Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» № 1 за 2005 года (2772)

В классической теории тот или иной заряд создает неким образом поле, и уже это поле действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие частиц выглядит как испускание и поглощение квантов поля. Таким образом, и притяжение, и отталкивание становятся результатом обмена квантами поля.

Физики до недавнего времени раздельно изучали материю в ее двух проявлениях – веществе и поле. Это было оправдано, поскольку частицы вещества и кванты поля обладают разными свойствами, ведут себя различным образом и имеют разные значения спина (от английского spin – вращение, квантовый аналог собственного момента вращения элементарной частицы, измеряется в единицах постоянной Планка (ђ=1,0546 .10 –34 Дж.с). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина и называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули, согласно которому две одинаковые (или тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Элементарные частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами. Принцип Паули на них не распространяется, и в одном и том же состоянии может находиться любое число таких частиц.

Согласно современным представлениям вещество состоит из кварков и лептонов (всего их 12 штук – 3 семейства по 4 частицы в каждом), описываемых фермионными квантовыми полями. Известны также четыре фундаментальных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое, – которые описываются бозонными квантовыми полями.

Основы квантовой теории электромагнитного поля (квантовая электродинамика, КЭД) были заложены в конце 1920-х годов Полем Дираком. Свою современную форму квантовая электродинамика приобрела на рубеже 1940—1950-х годов в работах Ю. Швингера, С. Томонаги и Р. Фейнмана, удостоенных в 1965 году Нобелевской премии. Квантовая теория поля представляет собой логически последовательную основу для описания элементарных частиц и их фундаментальных взаимодействий.

В конце 1960-х годов была построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. В работах Ш. Глэшоу, С. Вайнберга и А. Салама, получивших Нобелевскую премию 1979 года, было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Квантами (переносчиками) слабого взаимодействия выступают W + , W – и Z 0 – бозоны, называемые промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, предсказанные теоретиками, были экспериментально открыты на ускорителе в ЦЕРНе только в 1983 году.

Квантовая теория сильного взаимодействия элементарных частиц, называемая квантовой хромодинамикой (КХД), возникла в начале 1970-х годов. Согласно КХД переносчиками сильных взаимодействий являются 8 глюонов. Кварки притягиваются, обмениваясь глюонами, и таким образом образуют адроны. В настоящее время известно несколько сотен адронов. Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелым – барионами. Обычные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Недавно были открыты пентакварки – экзотические адроны, состоящие из пяти кварков.

В современной физике частицы взаимодействуют друг с другом посредством так называемых калибровочных полей, отвечающих симметриям конкретного взаимодействия. Можно сказать даже более определенно – всем известным типам сил соответствует та или иная симметрия. В настоящее время имеются теории всех четырех типов взаимодействия частиц, проверенные в экспериментах на ускорителях, в лабораториях и космическом пространстве. Квантовая теория калибровочных полей, называемая часто «Стандартной Моделью», в настоящее время является общепринятой основой для физики элементарных частиц. Хотя Стандартная Модель и описывает все явления, которые мы можем наблюдать с использованием современных ускорителей, все же многие вопросы пока остаются без ответа.

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 10 16 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели при энергиях порядка 10 19 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.

Объединение двух фундаментальных теорий современной физики – квантовой теории и общей теории относительности – в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях – от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему природа на своем самом глубоком и фундаментальном уровне должна требовать двух различных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и двух наборов физических законов? В идеале хотелось иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить две эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн.

История создания теории струн началась с чисто случайного открытия в квантовой теории, сделанного в 1968 году Дж. Венециано и М. Судзуки. Перелистывая старые труды по математике, они случайно натолкнулись на бетта-функцию, описанную в XVIII веке Леонардом Эйлером. К своему удивлению, они обнаружили, что, используя эту бетта-функцию, можно замечательно описать рассеяние сталкивающихся на ускорителе частиц. В 1970—1971 годах Намбу и Гото поняли, что за матрицами рассеяния скрывается классическая (не квантовая) релятивистская струна, то есть некий микроскопический объект, отдаленно напоминающий тонкую, натянутую струну. Потом были сформулированы и построены методы квантования таких струн. Однако оказалось, что квантовую теорию струн корректно (без отрицательных или больших единицы квантовых вероятностей) можно построить лишь в 10 и 26 измерениях, и модель сразу перестала быть привлекательной. В течение 10 лет идея влачила жалкое существование, поскольку никто не мог поверить, что 10– или 26-мерная теория имеет какое-либо отношение к физике в 4-мерном пространстве-времени. Когда в 1974 году Шерк и Шварц сделали предположение, что эта модель является на самом деле теорией всех известных фундаментальных взаимодействий, никто не принял это всерьез. Спустя 10 лет, в 1984 году, появилась знаменитая работа М. Грина и Д. Шварца. В этой работе было показано, что возникающие при квантовомеханических расчетах бесконечности могут в точности сокращаться благодаря симметриям, присущим суперструнам. После этой работы теория суперструн стала рассматриваться как основной кандидат на единую теорию всех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, и ее начали активно разрабатывать, пытаясь свести все разнообразие частиц и полей микромира к неким чисто пространственно-геометрическим явлениям. В чем же заключается смысл этой «универсальной» теории?