Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
Посткоронавирусный социальный синдром: регулируемый капитализм и кризис дем...
В статье изложены представления автора о том, какими будут социально-экономическ...
№06
(374)
23.05.2020
Наука и техника
КАК ВОЗНИК И УСТРОЕН НАШ МИР. Современная физика о происхождении Вселенной. Часть 1.
(№15 [195] 20.10.2009)
Автор: Игорь Копытин
Игорь  Копытин
В данной работе мы постараемся ответить на часто задаваемые вопросы. Среди них: что это за новая наука – космомикрофизика, какие достижения фундаментальной физики привели к ее возникновению, что такое суперсила и суперсимметричная сила, как они управляла Большим Взрывом, в котором «родилась» наша Вселенная, и ее последующей эволюцией. И еще: что было до Большого Взрыва и есть ли другие Вселенные, что такое «черная материя» и «черная энергия». Наконец, каких открытий, связанных с Большим Взрывом, можно ожидать, когда заработает сверхмощный Большой Адронный Коллайдер (его недавно уже пытались запустить в Европейском центре научных исследований (ЦЕРН)). А именно, возникнет ли в процессе его работы «черная дыра», проглотит ли она Землю и др. Сразу скажем – на почти все перечисленные вопросы пока нет окончательных ответов. Однако в процессе их поиска достигнуты к настоящему времени впечатляющие успехи. Они позволяют надеяться на завершение в ближайшем будущем работы по построению Теории Всего Сущего (ТВС). Именно ТВС, или космомикрофизика, теория XXI века, как надеются, сможет найти искомые ответы и дать мощный толчок дальнейшему развитию естественных наук и техническому прогрессу. Примерно такую же роль сыграла и все еще продолжает играть квантовая механика, наука XX века. О значимости научных результатов, получаемых учеными-космомикрофизиками, свидетельствует факт: за последние 10 лет 4 Нобелевские премии по физике присуждены за исследования именно в этой области.

Часть I. Новая наука – космомикрофизика

«Быть может, эти электроны –
     Миры, где пять материков,
     Искусства, знанья, войны, троны
     И память сорока веков!
     Еще, быть может, каждый атом –
     Вселенная, где сто планет;
     Там все, что здесь в объеме сжатом,
     Но также то, чего здесь нет»
В. Брюсов


Однажды известного физика Э.Резерфорда спросили, как бы он мог проклассифицировать науки. Ответ был парадоксальным: «Все науки можно разделить на два класса – «физика» и «коллекционирование марок»». На первый взгляд, кажется, что он пошутил. Но, если вдуматься, в этом ответе подчеркивается главное отличие физики от других наук: только физика пытается выяснить изначальную природу изучаемого явления и дать ответ на вопрос, почему оно происходит, добраться до первооснов.
В процессе физических исследований ученые всегда пыталась решить две фундаментальные проблемы. Одна – найти простейшие частицы вещества, из которых все состоит, другая – выявить структуру силы их взаимодействия, которая и управляет всеми физическими процессами. Ученые были убеждены, что такая сила должна существовать, и она универсальна. Об этом свидетельствовал весь исторический опыт изучения известных типов взаимодействий элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.). Сейчас можно сказать, что именно в XX веке оба направления исследований оказались исключительно успешными. Синтез полученных в них результатов и привел к новой науке – космомикрофизике (иначе – квантовая космология).

В 80-х годах прошлого века успехи фундаментальной физики были настолько впечатляющими, что именно тогда возникло первое название новой науки – «Теория Всего Сущего» (ТВС). Как это нередко бывает, впоследствии выяснилось, что исследования еще завершать рано, есть серьезные трудности, требующее преодоления, есть и альтернативные теоретические схемы, а название ТВС преждевременно. Его заменили на менее претенциозное – космомикрофизика, а в последнее время и названием – «квантовая космология».
В названии «космомикрофизика» сошлись, казалось бы, два совершенно несовместимых понятия. С одной стороны, со словом «микро» связан микромир. Это мир молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц. В нем действуют законы квантовой, неклассической, механики, и расстояния между частицами измеряются миллиардными долями метра и еще меньше. С другой стороны, слово «космо» подразумевает космические объекты – звезды, созвездия, галактики, наконец, всю Вселенную. Эти объекты управляются законами классической механики, и речь уже идет о гигантских расстояниях космического порядка. Так почему же они оказались объединенными в одном названии? Чтобы это понять, кратко рассмотрим главные достижения фундаментальной физики в решении двух указанных выше проблем.

КВАРКИ И ЛЕПТОНЫ


Начнем с первой – поиск простейших составляющих вещества. Слово «простейший» подразумевает отсутствие внутренней структуры. Сейчас установлено, что таковыми являются 6 лептонов (электрон, мю-мезон, тау-лептон и 3 типа нейтрино – электронное, мюонное и тау-лептонное) и 6 типов кварков. Лептоны были известны давно. Электрон был открыт еще в 1897 г., мю-мезон – в 1937 г. и лишь тау-лептон, который оказался совсем не легким – его вес почти в 2 раза превышает вес протона, в 1975 г. (лептон от слова «легкий»). Предположение о существовании кварков было высказано только в 1963 г. (М.Гелл-Манн и Г.Цвейг). Сейчас нет сомнения, что все сильно взаимодействующие элементарные частицы (так называемые адроны, их множество) состоят из кварков. Однако, чтобы это доказать, потребовалось около двух десятилетий интенсивных исследований, как теоретических, так и экспериментальных. Например, протоны и нейтроны, основа вещества (из них состоит атомное ядро), содержат по 3 кварка, пи-мезоны – по два, и т.д. С помощью кварков удалось упорядочить обширный мир адронов, построив для элементарных частиц аналог таблицы химических элементов Д.Менделеева, и описать все их свойства. За разработку идеи о кварках М.Гелл-Манну была присуждена в 1969 г. Нобелевская премия по физике.
Открытие кварков можно считать одним из главных достижений физики XX века. Но это же открытие привело к проблеме – почему кварки оказались не наблюдаемыми? Действительно, увидеть кварк в свободном состоянии и измерить его характеристики не удалось, несмотря на все усилия экспериментаторов. Все доказательства существования кварков косвенные. Теоретики предположили, что это есть следствие особого способа взаимодействия кварков друг с другом. Если для всех известных типов взаимодействий с ростом расстояния между частицами силы убывают (пример – сила взаимодействия двух заряженных частиц), то для кварков сила взаимодействия неограниченно растет. Поэтому и не удается вырвать кварк из состава элементарной частицы и получить его в свободном состоянии. Есть и другие необычные свойства кварков, например, у них дробные электрические заряды. Этого у элементарных частиц никогда раньше не наблюдалось.

Сделаем небольшой исторический экскурс. В I веке до нашей эры Лукрецием была написана поэма «О природе вещей». В ней в стихотворной форме были представлены на тот момент знания древних греков о природе. Обсуждаются также и вопросы, связанные со структурой вещества, и его простейшие составляющие. Процитируем в вольном переводе ту часть поэмы, в которой речь идет о дроблении вещества с целью поиска простейших составляющих.
«…Но, несомненно, предел раздробленью известный положен…»
     «…Начала вещей в существе своем просты и плотны…»
     «…Предположим, например, что тела изначальные будут
      Три или несколько больше частей заключать наименьших…»
     «…Если … части у данного тела
      Переставлять или снизу вверх, или слева направо,
      То обнаружишь тогда, сочетания все их исчерпав,
      Все изменения форм, что для данного тела возможны…»
     «…Так как самим по себе им быть невозможно, то, значит,
      Держатся вместе они, и ничто их не может расторгнуть…»


Удивительно, но в этих цитатах собраны вместе современные представления о кварках. Действительно, их всего шесть, а первоначально было достаточно трех («три или несколько больше частей»). Перебирая различные сочетания этих кварков по два или по три, можно получить все известные элементарные частицы и описать их физические свойства (смотри предпоследнее четверостишие). И, наконец, самое удивительное свойство кварков – их нельзя разорвать, т.е. вырвать отдельный кварк из состава элементарной частицы, например, из протона, и получить его в свободном состоянии (смотри последние две строки). Откуда все это знали древние ученые? Возникает предположение, что в истории Земли до нашей существовали и другие высокоразвитые цивилизации, знания которых о природе в какой-то мере перешли и к древним грекам. На этот счет есть много других свидетельств из разных наук, это только одно из них – из физики, но это отдельная тема для обсуждения.

СУПЕРСИЛА


Необычное поведение силы взаимодействия кварков друг с другом надо было объяснять, опираясь на известные законы физики. Именно в этом и есть суть подхода физиков к решению проблем: мало сделать предположение о неограниченном росте притяжения кварков друг к другу с увеличением расстояния между ними, надо ответить и на вопрос, а почему так? И здесь мы переходим ко второй проблеме. Она относится уже к физике фундаментальных взаимодействий, – построению и выявлению свойств универсальной силы, действующей между простейшими составляющими вещества, т.е. суперсилы.
Вся история физики свидетельствует о попытках унифицировать известные силы, действующие в природе. Идея универсальности законов природы обсуждалась уже в XI веке в трудах среднеазиатского ученого Аль-Бируни. Первые практические шаги сделал Ньютон (XVII век), унифицировав тяготение. Он доказал, что сила, заставляющая на Земле падать предметы, и сила, удерживающая Землю на солнечной орбите, едины. Следующий этап унификации через полтора века после Ньютона осуществили Ампер и Фарадей. Они связали явление магнетизма с движением электрических зарядов, после чего электрическая и магнитная силы стали единой силой – электромагнитной. Этот этап в XIX веке завершил Максвелл, записав свои знаменитые уравнения и построив теорию электромагнетизма. Она стала основой единого описания физических явлений, обусловленных электромагнитным взаимодействием. Из его теории вытекала возможность существования и электромагнитных волн, которые тогда еще не были известны.
В начале XX века казалось, что двух сил – электромагнитной и гравитационной, достаточно для объяснения всего, что мы на тот момент знали о природе. Тогда же Эйнштейн попытался их также унифицировать как проявление единой силы и обобщить уравнение Максвелла включением в них еще и гравитации. На это он потратил 35 лет жизни, но решить эту задачу так и не смог. К тому же в 30-х годах XX века пришлось ввести два новых типа взаимодействия – сильное и слабое. Первое потребовалось, чтобы объяснить свойства атомных ядер и элементарных частиц, для этого только электромагнитного взаимодействия оказалось недостаточно. Второе – чтобы описать нестабильность подавляющего числа элементарных частиц. Как выяснилось, многие из них «живут» лишь ограниченное время и распадаются с появлением других частиц. Примером может быть нейтрон в свободном состоянии, который в среднем за 15 мин. распадается на три частицы – протон, электрон и антинейтрино. Все это означает, что схема построения единой силы должна включать также сильную и слабую компоненты. И такая задача в конце XX века была решена!
При построении суперсилы исходят из современного представления о том, как осуществляется взаимодействие элементарных частиц. Считается, что когда две элементарные частицы взаимодействуют, то они обмениваются третьей частицей – переносчиком взаимодействия. При этом одна частица испускает переносчика данного типа взаимодействия (он может быть и не один!), другая его поглощает. Переносчик обладает своими физическими характеристиками, поэтому в процессе взаимодействия от одной частицы к другой переносятся не только энергия и импульс, но и другие физические характеристики, например, электрический заряд. В результате изменяются начальные характеристики исходных частиц, а это и означает, что произошел акт их взаимодействия. Впервые такая схема была разработана в квантовой электродинамике для электромагнитного взаимодействия (в этой науке изучается взаимодействие электронов и фотонов). В этом случае его переносчиком является фотон, квант электромагнитного поля, частица, не имеющая массы покоя и заряда. Однако до построения суперсилы точный вид сильного взаимодействия кварков, структура слабого взаимодействия, а также их переносчики, известны не были.
Не вдаваясь в подробности, просто назовем два исходных принципа, которые позволили продвинуться в решении задачи о суперсиле. Первый, который и раньше использовался в теоретических построениях, – это релятивизм. Многие слышали про теорию относительности Эйнштейна. Принцип требует, чтобы новая теория разрабатывалась в соответствии с ней. И второй, новый, – это принцип локальной калибровочной симметрии. Согласно ему в природе есть скрытые, ненаблюдаемые простым глазом, калибровочные симметрии. Пример из теории электричества: в электрическом поле заряд из одной точки в другую можно переносить по любому пути, однако работа по его переносу будет одна и та же. Она будет определяться только разностью электрических потенциалов этих двух точек. Последнее и означает, что абсолютная величина электрического потенциала в данной точке электрического поля (его «калибровка») никакой роли не играет. При совершении работы важна только разность потенциалов двух точек, а не конкретные значения этих потенциалов в каждой отдельной точке, лишь бы у них была общая точка отсчета.

За каждый тип калибровочной симметрии отвечает тот или иной тип взаимодействия. Угадал симметрию – получил вид соответствующей силы. Именно этот принцип позволил осуществить прорыв в получении суперсилы, включающей в себя все силы, известные в мире элементарных частиц, – электромагнитную, слабую и сильную.
Чтобы подчеркнуть мощь указанных принципов, помечтаем. Если бы они, скажем, были известны ученым в начале XVIII века, то все известные свойства электромагнитного взаимодействия могли бы быть тогда же получены теоретически. Это означает, что не потребовался бы почти трехвековой период экспериментального изучения законов электромагнетизма, знание которых составило основу технического прогресса в XX веке. Иными словами, этот технический прогресс мог бы быть осуществлен на два-три века раньше и вывел бы нашу цивилизацию уже тогда на современный уровень.

Рассмотрим теперь основные этапы построения суперсилы. На первом этапе были объединены электромагнитное и слабое взаимодействие в единую силу – электрослабую (С.Вайнберг, А.Салам и Ш.Глэшоу, 1967 г.). Была получена структура электрослабого поля и определены переносчики этого взаимодействия. Оказалось, что это уже известный фотон и еще три новые массивные частицы (каждая почти в 100 раз тяжелее протона). Когда лептоны взаимодействуют, обмениваясь тяжелыми переносчиками, они меняют свою индивидуальность. Например, вместо электрона может появиться мю-мезон и наоборот и т.д. Тоже происходит и с кварками.- один тип кварка заменяется на другой.
В 1973 г. в подтверждение предсказаний этой теории был осуществлен очень сложный эксперимент и зафиксировано рассеяние нейтрино на электроне. Такое явление было возможно только при участии одного из новых массивных переносчиков. Позже в 1983 г. в эксперименте напрямую были получены все массивные переносчики электрослабой силы и измерены их характеристики. Они оказались в хорошем согласии с предсказанными теоретически. Кроме того, что очень важно для теории, попутно замена электромагнитной силы на электрослабую позволила устранить в квантовой электродинамике серьезные трудности, имевшие принципиальный характер. Раньше в этой теории при расчете некоторых величин получались бесконечные значения, в новой, модифицированной теории их не осталось.
Все эти успехи означали, что новые принципы работают! В 1979 г. указанным выше ученым-первооткрывателям была присуждена Нобелевская премия. Впоследствии Нобелевские премии были присуждены еще трем группам ученых, внесшим заметный вклад в развитие нового подхода. Это были в 1984 г. К.Руббиа и С.Ван дер Меер (за решающий вклад в экспериментальный проект по открытию переносчиков электрослабого взаимодействия), в 1999 г. Г.Хофт и М.Вельтман (за объяснение квантовой структуры электрослабого взаимодействия) и совсем недавно в 2008 г. И.Намбу, М.Кобаяши и Т.Маскава (за работы по нарушению симметрии электрослабого взаимодействия). Такое наивысшее признание научных заслуг свидетельствует об исключительной важности сделанного прорыва в наших представлениях о фундаментальных силах, действующих в природе.
Эти же принципы доказали свою действенность и при построении теории сильного взаимодействия кварков. Как уже говорилось, необходимо было объяснить его необычные свойства, в частности, неограниченный рост силы взаимодействия с увеличением расстояния между двумя кварками. Усилиями многих ученых эта проблема была решена. Оказалось, что в сильном взаимодействии участвуют 8 переносчиков, названных глюонами (от английского слова «глю» - «клей»; подразумевается, что глюоны «склеивают» кварки друг с другом). И структура сильного взаимодействия оказалось гораздо сложнее, чем, скажем, электромагнитного. В последнем переносчиком взаимодействия является фотон, а в сильном переносчиков восемь. При этом существенно, что глюоны сильно взаимодействуют не только с кварками, но и друг с другом (у фотонов этого практически нет). Именно данное обстоятельство и объясняет рост силы взаимодействия кварков с увеличением расстояния.

Была развита новая теория – квантовая хромодинамика, аналог квантовой электродинамики, но только для сильно взаимодействующих частиц – адронов. Она оказалась успешной в объяснении свойств элементарных частиц и реакций с их участием. За разработку этой теории Д.Гросс, Д.Политцер и Ф.Вильчек стали в 2004 г. Нобелевскими лауреатами. Квантовая хромодинамика оказалась успешной и в объяснении свойств ядерного взаимодействия (исторически так в ядерной физике было принято называть сильное взаимодействие нуклонов – протонов и нейтронов). Так, в 2007 г. впервые было показано, как 6 кварков по мере их удаления друг от друга разделяются на две группы по 3 кварка и из взаимодействия кварков формируется взаимодействие уже двух нуклонов (в каждом по 3 кварка). Это означает, что из первопринципов удается вывести потенциал ядерного взаимодействия, действующего между нуклонами в атомном ядре. Такая задача безуспешно решалась в течение многих десятилетий, только сейчас оказалось возможным ее решить.
Успехи теорий электрослабого и сильного взаимодействий стимулировали дальнейшие поиски теперь уже единой силы – суперсилы. Необходимо было угадать соответствующую калибровочную симметрию. Она была найдена и объединила уже известные по отдельности калибровочные симметрии электрослабого и сильного взаимодействий. На ее основе была построена Теория Великого Объединения (сокращенно – ТВО). Приведем главные результаты.
Переносчиков суперсилы оказалось 24. Среди них 12 уже известных (4 переносчика электрослабого взаимодействия и 8 глюонов) и 12 новых с дробными электрическими зарядами. Эти новые частицы оказались чрезвычайно массивными – их масса в 1014 раз (единица с четырнадцатью нулями!) превышает массу протона. Благодаря обмену такими переносчиками суперсилы теперь уже кварк может превратиться в лептон и наоборот. С обычными силами такой процесс был категорически невозможен, только суперсила оказалась способной его осуществить. Однако, чтобы его стимулировать, частицы должны сблизиться друг с другом на фантастически малое расстояние – 10-30 м (размер пылинки в сравнении с размером Солнечной системы!). Чтобы частицы оказались на таком расстоянии, их нужно столкнуть с очень большой, даже гигантской, энергией. Для сравнения: ее величина в десять миллиардов раз (1010) должна превышать энергию, запланированную в эксперименте по столкновению протонов в самом мощном ускорителе на Земле – Большом Адроном Коллайдере. Впрочем, и он еще не начал работать.
Нет надежды, что такие гигантские по величине энергии будут когда-либо достигнуты в земных условиях. Как же тогда увидеть действие суперсилы? Тут на помощь может прийти наша Вселенная. Энергии указанного масштаба величины были, когда она взрывалась (об этом у нас подробный разговор будет дальше в части II). Следовательно, можно обратиться к космологии и попытаться поискать доказательства ТВО, выявляя и изучая реликты. Так называют свидетелей физических процессов во Вселенной в далеком прошлом, дошедших до наших дней. Одновременно, опираясь уже на ТВО, можно выяснить, как эволюционировала ранняя Вселенная, какие процессы в ней протекали. Именно этим, наряду с построением суперсилы и выявлением ее свойств, занимается космомикрофизика. В ней микромир и макромир исследуются как единое целое.

И все же есть одно следствие, предсказанное новой теорией, которое, несмотря на все сложности, современная экспериментальная физика смогла проверить. Это возможный распад стабильной основы всего вещества – протона! Протон состоит из 3 кварков, а благодаря действию суперсилы, как отмечалась, один из них может превратиться в лептон. В результате протон исчезнет, а вместо него в конечном итоге появятся фотоны и нейтрино. Если теория верна, то рано или поздно все вещество, заполняющее Вселенную, из-за действия суперсилы превратится в нейтрино и фотоны. В конечном итоге по этому катастрофическому сценарию во Вселенной не останется вещества, она будет заполнена только нейтринным и электромагнитным излучениями. Правда, предсказываемый теорией период полураспада протона очень большой – примерно 1031 лет. Для сравнения – возраст нашей Вселенной «только» 1,4·1010 лет (14 миллиардов лет, почувствуйте разницу), так что опасаться за нашу цивилизацию по этому поводу не стоит. К тому же обширная международная программа по наблюдению распада протона и экспериментальной проверке еще некоторых других следствий ТВО, реализованная в 80-90-х годах XX века, не дала положительных результатов.

СУПЕРСИММЕТРИЧНАЯ СИЛА


Неудача экспериментальной проверки предсказаний ТВО стимулировала дальнейшие исследования. Она могла быть связана с тем, что суперсила в ТВО была недостаточно симметричной – в ней не было гравитации. В мире элементарных частиц среди других сил гравитационная всегда стояла особняком ввиду малости ее величины, и ею пренебрегали. Это оправдано, так как гравитационное взаимодействие зависит от массы частиц, а у элементарных частиц она мала. Однако изучение на основе суперсилы физических процессов в ранней Вселенной, включая сам факт ее «рождения», чем занимается космомикрофизика, невозможно без учета гравитации. Здесь уже приходится иметь дело с гигантскими массами, и гравитационная сила выходит на первый план.
Включение гравитации в общую теоретическую схему построения суперсилы оказалось очень трудной задачей, окончательно она пока не решена. Гравитация – особая сила, существенно отличающаяся от других сил, действующих в природе. Все прочие силы оказывают физическое воздействие на тела, распространяясь в пространстве и времени. Гравитация же, по Эйнштейну, это само пространство и время. Если для электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий удалось построить квантовую теорию, выявив их переносчиков, то построить квантовую теорию гравитации не удалось. Оказалось, что введение гравитационного поля и его кванта – гравитона, подобно тому, как это делалось для других полей, приводит в расчетах к расходимостям, т.е. к бесконечно большим величинам.
Возникла мысль: может быть неудачи ТВО и квантовой теории гравитации обусловлены неполной симметрией использовавшихся в этих теориях сил? В ТВО – это суперсила без гравитации, а в квантовой теории гравитации – гравитационная сила без учета других типов сил. Вспомним, что аналогичная ситуация уже была, мы о ней говорили выше. Так, в квантовой электродинамике тоже были принципиальные трудности с бесконечностями, которые удалось устранить, только заменив электромагнитную силу более симметричной электрослабой.
В работах по теоретическому построению суперсимметричной силы сейчас участвует много выдающихся ученых, физиков и математиков, это передний фронт фундаментальных исследований в физике. Есть и успехи, и неудачи. Выяснилось, что могут быть различные варианты построения суперсимметричной силы, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. В зависимости от способа построения эта сила будет обладать различными свойствами, а в приложении к проблеме возникновения Вселенной приводить к тем или иным вариациям в ее эволюции. Одна из задач космомикрофизики – выбрать из этих вариантов тот, который наиболее адекватен реальности.
Уже ясно, что структура суперсимметричной силы очень сложная. Например, в одном из вариантов теории получается 163 переносчика этой силы. Для одной только гравитационной компоненты этой силы в данной теории есть восемь переносчиков, включая гравитон. Возникает вопрос, а есть ли среди всех 163 частиц известные нам кварки, лептоны и 24 переносчика суперсилы в ТВО? Пока это не ясно. Если их там нет, то все эти частицы уже нельзя будет считать бесструктурными, как это было в ТВО, и следует переходить на новый структурный уровень наших представлений о строении элементарных частиц. Например, можно будет говорить о внутренней структуре кварков и лептонов. Если они там есть, то в наших руках будет единая теория природы, которая включает не только все простейшие частицы вещества, но и все частицы-переносчики взаимодействия, объединяя тем самым все типы сил. Получается, что весь мир до и на стадии «рождения» Вселенной, при последующей ее эволюции управляется единой суперсимметричной силой, объединяющей свойства электромагнитной, сильной, слабой и гравитационной сил. Возникает единое описание взаимодействий и вещества в природе. Это и есть «Теория Всего Сущего». Однако такая теория в варианте, удовлетворяющем всем требованиям ученых, пока не построена. В заключение отметим, что в теперешнем нашем мире, относительно холодном, суперсимметричная сила распалась на 4 упоминавшихся взаимодействия, и мы в природе по отдельности наблюдаем проявления их силы.

СУПЕРСТРУНЫ


Представленный выше подход к построению суперсилы (смотри раздел «СУПЕРСИЛА») составляет суть так называемой Стандартной Модели, а Теория Великого Объединения – один из возможных ее вариантов. Стандартная Модель наиболее успешна в своих предсказаниях, но все же не может быть без гравитации окончательной теорией. К тому же в ней не определяется, а берется как данный, исходный набор фундаментальных частиц и их взаимодействий. А почему они такие, а не какие-нибудь другие (опять вопрос, типичный для физического подхода)? Только последовательная квантовая теория гравитации, соединяющая принципы квантовой теории поля и суперсимметрии, может претендовать на роль единой теории взаимодействий. Возможно, удастся решить такую проблему в теории суперструн, которая начала разрабатываться в 90-х годах XX в.
Известны фундаментальные константы физики – постоянная Планка (основа квантовой механики), скорость света в вакууме (основа релятивистской физики) и гравитационная постоянная (определяет силу гравитации во Всемирном законе тяготения). Из них можно составить другие константы с размерностью энергии, длины и времени. Они носят название планковских (от фамилии знаменитого физика М.Планка). Так, например, планковская энергия в 1015 раз превышает энергию, которая будет достигнута в Большом Адроном Коллайдере при столкновении протонов, планковская длина – это 10-33 см, планковское время – 10-43 сек. Конечно, приведенные величины очень трудно воспринимать нашим «макроскопическим» сознанием. Их даже не с чем сравнить – это либо невообразимо малые величины (планковские длина и время), либо невообразимо большие (планковская энергия). В мире вокруг нас совсем другие масштабы. Воспринимайте указанные величины просто как некоторые точки отсчета в том мире, где все по-другому. Считается, что планковские константы исключительно важны на этапе «рождения» нашей Вселенной. Они же играют существенную роль и в теории суперструн.

Суперструна – это объект с линейными размерами порядка планковской длины. При энергиях, меньших планковской, поведение струн ничем не отличается от поведения бесструктурных частиц в суперсимметричной квантовой теории поля. Однако при энергиях, больших планковской, будет проявляться струнная природа частиц. Струны начнут вибрировать, и для каждой конкретной частицы – кварка, лептона, переносчика взаимодействия, будет свой тип колебаний. Между типом колебаний струны и откликом конкретной частицы на действие гравитационной силы будет связь, так как частота колебания струны задает ее энергию и тем самым массу (по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2, где c – скорость света, энергия связана с массой). Именно масса и определяет величину силы гравитации.
Не первый раз мы используем формулу А.Эйнштейна. Отвлечемся на короткое время от серьезных рассуждений и расскажем, как А.Эйнштейн ее открыл. Говорят, что он стал у доски и написал мелом: E=ma2. Посмотрел. Нет, не то. Зачеркнул. Снова написал: E=mb2. Опять не то. Зачеркнул. Снова написал: E=mc2 . Вот это да! Наконец-то, что надо. Так и родилась эта формула. Вы поняли, конечно, что это шутка, просто перебирались буквы латинского алфавита. Хорошо, что буква c в нем была только третьей.
Электрический заряд, константы взаимодействий также будут определяться типом колебаний струны. В этой теории кварки, электроны и другие лептоны, фотоны, глюоны и другие переносчики взаимодействий будут представлять лишь разные варианты колебаний совершенно одинаковых струн. Колеблющиеся струны – это один и тот же материал, из которого состоит вещество и переносчики взаимодействий. Иными словами, в этой теории утверждается, что исследование структуры фундаментальных частиц с намного более высокой точностью, чем это можно сделать сейчас, показало бы их струнную природу. Их уже нельзя было бы считать бесструктурными точечными объектами, как в настоящее время.
Продолжим. В теории суперструн предполагается, что движение струн происходит в десятимерном пространстве, содержащем 9 пространственных координат и одну временную. При энергиях, меньших планковской, 6 пространственных координат «свертываются» до очень маленьких размеров, а 4 остаются. От того, какие конкретно координаты остаются не свернутыми, как движутся суперструны в свернутых пространствах, зависят типы колебаний струн и, следовательно, массы и другие характеристики фундаментальных частиц и взаимодействий. Как следствие, свойства Вселенной должны определяться размерами и формой дополнительных измерений, которые свернулись. Соответственно может быть много различных Вселенных, отличающихся друг от друга набором и фундаментальных частиц, и фундаментальных взаимодействий.

Наша Вселенная лишь одна из возможных. Согласно этой теории множество таких Вселенных представляет собой как бы «пену» из раздувающихся и взаимопроникающих друг в друга «пузырей». Так как в каждой Вселенной свой набор фундаментальных взаимодействий и частиц, отличный от других, Вселенные не «ощущают» друг друга. Единственное, что их объединяет, это гравитация, через которую и можно как бы «почувствовать» присутствие других Вселенных. К этому вопросу мы еще вернемся в главе II. Отметим еще, что обсуждаемую в главе II инфляцию, т.е быстрое увеличение размеров Вселенной, можно связать со сворачиванием 6 пространственных и соответствующим быстрым ростом трех оставшихся измерений.
Опять пофантазируем. Если перед вами появилось что-то эфемерное, какое-то «приведение» или даже НЛО, не исключено, что это «посланец» другой Вселенной, сосуществующей с нашей. Возможно, произошел какой-то самопроизвольный процесс (в физике его называют флуктуацией), и вам посчастливилось увидеть его результат. Это не художественная фантастика, такие «фантомы» действительно могут быть оправданы современными научными построениями. Правда, окончательных результатов пока нет, и, в самом деле, все это может оказаться только фантазией.
В теории суперструн есть уравнения, определяющие, как должны сворачиваться пространственные измерения, какую геометрическую форму они будут иметь в свернутом виде, что, наконец, будет представлять собой многообразие из 6 свернутых пространств. От этого и будет в конечном итоге зависеть структура конкретной Вселенной в «пене» из них.
Теория струн еще окончательно не сформировалась. Истинна ли эта теория? Пока этого никто не знает, а потому поиск альтернативных гипотез продолжается. В этом и в предыдущих разделах мы привели не конечные результаты, а лишь продемонстрировали размах и оригинальность подходов в фундаментальных исследованиях данной направленности.

Продолжение следует
______________________________
© Копытин Игорь Васильевич
Мир в фотографиях из социальных сетей и фото наших авторов
Фотографии из социальных сетей периода публикаций в апреле-мае 2020 года и фото наших авторов.
Девять мер красоты. Путевой очерк
Очерк о поездке автора из Мельбурна через родной город Одессу в Израиль. Автор делится своими впечатлениями от...
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum