушение симметрии. Неустойчивое симметричное состояние системы спонтанно переходит в устойчивое состояние, с нарушением симметрии. Это можно наглядно продемонстрировать, используя шарик и мексиканскую шляпу «сомбреро». Шарик находится на вершине шляпы, в центре, симметрично относительно вертикальной оси, но в неустойчивом состоянии. Вдруг шарик с вершины шляпы падает, спонтанно нарушается симметрия системы, но шарик приобретает устойчивое состояние. Устойчивость обусловленанарушением симметрии. Таким образом, Вайенберг и Салам совместили несовместимое – калибровочную симметрию и частицы с ненулевой массой покоя, переносчиками квантов электрослабого поля.

Перенормируемость теории электрослабого поля проверили с помощью компьютерной программы. Расчеты показали, что все расходящиеся бесконечные члены уравнения взаимно сократились. Этот факт свидетельствует о высокой степени симметрии, заложенной в теории электрослабого взаимодействия.

Открытие в 1983 г. предсказанных W^─ , W⁺ и Z^o – частиц означало торжество теории Вайнберга–Глешоу─Салама. За выдающиеся достижения Вайнберг, Глешоу и Салам, в 1979 году, были удостоены Нобелевской премии по физике.

8.8. Теория «Великое объединение»

После блестящего подтверждения на опыте теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения фундаментальных типов взаимодействий. Намечалось объединить с электрослабым сильное взаимодействие. Для этого было необходимо сначала сильному взаимодействию придать черты калибровочного поля. Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк служит источником глюонного поля. Известно, что электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда (е/3, «-»е/3 и 2е/3) с условными названиями, соответственно: красным, зеленым и синим. Красный кварк может превращаться в зеленый или в синий кварк и наоборот.

Создание теории «Великое объединение»взаимодействия рассматривается по тому же сценарию, что и теория электрослабого взаимодействия. Для создания локальной калибровочной симметрии, в каждой точке пространства необходимо введение компенсирующих силовых полей. Расчеты показывают, что требуется восемьновых компенсирующих силовых полей. Частицами – переносчиками этих полей, являются глюоны восьми типов. Кварк, испуская глюон, меняет свой цвет. Например, красный кварк, испустив, красный глюон, изменит свой цвет на синий цвет.

Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии. Глюоны изменяют цвет кварка, а слабое взаимодействие изменяет его аромат.Например, d-кварк испуская W^- - частицу превращается в u-кварк. В протоне три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Цвет кварков меняется с соблюдением следующего правила. В любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой сумму «красный+зеленый+синий». Эту сумму назвали условно «белым цветом», кроме того, сумма цветов кварка и антикварка также «белая». Лептоны лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.

Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД) великолепно объясняет правило комбинации кварков. С точки зрения КХД, сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать симметрию природы. В данном случае - это сохранение белого цвета всех адронов.

Первоначально казалось, что провести экспериментальную проверку существования кварков в адронах нетрудно, т.к. изолированный кварк имеет дробный заряд, и измерить его не составляет трудности. Хотя с тех пор прошло много времени, более 40 лет, однако ученым до сих пор не удалось, при помощи мощных ускорителей «расщепить» адрон, доказать правильность теории кварков. Опыты, проведенные с энергией, многократно превосходящей массы покоя, показали, что протон все равно никак не расщепляется. Казалось бы, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварков. Почему же тогда могут существовать изолированные лептоны, а изолированные кварки - не могут? Дело в том, что лептоны бесцветны, а кварки цветные.

Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя как кусок резины. Появляется ощущение, что кварки внутри адронов скованы цепями. В настоящее время идея удержания кварков получила всеобщее признание. Удалось понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния. Считают, что глюоны, не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг с другом. Английское слово «gluon» означает клей. На самом деле гюоны оказались не клеем, а суперклеем.

Таким образом, с появлением КХД, все фундаментальные взаимодействия, наконец, приобрели, единое описание на основе калибровочных полей. В 1973 г., Глешоу опубликовал теорию, в которой электрослабое взаимодействие сливалось с сильным взаимодействием. Это была первая теория «Великого объединения» (ТВО). Ныне существует несколько ТВО. Все они основаны на одной и той же идее – суперсимметрии. Отыскание суперсимметрии – это задача математиков. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Однако у них есть общая черта: все ТВО считают, что кварки являютсяносителями сильного взаимодействия, а лептоны – электрослабого взаимодействия. Объединение кварков и лептонов в единую теорию было совершено новой идеей – это важный шаг на пути к ТВО.

Суперсимметрия позволяет превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществляет переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях. Как и прежде, с помощью компенсирующих полей, соблюдается калибровочная симметрия. Компенсирующие поля приводят к открытию новых типов полей, обладающих способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте для осуществления ТВО, предложенной Глешоу и связывающей красные, зеленные и синие d-кварки с позитронами и нейтрино воедино требуется двадцать четыре поля. Двенадцать квантов этих полей уже известны: фотон, три частицы промежуточных бозонов (отрицательная, положительная и нейтральная) и восемь гюонов. Остальные двенадцать частиц назвали Х-частицами, их электрический заряд равен е/3 и 4е/3.

Согласно ТВО, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Один из u-кварков испускает Х-частицу и превращается в анти-u-кварк. Из u-кварка и анти-u-кварка образуется мезон (точнее пион). Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и вылетает из протона. Таким образом, происходит распад протона на позитрон и пион: р=π⁰+ е⁺. Отсюда следует, что самая стабильная частица - протон также распадается и следовательно, в этом мире нет нечего вечного: все рождается, функционирует и гибнет. Даже черные дыры неустойчивы и, в конце концов, взрываются, создавая потоки радиации (Стивен Хокинг - США). Приблизительные расчеты показывают, что время жизни протона около 10³¹ лет, а масса Х-частицы примерно равна 10¹⁴ масс протона. Расстояние, которое проходят Х-частицы равно примерно 10^{-29 см}. Масштаб пространства, где господствует ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов. ТВО напоминает Вселенную внутри протона. Согласно ТВО все три типа фундаментальных взаимодействий могут быть сравнимы по величине на расстоянии примерно 10^{-29 см. В этом малом расстоянии электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие, и различие между кварками и лептонами исчезает. Физики называют величину, равную 1014} массой протона, масштабом объединения. Для прямого наблюдения, такого масштаба пришлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему, ускоряющий до энергии 10¹⁴ МДж.. Это очень огромная энергия, она позволяет расщипать протона.