Постнеклассические теории микромира.
С открытием электрона в физике начался этап выявления элементарных частиц. Речь идет о таких объектах, размеры и масса которых значительно меньше соответствующих параметров атома. В мире элементарных частиц царит превращаемость, она объясняется наличием четырех типов взаимодействий. Если суть электромагнитного взаимодействия раскрыла электродинамика, то гравитация объяснена ОТО. Слабое взаимодействие управляет распадом тяжелых частиц на более легкие. Первым был обнаружен распад нейтрона в атомном ядре, а затем процессы столкновения нейтрино с веществом. Группу слабовзаимодействующих частиц назвали лептонами (греч. leptos – легкий). По своей массе они близки к электрону, это: электрон, позитрон, нейтрино, мюон и их античастицы.
В сильном взаимодействии участвуют кварки, образуя поле, квантами которого выступают особые частицы – глюоны (англ. glue – клей). Последние, являясь безмассовыми частицами, переносят значительную энергию и тем самым как бы «склеивают» кварки между собой. Теорией этого процесса стала квантовая хромодинамика. Согласно ей, глюоны несут кварковый заряд – «цвет», который порождает новые глюоны, те порождают следующие и так далее. Посредством такого «саморазмножения» глюонное воздействие возрастает при удалении от связанного с ним кварка. Если какие-то силы пытаются развести кварки в стороны, то сразу же возрастают стягивающие их скрепы. Глюоны действуют на кварки подобно сверхмощной пружине. Парадокс состоит в том, что кварки свободны глубоко внутри элементарных частиц и несвободны на их периферии. У физиков есть выражение: «центральная свобода и периферическое рабство кварков».
Четыре типа взаимодействий охватывают всю физическую материю. Гравитационные силы определяют структуру мегамира, скрепляя планеты, звезды и их совокупности в единую Вселенную. Электромагнитные силы связывают атомы и молекулы, определяя облик нашего макромира. Слабые взаимодействия регулируют процессы распада тяжелых частиц в легкие. Сильные взаимодействия обеспечивают связь атомных ядер и их компонентов. Предполагается, что с гравитационным взаимодействием связана частица – гравитон, пока не получившая экспериментального подтверждения. Самой слабой по интенсивности является гравитация, электромагнитное отталкивание сильнее ее в 1042 раз, зато сильное взаимодействие в тысячу раз сильнее электромагнитизма.
Тип взаимодействия | Переносчик взаимодействия | Масса частицы | Граница действия | интенсивность |
Сильное | Глюон | <10-18 | 1080 | |
Электромагнитное | Фотон | ∞ | 10-2 | |
Слабое | Калибровочные бозоны | 86,97 | 10-15 | 10-10 |
Гравитация | Гравитон | 10-13 +1013 | 10-40 |
Существует ли у четырех типов взаимодействия единство?Физики уверены в положительном ответе, так как вся история физики является поиском и обнаружением единой закономерности природы. Истоки общей теории взаимодействий связаны с Максвеллом, который объединил электрическое и магнитное поля. Затем Эйнштейн попытался связать электромагнетизм с гравитацией, но это ему не удалось.
Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. Успеха добились в конце 1960-х и начале 1970-х гг. американские физики С. Вайнберг, Ш. Л. Глэшоу и пакистанский ученый А. Салам. В качестве основы они взяли квантовую теорию поля. Взаимодействие передается квантами, находящимися в четырех различных состояниях. Одно состояние занимает фотон как безмассовая частица, три других представляют кванты с большой массой (в 100 раз больше массы протона). Математическим стержнем здесь является теория калибровочного поля, где переходы в особом пространстве ведут к изменению масштаба линейки (калибра), что сводится к изменению размеров тел. Все калибровочные поля распространяются со скоростью света. Три исследователя предположили связь 12 компонентов полного калибровочного поля (16 компонентов) с неким полем Хиггса, состоящим из четырех векторных полей. В результате кванты трех полей становятся тяжелыми, радиус действия сил укорачивается и получается слабое взаимодействие. Четвертое калибровочное поле (4 компонента), избежавшее связи с хиггсовым полем, рассматривается как электромагнитное. Эксперименты подтвердили теорию электрослабого взаимодействия.
«Великое объединение» – создание общей теории электрослабого и сильного взаимодействий. Здесь методом поиска единства стала теория симметрии. Установлено, что каждому типу симметрии соответствует определенный квант, связанный с семейством элементарных частиц. Но у искомого кванта компонентов весьма много и симметрия должна быть очень сложной. Найденная симметрия легла в основу теоретической гипотезы, которая предсказала наличие частиц-переносчиков взаимодействий между лептонами и кварками с очень большой массой (в 100 триллионов раз больше массы протона). Для этого требуется огромная энергия, недоступная современным ускорителям частиц. Но существует косвенный путь поиска. Сверхтяжелые кванты рождаются где-то в недрах нуклонов и мезонов. Взаимодействуя с таким квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, ибо смесь лептонов и кварков стабильно существовать не может. Стало быть, надо искать радиоактивный распад протона, который и будет подтверждением теории «великого объединения». Сложные опыты проводятся и есть проблески обнадеживающих результатов. В математическом плане эта теория также использует многокомпонентное калибровочное поле.
«Сверхвеликое (супер) объединение».Здесь представлены все четыре типа взаимодействия, включая гравитацию. Теория учитывает, что фермионы (протоны, нейтроны, лептоны, кварки} и бозоны (мезоны и резонансы) отличаются своим спином. Предполагается, что у каждого бозона есть партнер – фермион, а у фермиона – бозон. При их перестановке физические законы остаются неизменными, инвариантными (фр. invariant – неизменный). Всеобъемлющее объединение частиц и полей происходит в областях порядка 10-33см. Данная теоретическая гипотеза предсказывает необычное гравитационное поле. Его квантами-переносчиками служат гипотетические гравитино-фермионные партнеры бозонных гравитонов. Если последний является безмассовой частицей, то гравитино весит в 100 раз больше протона.
Противоречие между дискретностностью квантовой теории и непрерывностностью общей теории относительности есть ключевая проблема объединения. Теорией, которая связала электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, стала квантовая теория поля. С ней нужно синтезировать общую теорию относительности, раскрывающую суть гравитации. Идейные основы этих двух теорий противоположны. Если квантовая механика описывает дискретные флуктуации микромира, то ОТО подчеркивает гладкую и непрерывную кривизну пространства-времени. При простом соединении двух теорий расчеты дают переменным бесконечные значения, что является нелепостью. Вот почему противостояние порядка ОТО и хаоса квантовой пены было оценено в качестве проблемы, где решение сводится к органичному синтезу.
Возможное решение подсказывают античные пифагорейцы.Стандартная модель представляет элементарные частицы в виде точечных образований, лишенных какой-либо внутренней структуры. Возможен ли отказ от такого образа? Положительный ответ пришел не сразу. В 1968 г. молодой итальянский физик Г. Венециано догадался о том, что одна «бета-функция Эйлера» способна описать почти все свойства частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Математическая формула стала эффективно работать, но никто не понимал почему. Объяснение дали Н. Нильсен (Дания), Й. Намбу и Л. Сасскинд (США) в 1970 г. Оказалось, что функция Эйлера выражает поведение одномерных колеблющихся струн. Эти струны, имеющие форму петли, так малы (в 1020 раз они меньше размера атомного ядра), что уже в слабом пределе совпадают с точечными частицами. Модель струны напоминает идеи пифагорейцев, учивших о скрытой гармоничной музыке, звучащей в космосе. Но различия здесь весьма существенные, ибо речь идет о самой современной математической физике.
Струнная стратегия обещает объяснить все четыре взаимодействия. Пионеров струнного направления смущала явная избыточность новых уравнений. В них укладывались сильные взаимодействия и кроме этого еще оставались потенциальные решения. В 1974г. Дж. Шварц (США) и Дж. Шерк (Франция) обратили кажущийся недостаток в большое достоинство: дополнительные колебания они приписали гравитону. Соответствующие разработки в течение десяти лет смогли встроить гравитацию в квантовую теорию струн. Тем самым появился первый вариант концепции, охватившей все четыре типа взаимодействия. Когда эйфория прошла, то обнаружились радикальные трудности математики. Формализмы были так сложны, что приходилось искать приближенные решения приближенных уравнений. Нужен был новый математический аппарат.
Перспективна геометрия, где измерений больше трех.В 1919г. польский математик Т. Калуца выдвинул предположение о том, что пространство Вселенной в своих измерениях богаче известных трех. Позднее швед О. Клейн показал, что если три обычных измерения развернуты, то остальные могут пребывать в свернутом состоянии типа тора. Эти соображения были забыты и о них вспомнили в связи с работой над теорией струн. Дополнительные измерения не могли быть свернуты произвольным образом, полученные уравнения существенно ограничивали геометрическую форму. В 1984г. американец Э. Виттен с коллегами указали на конкретный класс шестимерных геометрических объектов: на многообразие Калаби-Яу. Когда струны стали колебаться в девяти пространственных и в одном временном измерениях, в расчетах исчезли отрицательные вероятности как знаки бессмысленности. Такой успех укрепил веру в перспективность нового пути (первая революция).
От ситуации пяти слепцов к мудрости М-теории.К началу 1990-х гг. обнаружилось, что возможны пять различных вариантов теории струн. Так, в теории I рассматриваются замкнутые и открытые струны. В других теориях распространение колебаний происходит по часовой стрелке и против неё, и эти колебания либо идентичны, либо разнятся. Каждая теория давала свои способы свертывания дополнительных измерений. Но оказалось, что речь идет о ситуации притчи со слоном и слепцами, из которой возможен выход. Его указал Э. Виттен в 1995 г.: нужно рассматривать имеющиеся пять теорий как части складывающейся единой концепции. Подобно пяти лучикам они должны образовать целую морскую звезду, то есть единую М-теорию. Ученый предложил расстаться с теорией возмущений, обрекающей на приближенные расчеты. Эффективной заменой стал метод суперсимметрии, позволивший накладывать существенные ограничения на допустимые свойства (дуальность, минимальная масса). Требование дуальности показало, что каждая из пяти теорий берет на себя пару размерностей, но это еще не все. Виттен выяснил, что если увеличить константу связи струны, она из одномерной петли превращается в двумерный тор (баранку). Это означает, что у М-теории вырастает шестой лучик, становящийся схемой 11-мерной супергравитации.
Перспективы развития М-теории. Своими математическими формализмами теория струн предсказала существование частиц-суперпартнеров. И физики смогут проверить это тогда, когда заработает большой адронный ускоритель под Женевой. В современном варианте теории заранее предполагается сложившееся пространство и время, что ограничивает возможность развития. В эпоху эволюции вселенной до Большого взрыва пространства и времени не было или они были радикально другими. Ныне разрабатывается модель мира без пространства и времени, где фигурирует экзотический объект «нуль-брана». Обычная геометрия заменяется здесь некоммутативной геометрией, сконструированной французским математиком А. Конном. Физики полагают, что на пути теории струн их поджидают удивительные открытия.
Особаясложность или неклассичность теорий микромира: отсутствие наглядности.Теоретические отображения взаимодействующих элементарных частиц принципиально сложнее представлений классической физики. Если описания макромира во многом наглядны и сводятся к картинно-модельным упрощениям, то теории микромира ненаглядны, противоречат обыденному опыту и адекватно представлены только математическими формализмами с соответствующими интерпретациями. В классической картине объекты (твердые тела, жидкости, газы) имеют достаточно четкие пространственные границы. Микрообъекты такими пределами не обладают, они «размазаны» в пространстве, представляя собой некое облако взаимодействующих образований. Говорить здесь о какой-то траектории движения бессмысленно.
Диалектика частей и целого. Квантово-полевая теория микромира повлияла на пересмотр традиционных понятий о частях и целом. Опыт макромира сформировал вывод о том, что целое состоит из частей, складываясь из них, и оно всегда по размерам больше и по качествам сложнее любой своей части. Микрофизика подчеркнула относительность различения части и целого. В каких-то параметрах часть может быть больше целого. Пион является частью протона, но его радиус совпадает с радиусом протона. Получается, что часть и целое равны по своим размерам. Более того, согласно принципу «шнуровки» микрообъекты «состоят из других элементарных частиц и самих себя». Так, протон «состоит» из протона и пиона. Микромир убеждает в правильности древней идеи «все во всем». Распад одной частицы нередко ведет за собой длинную цепь взаимопревращений. Таким образом, можно сделать вполне обоснованное заключение – элементарные частицы отнюдь не элементарны.
Задания.
1. Говорит ли факт раздельного пользования линейкой и часами в пользу идеи независимости пространства и времени?
2. Некоторые ученые (Ст. Хокинг и др.) полагают, что СТО сделала время четвертым измерением пространства. Согласны ли вы с этим?
3. Можно ли считать планету Земля конечной и безграничной в пространстве одновременно?
4. «Весь мир в бокале вина» (Омар Хайям). Почему это положение американский физик Р. Фейнман, получивший нобелевскую премию за исследование элементарных частиц, считал созвучным современной физике?
5. «Бог не играет в кости» (А. Эйнштейн). Каков философский смысл этой метафоры ученого?
6. В чем заключается перспективность струнной стратегии?
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 1532;