На переднем крае физики микромира

Генеральным направлением в физике микромира яв­ляется установление единой первопричины всех четырех фундаментальных взаимодействий, то есть создание такой теории, в которой все известные сейчас взаимодействия были бы частными случаями одного фундаментального взаимодействия. Известно, что этим вопросом с 1933 г. вплоть до своей смерти (1955) занимался А. Эйнштейн, однако его попытки построить единую теорию поля окон­чились неудачей. Несмотря на это, ученые все чаще обра­щаются к работам Эйнштейна в области единой теории поля, так как они содержат удивительно глубокие мысли, намного опередившие свое время. Например, чрезвычайно плодотворной оказалась идея Эйнштейна о том, что единая теория поля должна формулироваться в терминах много­мерного пространства-времени. И действительно, выводы современной теории суперструн, являющейся одним из вариантов суперобъединения всех фундаментальных взаимодействий, формулируются для десятимерного про­странства— времени.

Первый серьезный успех на пути к единому описанию всех взаимодействий был достигнут в конце 1960-хгг., когда удалось найти согласующийся с опытом вариант тео­рии, объединяющий электромагнитное и слабое взаимо­действия. Авторам этой теории электрослабого взаимо­действия А. Саламу, С. Вайнбергу и Ш. Глэшоу в 1979 г. была присуждена Нобелевская премия.

Следующим шагом стала попытка физиков-теоретиков объединить электрослабое и сильное взаимодействие. Речь идет о так называемом Великом объединении (Grand Unifi­cation), в котором оба названных взаимодействия выступа­ли бы как разные аспекты одного явления. И здесь достиг­нуты впечатляющие результаты, которые, однако, нужда­ются в экспериментальном подтверждении. Например, одним из самых заветных желаний физиков сейчас явля­ется экспериментальное обнаружение с помощью Большого Адронного Коллайдера (БАК) бозонов Хиггса — частиц, вызывающих спонтанное нарушение симметрии Великого объединения, которое и приводит к наблюдае­мым различиям электрослабого и сильного взаимодейст­вия. «Стоимость» удовлетворения этого желания состав­ляет несколько миллиардов долларов.

Другой проблемой на пути экспериментального обос­нования теории Великого объединения является наблю­дение возможного распада протона, который вне рамок этой теории считается абсолютно устойчивым. Дело в том, что главным следствием теории Великого объединения является необходимость существования наряду с глюонами, фотоном и промежуточными бозонами, ответственны­ми за уже известные взаимодействия, новых элементар­ных частиц, испускание или поглощение которых долж­но приводить к прямому превращению кварка в лептон (ведь в теории Великого объединения уже нет принципи­альной разницы между этими частицами). А это значит, что протон должен быть нестабильным в связи с возмож­ностью исчезновения одного или нескольких составляющих его кварков. В частности, протон может распасться на π °-мезон (связанное состояние кварк-антикварк) и по­зитрон е⁺. Распад протона — чрезвычайно маловероятное событие, так что время жизни протона должно превышать 10³¹-10³² лет. Такое время гораздо больше времени суще­ствования Вселенной (~10¹⁰лет), хотя это и не означает, что подобный распад принципиально невозможно обна­ружить.

Что касается «суперобъединения» всех четырех фун­даментальных взаимодействий, то на этом пути делаются только первые шаги. В рамках обычной теории поля, где частицы рассматриваются как точечные, не удается по­строить ни одной удовлетворительной квантовой теории гравитации. В настоящее время большие надежды возла­гаются на теорию суперструн, которая развивается с уди­вительной скоростью, так как все больше и больше физи­ков-теоретиков участвуют в ее разработке. Считается, что эта теория даст возможность изучать взаимодействия между час­тицами на расстояниях, меньших так называемой планковской длины. Этим термином называют расстояние L между двумя заряженными частицами, на котором энер­гия кванта электромагнитного взаимодействия W = hv ста­новится равной энергии гравитационного взаимодействия W_g=Gm²/L. Планковская длина равна 1, 6х10^-35м.

В такой теории частица рассматривается не как точеч­ный объект, а как струна (со свободными концами или замкнутая), колеблющаяся определенным образом в де­сятимерном пространстве-времени.

Итак, универсальная теория, которая появится еще не скоро, должна будет объединить четыре фундаментальных взаимодействия, их симметрии и нарушение последних, приводящее к существованию различных семейств квар­ков и лептонов. При этом исключительно актуальной пред­ставляется задача экспериментального обнаружения час­тиц, предсказываемых суперсимметричными теориями. В то же время следует отдавать отчет в том, что чрезвы­чайно малые длины и очень большие энергии взаимодей­ствия делают эту задачу трудновыполнимой. Вот что име­лось в виду в начале лекции, когда говорилось, что при бла­гоприятных обстоятельствах мы лишь примерно через двести лет сможем непосредственно работать на «планковских» масштабах.