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	0	<10^-18	10^80
Электромагнитное	Фотон	0	∞	10^-2
Слабое	Калибровочные бозоны	86,97	10^-15	10^-10
Гравитация	Гравитон	0	10^-13 +10^13	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 элек­ трослабого 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?

 

Афоризмы и истории.

& Дверь в неведомое открывается со стороны известного.

J Профессор Чикагского университета Р. Гейл пришел с одним студентом проводить эксперимент. Лаборатория была новая и было непонятно, какое напряжение в электрической сети: 110 в. или 220 в. Студент решил принести вольтметр, но профессор, чтобы не терять время, предложил измерить напряжение словами. Профессор студенту: «Ты сунешь пальцы в розетку». Студент: «Так ведь меня ударит током!». Профессор: «Конечно ударит. Если ты скажешь: О, черт! – значит, здесь 110 В., если же выражение будет покрепче, значит- 220».

& Нередко уравнения бывают умнее своих создателей (немецкий физик Г. Герц, 1857 - 1894).

J Английский писатель Г. Уэллс считался знатоком технических изобретений. И однажды на встрече с читателями его попросили рассказать о новинке – телеграфе. Уэллс: «Представьте гигантскую кошку, ее хвост в Ливерпуле, а голова в Лондоне. Когда кошке наступают на хвост, раздается мяуканье. Точно так же работает телеграф». Читатели: «А что такое беспроволочный телеграф?». Уэллс: «то же самое, только без кошки».

& Первое открытие всегда заключается в том, что есть вещи, которые стоит открывать (английский физик Дж. Томсон, 1892 - 1963).

J Как-то вечером английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) заглянул в лабораторию и увидел одного из своих учеников. На вопрос о том, что он делает так поздно, тот ответил, что работает. Резерфорд спросил, что тот делает днем в лаборатории и получил ответ: «Работаю». «А как насчет утра?». Ответ тот же: «Работаю». Тогда Резерфорд выразил недоумение: «А когда же Вы думаете?».

& Искать истину благороднее, чем просто обладать ею (немецкий писатель Г.Э.Лессинг, 1729 - 1781).

J Один из гостей знаменитого датского физика Н. Бора обратил внимание на то, что к дверям его загородного дома прибита подкова. Он спросил хозяина: «Неужели, Вы – великий ученый, верите в то, что подкова приносит счастье?». Бор ответил: «Конечно, я не верю. Но подкова приносит счастье даже тем, кто в нее не верит!».

& Ученый должен идти узкой тропой между западней переупрощения и болотом переусложнения (Р. Белнап).

J Известный физик П. Эренфест обучил своего цейлонского попугая произносить фразу: «Aber, meine Herren, das ist keine Physik» [«Но, господа, ведь это не физика» (нем.)]. Этого попугая он предлагал в качестве председателя в дискуссиях о новой квантовой механике в Геттингене.

& В начале ХХ в. разгорелся спор микробиолога Коха и иммунолога Петтенкофера. Кох: «Холера вызывается холерными эмбрионами». Петтенкхофер: «Холера вызывается нарушением иммунитета». Тогда для доказательства иммунолог выпил колбу с опасным раствором и … не заболел. «Мораль»: на некоторых ученых не действует даже отрава, поэтому проверка фактами не всегда показательна.

J Гансу Ландольту принадлежит шутливая сентенция: «Физики работают хорошими методами с плохими веществами, химики – плохими методами с хорошими веществами, а физхимики – плохими методами и с плохими веществами».

& Тот, кто ничего не знает, ни в чем и не сомневается (английский филолог Р. Котгрейв, XVII в.).

J Однажды физику Ландау дали одну кандидатскую диссертацию на отзыв. Он прочитал ее и заявил, что она не более, чем дипломная работа. Его стали уговаривать дать положительный отзыв. Он написал: «Эта кандидатская диссертация ничуть не хуже докторских диссертаций Иванова, Сидорова и др.»

J Американский физик Роберт Милликен (1868-1953) был известен своей словоохотливостью. Подшучивая над ним, его сотрудники предложили ввести новую единицу – «кен» для измерения разговорчивости. Её тысячная часть, то есть милликен, должна была превышать разговорчивость среднего человека.

Литература.

1. Бор, Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1963.

2. Гейзенберг, В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

3. Грин, Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М., 2004.

4. Малдасена, Х. Иллюзия гравитации // В мире науки, 2006, № 2.

5. Планк, М. Единство классической картины мира. М., 1968.

6. Поппер, К. Квантовая теория и раскол в физике. М., 1998.

7. Эйнштейн, А., Инфельд, Л. Эволюция физики. Развитие идеи от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. М., 1966.