Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
ГЛАВА VIII. Блюзи ХХ століття
Блюзи,
Блюзи двадцятого століття,
Як вони пригнічують мене.
Хто
Урятується від стомлюючих
Блюзів двадцятого століття.
Ноель Кауард. Кавалькада
Як би далеко ми не поглибилися в розгляд ланцюжка питань про матерію й сили, що діють у природі, всі
відповіді зводяться до стандартної моделі елементарних часток. На кожній конференції по фізиці високих енергій, починаючи з
кінця 70-х рр., експериментатори доповідають про все більшу точність збігу результатів досвідів із пророкуваннями
цієї моделі. Здавалося б, що фізики, що займаються високими енергіями, повинні випробовувати почуття задоволення.
Але чому ж тоді ми перебуваємо в стані зневіри, начебто під впливом меланхолійного блюзу?
Насамперед, стандартна модель описує електромагнітні, слабкі й сильні взаємодії, але залишає в
стороні четверту силу, а в дійсності, першу із всіх, що стали відомими людині, - силу тяжіння. Такий
пропуск - не просто результат безпам'ятності: як ми побачимо, при спробі описувати гравітацію на тій же мові, що
ми використовуємо в стандартній моделі для опису інших взаємодій, тобто мовою квантової теорії поля, виникають
непереборні математичні труднощі. По-друге, хоча сильні ядерні взаємодії й включені в стандартну
модель, вони все-таки виглядають не складовою частиною єдиної картини, а коштують особняком від електромагнітних і слабких
взаємодій. По-третє, хоча електромагнітні й слабкі взаємодії й розглядаються в рамках стандартної
моделі єдиним образом, між цими взаємодіями існують очевидні розходження (наприклад, у звичайних умовах
слабкі ядерні сили в багато разів менше
151
електромагнітних сил). У фізиків є загальні подання про те, як виникає розходження між електромагнітними й
слабкими взаємодіями, але все-таки ми не до кінця розуміємо причини цього розходження. Нарешті, навіть якщо відволіктися від
проблеми об'єднання чотирьох сил природи, однаково в самій стандартній моделі є безліч властивостей, які не
випливають із фундаментальних принципів (як би нам хотілося), а просто беруться з експерименту. Серед властивостей,
гаданих довільними, - список часток, що існують у рамках моделі, число параметрів, таких як відносини
мас часток, і навіть самі симетрії. Можна без праці уявити собі модель, у якій одне із цих властивостей або всі
відразу будуть іншими, чим у стандартній моделі.
Звичайно, стандартна модель з'явилася величезним кроком уперед у порівнянні із плутаниною наближених симетрій,
погано сформульованих динамічних припущень і голих фактів, що вивчали в інституті фізики мого
покоління. Але очевидно, що стандартна модель не є остаточною відповіддю, і щоб вийти за її межі, потрібно
зрозуміти всі її недоліки.
Тим або іншим способом всі проблеми стандартної моделі впираються в явище, назване спонтанним порушенням
симетрії. Відкриття цього явища, спочатку у фізику твердого тіла, а потім і у фізику часток, стало одним з великих
досягнень науки ХХ в. Головний успіх був досягнутий у поясненні розходжень між слабкими й електромагнітними
взаємодіями, тому для пояснення явища спонтанного порушення симетрії найкраще почати з электрослабой
теорії.
Ця теорія є частиною стандартної моделі, що має справу зі слабкими й електромагнітними взаємодіями.
Вона заснована на точному принципі симетрії, що затверджує, що закони природи не міняють своєї форми, якщо замінити
поля електронів і нейтрино на змішані поля, наприклад, взяти одне поле, що складається на 70% з нейтрино й на 30 % з
електрона, і інше поле, що складається на 30 % з нейтрино й 70 % з електрона. При цьому одночасно необхідно в тих же
пропорціях перемішати поля інших сімейств часток, наприклад, кварків u і d. Такий принцип симетрії називається
локальним, оскільки передбачається, що закони природи залишаються незмінними, навіть якщо суміш полів буде мінятися
згодом або від крапки до крапки в просторі. Але є й інше сімейство часток, існування якого диктується
зазначеним принципом симетрії, приблизно в такий же спосіб, як існування гравітаційного поля диктується
симетрією між різними координатними системами. Це сімейство складається з фотона й часток W, Z, причому ці поля
також повинні перемішуватися один з одним, якщо ми перемішуємо поля електронів і нейтрино й поля кварків. Обмін
фотонами спричиняється електромагнітні сили, а обмін частками W і Z ті-
152
нерирует слабкі ядерні сили, так що симетрія між електроном і нейтрино є також симетрією між
електромагнітними й слабкими ядерними силами.
Однак подібна симетрія виразно відсутня в навколишній нас природі, і тому-те її так довго не могли
відкрити. Наприклад, електрони й частки W, Z мають маси'162!, а нейтрино й фотони не мають маси. (Слабкі сили
у багато разів слабкіше електромагнітних саме завдяки великій масі W, Z.) Іншими словами, симетрія, що зв'язують
електрони, нейтрино й інші частки, є властивість основних рівнянь стандартної моделі, що визначають властивості
елементарних часток, але в той же час, ця симетрія не виконується для рішень цих рівнянь, тобто для властивостей самих
часток.
Щоб зрозуміти, як це можливо, щоб рівняння мали симетрію, а рішення - ні, припустимо, що наші
рівняння повністю симетричні щодо двох типів часток (наприклад, і-и-, у-кварків), і ми хочемо знайти рішення
цих рівнянь, що визначають маси обох часток. Можна було б припустити, що симетрія між двома типами
кварків приведе до того, що і їхні маси виявляться однаковими, але це не єдина можливість163. Симетрія
рівнянь не виключає можливості того, що рішення буде давати масу u-кварка більше, ніж маса d-кварка, але при
цьому обов'язково повинне існувати друге рішення рівнянь, що дає масу d-кварка на стільки ж більшу маси
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка