Незавершённость современной физики

Физика и другие естественные науки никогда не могут быть завершены: относительная истина сколь угодно приближается к абсолютной, но не может с ней совпасть. Пример тому - развитие физики на рубеже 19 и 20 веков. В конце 19 века физики думали, что уже знают об окружающем мире всё (или почти всё): здание классической физики было построено; оставались нерешёнными лишь две «небольших» проблемы: тепловое излучение и проблема эфира. Однако попытки решить эти «мелкие» проблемы привели сначала к кризису классической физики («ультрафиолетовая катастрофа»), а затем к мощному прорыву вперёд, к новым знаниям: были созданы квантовая механика и теория относительности.

В настоящее время существует много нерешённых проблем, например:

1) Не удалось достаточно хорошо объединить общую теорию относительности и квантовую теорию. Квантовая теория гравитации не завершена, хотя создано несколько вариантов этой теории (теория супергравитации или теория суперструн). Выводы теории: наше пространство 10- ти мерно (плюс временная координата ct); 6 измерений компактифицированы и простираются на расстояния ~10^-35 м.

Суперструна - объект, имеющий ненулевую протяжённость только в одном измерении. Эти струны имеют определенные колебательные моды, которые определяют присущие частице квантовые числа, такие, как масса, спин, и т.д. Основная идея состоит в том, что каждая мода несет в себе набор квантовых чисел, отвечающих определенному типу частиц. Это и есть окончательное объединение - все частицы и силы могут быть описаны через один объект - струну.

2) Не решён вопрос об элементарности кварков и лептонов. Нет подтверждения гипотезы о внутреннем строении кварков.

3) Ещё одну проблему можно назвать: единая теория материи. Описать с единой точки зрения гравитационное и электромагнитное взаимодействия пытался ещё Эйнштейн, но безуспешно. На вопрос: зачем объединять? - можно ответить, что основанием для объединения является общность механизма всех взаимодействий. Все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер, и это - основание к построению единой теории. Единая теория электромагнитного и слабого взаимодействия была создана в конце 70-х годов. Переносчики слабого взаимодействия - бозоны W± и Z⁰. Теорией были предсказаны их массы, затем их экспериментально обнаружили в 1983 г. на ускорителе в Женеве. Таким образом, теория электрослабых взаимодействий получила экспериментальное подтверждение.

Выдвинута и находится в стадии построения новая теоретическая модель, получившая название "Великого объединения". Эта теория объединяет электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. В основе ее лежат кварк- лептонная симметрия (она выражается в том, что в природе есть шесть лептонов и шесть кварков) и теория электрослабого взаимодействия. Новая теория предсказывает существование множества новых частиц и нестабильность
протона. Среднее время жизни протона оказывается равным 10³⁰ + 10³² лет; так что косвенная проверка состоит в обнаружении нестабильности протона. Время 10³³ лет гораздо больше возраста нашей Вселенной. Однако в очень большой массе вещества несколько протонов могут распадаться за не слишком большое время наблюдения. Такие попытки обнаружить нестабильность протона пока не удались.

Тёмное Видимое вещество вещество

Рис.26.11

В еще более грандиозном обобщении, названном " суперсимметрией "', делается попытка объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщение теории тяготения - супергравитацию. Пока предложенные варианты теории далеки от реальной действительности. Но есть надежда, что все силы в рамках Стандартной Модели в конечном итоге объединяются. Суперсимметричная теория предсказывает существование новых частиц: каждая обычная частица имеет суперпартнёра со спином, отличающимся на половину (их назвали скварк, фотино, глюино, гравитино и т.д.). Суперпартнёр бозона оказывается фермионом и наоборот. Поиску суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере уделяется особое внимание. Результат пока отрицательный. Возможно, когда Большой адронный коллайдер выйдет на максимальную мощность, можно будет получить ответ на вопрос, существует ли суперсимметрия в физике частиц.

4) Тёмная материя. Более 80% всей материи во Вселенной составляет тёмная материя (рис.26.11). Частицы тёмной материи должны быть стабильны и нейтральны, а таких частиц в Стандартной модели нет. А вот в суперсимметричной теории такие частицы присутствуют.

5) Решение проблем физики элементарных

частиц оказалось   тесно   связано с

космологическими проблемами, а именно, с

вопросами об эволюции Вселенной. Предыстория вопроса: по красному

смещению излучения далёких галактик (Хаббл, 1929 г.) установлено, что Вселенная расширяется. Дальнейшая её эволюция зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность меньше или равна критической, расширение будет происходить бесконечно (кривизна пространства отрицательна или нулевая). Если плотность больше критической, то кривизна пространства положительна, и расширение сменится сжатием. Плотность зависит от суммарной массы всех частиц и очень близка к критической, причём пока точно не установлено, больше или меньше критической. Это зависит, например, от массы нейтрино, пока также точно не измеренной.

В прошлом (приблизительно 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в точку нулевого размера, сферу с нулевым радиусом. Плотность Вселенной и кривизна пространства времени должны были тогда быть бесконечными. Этот момент мы называем Большим Взрывом.

А.Д.Сахаров разрабатывал теорию пульсирующей Вселенной, где циклы сжатия и расширения сменяют друг друга. При этом из закона неубывания энтропии следовало, что в каждом последующем цикле максимальный радиус Вселенной должен расти, как и полное число бозонов. При этом максимальное число циклов в прошлом было конечным. Возникает вопрос: а что было до начала первого цикла? Цитата:

«Можно встать на ту точку зрения, что начало расширения первого цикла (или в случае единственного цикла) - это Момент Сотворения Мира, и поэтому вопрос о том, что было до этого, лежит за пределами научного исследования. Однако, быть может, так же - или, по-моему, больше - правомерен и плодотворен подход, допускающий неограниченное научное исследование материального мира и пространства-времени. При этом, по-видимому, нет места Акту Творения, но основная религиозная концепция божественного смысла Бытия не затрагивается наукой, лежит за её пределами.»

В последние десятилетия было обнаружено, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением (инфляционная теория). Есть предположение, что темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением.

Общепринятая теория Большого Взрыва объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории. Момент Большого взрыва - это столкновение бран. (Брана, или D-брана - от «мембрана», почти то же, что и суперструна, но с числом измерений больше единицы.) Выделяется огромное количество энергии, браны разлетаются, происходит замедляющееся расширение, вещество и излучение остывают, образуются галактики. Расширение вновь ускоряется за счет положительной плотности межбрановой энергии, а затем замедляется, геометрия становится плоской. Браны притягиваются друг к другу, перед столкновением квантовые флуктуации усиливаются и преобразуются в деформации пространственной геометрии, которые в будущем станут зародышами галактик. Происходит столкновение, и цикл начинается сначала.

Ссылки:

Подробно об эволюции Вселенной см. лекцию В.И.Богданова на сайте кафедры физики «Физическая картина мира»:

http://www.physics.vstu.edu.ru/books.htm

- о тёмной энергии, антигравитации и эволюции Вселенной http://www.physbook.ru/index.php/Kvant. Тёмная энергия-2

- пространство, время, теория струн и некоторые вопросы космологии http://www.modcos.com/articles.php?id=136

-инфляционная теория, множественные Вселенные

http://galspace.spb.ru/indvop.file/56.html

- фильм о Бозоне Хиггса и Большом Адронном Коллайдере

http://video.yandex.ru/users/depo01/view/55/#

Библиографический список

1. Калашников, Н. П. Основы физики: учебник для техн. специальностей вузов: в 2 т. Т. 2 / Н. П. Калашников, М. А. Смондырев. - 2-е изд., перераб. - М.: Дрофа, 2004. - 431 с.: ил.

2. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. - 8-е изд., стер. - М.: Academia, 2009. - 719 с.: ил.

3. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям: в 4 т. Т. 2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И. В. Савельев; под общ. ред. В. И. Савельева. - М.: КНОРУС, 2009. - 570 с.: ил.

4. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям: в 4 т. Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев; под общ. ред. В. И. Савельева. - М.: КнОрУС, 2009. - 359 с.: ил.

5. Курс физики: учеб. для вузов: в 2 т. Т. 2 / под ред. В.Н.Лозовского. - СПб.: Лань, 2000. - 592 с.

6. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для инженер.-техн. специальностей вузов / Т. И. Трофимова. - 18-е изд., стер. - М.: Academia, 2010. - 557 с.: ил.

следовательно параллелен колебаниям первой компоненты (^). Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа (^) не даёт вклада в отражённый луч. То есть, в направлении отражённого луча распространяется свет, посылаемый излучателями только типа (•), направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения.