Иосиф Розенталь - Геометрия, динамика, вселенная

3. В таблице отсутствуют две постоянные, которые безусловно следует отнести к разряду фундаментальных: скорость света c и постоянная планка HP. Однако эти постоянные входят в выражения для безразмерных постоянных ALPHA, поэтому таблица в известном смысле отражает пределы их изменения. Однако, на наш взгляд, ситуация с этими постоянными еще сложнее и интереснее. Константы c и HP определяют две фундаментальные теории: квантовую механику и теорию относительности, в то время как значения m и ALPHA характеризуют общее поведение определенных конкретных систем. В этом смысле постоянные c и HP более «фундаментальные», чем остальные постоянные, приведенные в таблице.

Подведем предварительные итоги.

Структура Метагалактики устойчива при данных значениях фундаментальных постоянных и неустойчива при иных.

Некоторые из этих постоянных (хотя речь шла об ALPHA| и

g m|, но в действительности число примеров можно умножить) e являются огромными флюктуациями в ряду подобных себе величин. Физические законы в Метагалактике обуславливают устойчивость состояний, а некоторые вариации законов разрушают устойчивость.

В 1937 г. американские физики К.Андерсон и С.Нидермайер открыли в космических лучах мюон. На первых порах к этому открытию отнеслись с недоверием. Было просто неясно, зачем природе нужна частица, копирующая электрон во всех свойствах, кроме массы (в первое время после его открытия мюон называли тяжелым электроном). Сомнения в методической достоверности опытов американских физиков были вскоре устранены, однако поставленный вопрос остался. ЗАчем нужен электрон — ясно; но тяжелый электрон — мюон — явное излишество природы. Этот вопрос с течением времени не только не разрешился, несмотря на многочисленные попытки объяснить место мюона в ряду элементарных частиц, но даже усложнился. В 1977 г. был открыт еще более тяжелый аналог электрона τ-лептон. Кроме того, были открыты два типа нейтрино (электронное V | и мюонное V |). Никто не сомневался и в

e ю существовании третьего типа нейтрино V ||| — партнера

τ τ-лептона. В современной трактовке вопрос, зачем нужен мюон, трансформировался в проблему: почему существует три (e, NU, τ) поколения лептонов?

В рамках чисто квантовых подходов не видно никаких путей решения этой проблемы. Однако сочетание теории большого объединения с принципом целесообразности позволяет ответить на поставленный вопрос.

Чтобы понять дальнейший ход рассуждений, начнем несколько издалека. Существование основных устойчивых связанных состояний базируется на барионной асимметрии Метагалактики: существование протонов и электронов при почти полном отсутствии антипротонов и позитронов. Действительно, если бы концентрации частиц и античастиц в Метагалактике были бы равными, то произошла бы их аннигиляция, в результате которой остались бы фотоны и нейтрино, неспособные образовывать связанные состояния.

Барионная асимметрия обуславливает основные характерные черты Метагалактики.

По всеобщему убеждению, для возникновения барионной асимметрии необходимы два условия: распад протона и так называемое СР-нарушение, когда для некоторых каналов распада элементарных частиц нарушается равенство вероятностей распада частиц и античастиц.

В рамках теории большого объединения распад протона практически неизбежен, однако число поколений лептонов, вообще говоря, произвольно. Но существует конкретная, хотя и не единственная, схема большого объединения Кобаяши-Маскава, которая предсказывает СР-нарушение при условии, что число поколений лептонов не меньше трех. Поэтому есть все основания полагать, что в нашей Метагалактике реализуется одна из возможных схем большого объединения — модель Кобаяши-Маскава, в которой данное число поколений лептонов играет фундаментальную роль («целесообразно»).

Другая важнейшая не решенная в границах теории проблема — так называемая иерархия масс. Эта проблема сводится к вопросу: почему отношение M||| / m| ~ 10**2, а m| / m| ~

W,Z p X p

± 0 10**15 (m||| — масса W||-, Z|-бозонов, m| — масса бозона,

W,Z X определяющего большое объединение)? Как указывалось ранее, массы почти всех частиц группируются вокруг значения m|, а ± 0 p W||-, Z|-бозоны значительно отступают от этого правила.

И эта проблема, которая не решается в рамках существующих теорий, легко интерпретируется на основе принципа целесообразности.

Мы ограничимся для краткости объяснением огромного значения отношения m| / m| ~ 10**15. Аналогичные, но более

X p сложные рассуждения можно провести и для отношения m||| / m|. Мы сформулируем два аргумента в пользу того, что W,Z p отношение m| / m| должно быть очень большим.

X p

1. В соответствии с квантовой теорией поля значение постоянных взаимодействий ALPHA должно зависеть от передаваемого во время взаимодействия импульса q или массы m, поэтому величины ALPHA называют бегущими константами. Приводимые обычно значения констант ALPHA, и в частности пределы их изменения, относятся к низкоэнергетической области (q, m ~< m|). При m >> m| константы ALPHA

p p изменяются, и это изменение можно с большой точностью вычислить на основе современных теорий. Основные надежды на построение большого объединения базируются на том, что все три бегущие константы, характеризующие сильное и электрослабое взаимодействия, сходятся в одной точке при m| ~ 10**15 (рис. 10)`. Если бы такое пересечение X отсутствовало, то большое объединение было бы построить трудно, а может быть, и невозможно. Масса m| соответствует

X точке пересечения бегущих констант ALPHA. Уменьшить массы X-бозона m| при сохранении условия пересечения констант

X ALPHA| (m), ALPHA| (m) и ALPHA| (m) можно единственным

e w s способом: изменить эти константы в низкоэнергетическом пределе m ~< m|. А это сделать невозможно в силу принципа целесообразности (см. только что рассмотренную таблицу). [21] Вследствие структуры электрослабого взаимодействия (оно + передается четырьмя частицами: фотоном и W||-, Z|-бозонами) его следует характеризовать двумя константами: ALPHA||| и ALPHA|||. На рис. 10 представлены зависимости обеих констант от значения m.

≡=РИС. 10

2. Второй аргумент связан с предполагаемым распадом протона. Вычисления, основанные на квантовой механике, показывают, что время жизни t| протона пропорционально

p m|**4. Поэтому при уменьшении массы m| на 4–5 порядков время X t| уменьшится на 15–20 порядков и сравнится с временем t| p u существования Метагалактики. Подобная гипотетическая возможность привела бы практически к полному распаду вещества. Оба аргумента показывают, что масса m| должна быть

X очень большой.

Далее мы затронем вопрос о причинах доминантности калибровочной инвариантности в нашем мире. Можно построить множество калибровочно неинвариантных теорий, которые не реализуются в природе. Почему же существующие теории основываются на калибровочной инвариантности?