Объединительные теории

Наличие в природе четырех типов фундаментальных взаимодействий, теория которых теснейшим образом взаимосвязана с теориями элементарных частиц, навела ученых на мысль о возможности объединить фундаментальные взаимодействия, рассмотрев их как варианты одного. По-видимому, впервые такая идея пришла в голову А.Эйнштейну, который в конце жизни работал над единой теорией поля, под которой он понимал объединение гравитационного и электромагнитного взаимодействия (гравитационного и электромагнитного поля).

«Последние тридцать лет своей жизни Альберт Эйнштейн провел в неустанном поиске так называемой единой теории поля — теории, которая смогла бы объединить все взаимодействия, существующие в природе, в единую, всеобъемлющую и непротиворечивую систему. Мотив, лежащий в основе его поиска, не был связан напрямую с тем, что мы обычно подразумеваем под научной деятельностью, например, с попыткой объяснить те или иные конкретные экспериментальные данные. Им двигала страстная вера в то, что достигнув глубочайшего понимания мироздания, мы сможем проникнуть в его самую сокровенную тайну — простоту и мощь принципов, лежащих в его основе. Эйнштейн хотел раскрыть устройство Вселенной с доселе неведомой ясностью, заставив нас застыть в благоговейном изумлении перед ее совершенной красотой и элегантностью» - пишет Брайан Грин в своей замечательной книге «Элегантная Вселенная» [61].

С открытием новых видов полей – сильного и слабого задача несколько осложнилась, но не перестала быть столь же привлекательной. Действительно, объединение взаимодействий позволит уменьшить количество независимых сил природы и, следовательно, значительно упростить ее картину. Объединительные теории с неизбежностью должны быть и теориями соответствующих элементарных частиц.

Первой объединительной теорией стала построенная в 70-е годы американским физиком Стивеном Вайнбергом (р. 1933) и Абдусом Саламом (р. 1926 –пакистанец по происхождению) теория электрослабого взаимодействия.

Как известно, электромагнитное взаимодействие не приводит к изменению взаимодействующих частиц и представляет собой обмен квантами электромагнитного поля – фотонами. Слабое взаимодействие протекает путем обмена тремя видами частиц, которые называются векторными бозонами. Это взаимодействие приводит превращению одних частиц в другие. Слабо взаимодействующие частицы для обмена массивными бозонами должны сблизиться на расстояние порядка 10см. При относительно малых энергиях это сближение происходит редко. Напротив, обмен безмассовыми фотонами происходит достаточно легко и на значительных расстояниях. В теории Вайнберга-Салама найдены условия, при которых обмен массивными бозонами происходит также, как безмассовыми фотонами. Это возможно при энергиях более 100 Гэв (гига электрон-вольт). Слабовзаимодействующие частицы, обладающие такой энергией, ведут себя столь же активно, как и носители электромагнитного заряда. Принципиальные различия между электромагнитным полем и тремя видами полей слабого взаимодействия стираются. Два различных взаимодействия рассматриваются как единое - электрослабое.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное и слабое взаимодействия как отражение абстрактных (негеометрических) симметрий. Для объединения использованы пять видов симметрии. Четыре соответствуют фотону и трем видам бозонов. Пятая - представляет собой поле, получившее название поля Хиггса[62]. В теории Вайнберга-Салама различия между полями слабого и электромагнитного взаимодействий объясняется нарушением симметрии. С уменьшением энергии частицы Хиггса объединяются с бозонами, наделяя их значительной массой. Взаимодейстие с фотоном, наоборот, приводит к отсутствию у последнего массы. Так первоначально родственные четыре частицы: три бозона и фотон приобретают свои отличия. Экспериментальное открытие W^± и Z⁰ бозонов в 1983 году стало одним из значимых подтверждений теории Вайнберга-Салама. Этим ученым, а также другому американцу – Шэлдону Глэдшоу (р.1932) за создание теории электрослабого взаимодействия была присуждена Нобелевская премия.

Успех этой теории подтолкнул дальнейшие попытки достичь более широкого объединения фундаментальных взаимодействий. Теории, объединяющие сильное, слабое и электомагнитное взаимодействие получили образное название теорий Великого объединения. Первую попытку создания такой теории предприняли в 1973 году ученые Гарвадского университета Говард Джоржи и Шелдон Глэдшоу. Было обнаружено, что при энергиях порядка 10¹⁴ Гэв различия между лептонами и кварками исчезают. Следовательно, при столь значительных энергиях все три взаимодействия можно рассматривать как одно.

Существует несколько вариантов теории Великого объединения. Симметрия между всеми полями всех взаимодействий требует, по крайней мере, двадцати четырех элементарных частиц. Двенадцать из них уже известны. Это: Фотон, три вида векторных бозонов и восемь типов глюонов – переносчиков сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике.

Остальные 12 названы X и Y частицами. Эти частицы подобно глюонам обладают цветом (цветным зарядом), а также имеют электрический заряд. Кроме того, они переносят новую силу, называемую гиперслабой. Взаимодействие с этими частицами может превращать кварки в лептоны и наоборот. Чтобы на практике получить эти частицы, необходима колоссальная энергия – большая чем 10¹⁴ Гэв. В обозримом будущем такая энергия не может быть достигнута в земных условиях. Однако теория Великого объединения предсказывает также нестабильность протона и существование однополюсных магнитных зарядов – монополей. Попытки экспериментально зафиксировать хотя бы единственный распад протона или обнаружить магнитный монополь на настоящий момент успехом не увенчались[63]. Это не умаляет, однако, ценности всей теории. Так, например, эта теория согласуется с теорией Вайнберга-Салама, основываясь на той же идее спонтанного нарушения симметрии при уменьшении энергии.

Так, при энергиях ниже 10² Гэв векторные бозоны, поглотив частицы Хиггса, тяжелеют, симметрия между слабым и электромагнитным взаимодействиями нарушается. При энергиях ниже 10¹⁵Гэв X частицы, поглотив супермассивные частицы Хиггса, также тяжелеют (приобретают значительную массу). Откуда следует, что при энергиях больших 10¹⁵Гэв все частицы: фотоны, бозоны и глюоны практически неразличимы. В качестве наглядного образа можно представить себе вымерзание смеси из трех различных жидкостей, превращение которых в твердое тело происходит при различных температурах. Сначала вымерзает жидкость с самой высокой температурой (отделение сильного от электрослабого взаимодействия), затем жидкость с более низкой температурой (отделение слабого от электромагнитного взаимодействия).

Существуют попытки собрать воедино все четыре взаимодействия, осуществив тем самым, мечту А.Эйнштейна о создании единой теории поля. Эти теории получили название супергравитации. Идея, на которой базируется теория супергравитации аналогична, идеям теорий электрослабого взаимодействия и Великого объединения.

В рамках современных представлений потеря различий (симметрии) между бозонами и фермионами достигается при фантастической энергии – 10¹⁹ Гэв. Это соответствует температуре в Т= 10³²К, фантастически малому расстоянию 10^-33 см. и гигантской плотности вещества ρ ≈ 10⁹⁴ г./см³. Эти величины фактически выводят микромир к масштабам мегамира. Так совершенно неожиданно познание все более малого привело к масштабам и величинам, соизмеримым с Вселенной. Осуществлены попытки создать теорию супергравитации за счет введения большого количества пространственных измерений (до 26). Разрушение суперсимметрии приводит к образованию трех реальных измерений, а остальные 23 остаются замкнутыми в масштабе 10^-33 см. Эта величина рассматривается как квант пространства-времени.

Одним из вариантов теории супергравитации стала теория суперструн. Работу над этой теорией начали Джон Шварц и Майкл Грин.

Теория суперструн ставит перед собой амбициозную задачу согласовать ОТО и квантовую механику, две великие концепции, на которых держится современная физика, достигнув уровня окончательной теории мира. Вот как пишет об этом популяризатор этой теории Брайан Грин - «За годы исследований физики с невообразимой точностью экспериментально подтвердили практически все предсказания каждой из этих теорий. Но использование этих же теоретических средств с неизбежностью ведет еще к одному, обескураживающему выводу: в своей современной формулировке общая теория относительности и квантовая механика не могут быть справедливы одновременно. Эти две теории, обусловившие небывалый прогресс физики последнего столетия, который объяснил и расширение небес и основы строения материи, являются взаимно несовместимыми»[64].

«На самом деле теория суперструн дает больше. В этой новой системе общая теория относительности и квантовая механика необходимы друг другу для того, чтобы теоретические построения обрели смысл. Согласно теории суперструн, брачный союз законов макромира и микромира не только счастливый, но и неизбежный.»[65]

В этом варианте теории предполагается, что все элементарные частицы состоят из порций энергии, подобных струнам в миллиард миллиардных долей сантиметра. Струны могут быть замкнутыми и открытыми, колебаться и объединяться и вновь распадаться на несколько частей. Теория суперструн позволяет представить любую элементарную частицу. Из модифицированного Дэвидом Гроссом варианта этой теории можно получить все четыре вида фундаментальных взаимодействий, выводятся условия их объединения, предсказываются все, открытые и неоткрытые частицы. Теория суперструн носит геометрический характер.

Петли в теории струн имеют резонансные частоты, подобные резонансным частотам струн скрипки или пианино, на которых они предпочитают колебаться, и которые наше ухо воспринимает как музыкальные ноты и их более высокие гармоники. Каждая из разрешенных мод колебаний струны в теории струн проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой один вид колебания струны, и -кварк — другой, и так далее. Вместо набора разрозненных экспериментальных фактов свойства частиц в теории струн представляют собой проявления одного и того же физического свойства: резонансных мод колебаний — так сказать, музыки — фундаментальных петель струны. Та же идея применима и к взаимодействиям, существующим в природе. Частицы, переносящие взаимодействия, также связаны с определенными модами колебания струны, и, следовательно, все — вся материя и все взаимодействия — объединяются под одной и той же рубрикой колебаний микроскопических струн — «нот», на которых могут звучать струны.

Таким образом, складывается единая теория, которая может объяснить все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной. По этой причине теорию струн иногда описывают как возможного кандидата на роль «теории всего сущего» (ТВС).

Существуют и другие подходы к проблеме объединения всех четырех взаимодействий. Наиболее известны из них – теория твисторов Роджера Пенроуза и теория Н-пространства Ньюмена. В последней из них вводится комплексное пространство (H)-пространство. В общей теории гравитации А.Эйнштейна (ОТО) решения всех уравнений существуют в области вещественных чисел. Расширение области решений до комплексных чисел по мнению Ньюмена способно решить возникающие в теории проблемы. Аналогична и теория Пенроуза. В ОТО пространство время имеет 4 вещественных измерения. У Пенроуза - 8 измерений, каждое из которых объединяет одно вещественное и одно комплексное. Такое объединение и названо твистором. Состав элементарных частиц в этой теории определяется твисторами: Бозоны состоят из двух твисторов, а фермионы – из трех. Кроме этого твисторы образуют и само пространство.

В настоящий момент нет экспериментальных данных, подтверждающих выводы теории супрегравитации и иных суперобъединительных теорий. Очевидно, что получение прямых подтверждений вряд ли возможно. Теория допускает косвенную проверку в рамках космологии. Однако в настоящий момент какие-либо подтверждения этой теории отсутствуют, что опять-таки не умаляет ее достоинства и не свидетельствует о ее полной неприемлемости. Грандиозная задача объединения фундаментальных взаимодействий не перестает привлекать ученых. Осуществление, впрочем, как и неосуществление, этой грандиозной задачи обозначает создание практически замкнутой теории мироздания. А это значит, что людям будет открыто прошлое, настоящее и будущее мира. Может быть, обладание подобным знанием станет решающим условием познания людьми самих себя.