Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В последние десятилетия фундаментальная физика развивается в направлении, предвиденном Эйнштейном — это теории великого объединения, суперсимметрии, струн. Рассмотрим, очень кратко, идеи, лежащие в их основе.

Начать следует с того, что три типа взаимодействия (слабое, электромагнитное и сильное) строятся по одной модели: основные фермионы — это кварки и лептоны — взаимодействуют через обмен квантами калибровочных полей — глюонами и промежуточными бозонами (фотон и три векторных мезона). Кроме того, при очень больших энергиях слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются в электрослабое взаимодействие.

Теперь естественно попытаться присоединить к этим двум и сильное взаимодействие, т. е. попробовать выяснить, не могут ли все эти три столь различных вида, совпадать при каких-то условиях. Поскольку интенсивность кварк-глюонных взаимодействий падает с расстоянием, а вероятности электрослабых, напротив, растут, то такую область можно найти — она оказывается на уровне энергий 10 14ГэВ, что очень далеко выходит за все мыслимые возможности аппаратуры и соответствует расстояниям в 10 -28см (напомним, что размер атомного ядра — порядка 10 -12см). Однако, во-первых, некоторые ее следствия могут проявиться при гораздо более низких энергиях, во-вторых, такая система может прояснить ряд принципиальных проблем уже существующих, вполне земных теорий (в частности, дать возможность, наконец, теоретически вычислить величину заряда электрона — сейчас она берется из эксперимента), а в-третьих, она необходима для решения проблем космологии (об этом ниже).

Такие модели (их несколько) рассматривают все частицы сгруппированными в поколения фермионов — сейчас известны три поколения, каждое включает два кварка и два лептона, и каждому соответствует такое же семейство античастиц:

( u, d, e -, ν е ), ( c, s, μ -, ν μ), ( t, b, τ -, ν τ ),

причем каждый кварк существует в трех цветовых модификациях.

При этом в ряде моделей уже предполагается нарушение закона сохранения барионного числа, сохраняется лишь разность барионного и лептонного чисел, а также электрический заряд. Поэтому теория допускает возможность распада протона на позитрон и пи-ноль-мезон и т. п. (первым такую гипотезу с учетом несохранения СР-инвариантности выдвинул еще в 1967 г. А. Д. Сахаров). Однако время жизни протона при этом оказывается не менее 10 30лет, что на много порядков превосходит время существования Вселенной и означает, что такие случаи должны быть очень редки, хотя и могут быть, в принципе, обнаружены (несколько сообщений о наблюдении распада протона были затем опровергнуты). Того же порядка — рассчитанная вероятность превращения нейтрона в антинейтрон. Более перспективными выглядят сравнение распадов некоторых тяжелых мезонов и их античастиц и поиски превращения одних в другие, когда нарушается закон сохранения барионного заряда на уровне кварков высших ароматов — такие поиски активно продолжаются, они представляются доступными на современных ускорителях, хотя и требуют многих усилий.

Дальнейшее обобщение теории — это теория супергравитации, включающая в себя уже все существующие поля и взаимодействия, именно она является наиболее полным воплощением идеи Эйнштейна (заметим, что вывод теории гравитации из калибровочных полей Янга-Миллса предложил еще в 1956 г. Р.Утияма). Дело в том, что если при обычных энергиях электрическое отталкивание двух электронов в 10 42раз сильнее их гравитационного притяжения, то с ростом энергии гравитационное притяжение быстро нарастает, как квадрат энергии, и при фантастической энергии в 10 19ГэВ, т. е. на расстояниях порядка 10 -33см, гравитационная энергия сравнивается с кинетической энергией электронов: гравитационное взаимодействие становится сильным.

При таких энергиях масса движения электрона возрастает до примерно 10 -5г, что в миллиард миллиардов раз выше его массы покоя. Эту величину называют массой Планка: она близка к расчетной массе монополя Дирака и не очень, всего на несколько порядков, отличается от массы великого объединения.

Гравитационное взаимодействие должно осуществляться обменом специальными квантами — гравитонами, они, как и фотоны, должны быть безмассовыми, но в отличие от фотонов их спин должен равняться не единице, а двум. Это различие ведет к тому что они осуществляют лишь гравитационное притяжение, отталкивания не существует. Но их поток столь слаб, что нет никаких надежд создать и зафиксировать их в земных условиях — сейчас остается лишь уповать на то, что во время какого-нибудь звездного катаклизма их мощный поток достигнет земной лаборатории с соответствующими приборами.

Одним из следующих шагов в направлении объединения является теория суперсимметрии: объединяются воедино частицы, подчиняющиеся статистикам Ферми и Бозе, т. е. с целым и полуцелым спинами. При этом каждому фермиону должен соответствовать бозон, и поэтому приходится постулировать целый ряд еще не наблюдавшихся частиц — нахождение хотя бы одной из них можно будет считать серьезной заявкой на справедливость такой теории.

Трудности, стоящие перед всеми этими теориями, громадны, эксперименты их пока не опровергают, но и не подтверждают — работа продолжается…

Поскольку мы рассмотрели, как открывали новые частицы, и определяли свойства их взаимодействий, теперь можно взглянуть на эти процессы в целом и определить, где и когда физика с ними встречается. Оказывается, все, о чем мы говорили, может быть распределено по таким ступеням «квантовой лестницы»:

1. Атомная ступень, для которой характерны энергии порядка 1 эВ и размеры порядка 10 -8см, размеры атома.

2. Ядерная ступень с энергиями порядка 1 МэВ и размерами порядка 10 -12см.

3. Субъядерная ступень с энергиями порядка 1 ГэВ и размерами порядка 10 -13-10 -14см.

4. «Гипотетическая» ступень с энергиями более 10 3ГэВ и размерами менее 10 -16см.

Как мы видим, они резко отделены друг от друга — энергии при переходе с одной ступени на другую возрастают примерно в тысячу раз. Поэтому на каждой из ступеней можно почти полностью пренебрегать свойствами более низких уровней, считать их «замороженными». Так, например, находясь на самой верхней ступени, мы при рассмотрении многих процессов можем считать атом элементарным образованием и не вдаваться в его структуру. На второй ступени, в атомной физике, нас не интересует структура нуклонов, из которых состоит ядро — его почти во всех случаях можно считать «элементарной частицей».

Именно этот разрыв между ступенями и позволяет заниматься на каждой из них только своими делами, фактически делит физику на части. При этом важно подчеркнуть: открытие новых ступеней вовсе не означает, что на предыдущей все уже закончено и никакие крупные открытия не возможны — все, о чем мы говорим, показывает, что на верхних ступенях остается еще очень много неясного, требующего исследования.