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
u-кварка. Таким чином, симетрія рівнянь необов'язково повинна відбиватися в симетрії кожного окремо взятого
рішення цих рівнянь, а лише у всій сукупності рішень. У цьому простому прикладі реальні властивості кварків будуть
відповідати одному або іншому рішенню, демонструючи порушення симетрії вихідної теорії. Помітимо, що на
самій справі байдуже, яке із двох рішень реалізується в природі, якщо єдиною різницею між кварками u і d
є різниця в їхніх масах, тоді різниця між двома рішеннями буде відповідати тому, який із кварків ми
назвемо й, а який d. Природа, як ми її знаємо, відповідає одному рішенню всіх рівнянь стандартної моделі, при
цьому байдуже якому, якщо тільки всі рішення зв'язані точними принципами симетрії.
У подібних випадках говорять, що симетрія порушена, хоча краще було б говорити, що симетрія «захована», так
як рівняння продовжують мати симетрію, і саме рівняння визначають властивості часток. Описане явище
називається спонтанним порушенням симетрії, тому що ніщо не порушує симетрію рівнянь теорії, а порушення
симетрії виникає спонтанно в різних рішеннях рівнянь.
Краса наших теорій багато в чому визначається принципами симетрії. Саме тому перші роботи зі спонтанного
порушенню
153
симетрії на початку 60-х рр. викликали настільки великий резонанс. Перед нами раптом відкрилося, що в законах природи є
значно більше симетрії, чим це здається на основі аналізу властивостей елементарних часток. Порушена симетрія
- цілком платоновское поняття: та реальність, що ми спостерігаємо в наших лабораторіях є лише перекручене
відбиття більше глибокої й більше гарної реальності рівнянь, що відображають всі симетрії теорії.
Звичайний постійний магніт є гарним реалістичним прикладом порушеної симетрії. (Цей приклад
особливо підходить тому, що ідея спонтанного порушення симетрії з'явилася вперше у квантовій фізиці в 1928 р., в
побудованої Гейзенбергом теорії постійного магнетизму.) Рівняння, що визначають поводження атомів заліза й
магнітне поле в магніті, нагрітому до дуже високої температури (скажемо, 800° С), мають точну симетрію по
відношенню до всіх напрямків у просторі: ніщо в цих рівняннях не відрізняє північ від півдня або схід від заходу.
Однак якщо шматок заліза остудити нижче 770° С, він раптово здобуває певним чином спрямоване магнітне
поле164, порушуючи тим самим симетрію між напрямками. Расі крихітних істот, що народилися й прожили всю
життя усередині постійного магніту, треба було б багато часу на те, щоб усвідомити, що щирі закони природи
мають повну симетрію щодо різних напрямків у просторі, і виділений напрямок виникає
тільки тому, що спини атомів заліза спонтанно вибудовуються в одну сторону, створюючи магнітне поле.
Подібно істотам усередині магніту, ми недавно виявили симетрію, що порушується в нашому Всесвіту. Ця
симетрія зв'язує слабкі й електромагнітні сили165, а її порушення проявляється, наприклад, у різниці між
безмасовим фотоном і дуже важкими частками W і Z. Більша різниця між порушенням симетрії в стандартної
моделі й у магніті полягає в тім, що походження намагніченості добре відомо. Вона виникає за рахунок
відомих сил взаємодії між сусідніми атомами заліза, що прагнуть вибудувати свої спини паралельно друг
другові Стандартна модель набагато менш вивчена. Жодна з відомих сил, що входять у стандартну модель, недостатньо
велика, щоб прийняти на себе відповідальність за порушення симетрії між слабкими й електромагнітними
взаємодіями. Головне, чого ми усе ще не знаємо про стандартну модель, - це що є причиною порушення
электрослабой симетрії.
У первісній версії стандартної теорії слабких і електромагнітних взаємодій порушення симетрії між
цими взаємодіями було приписано новому полю, спеціально для цієї мети уведеному в теорію. Як і магнітне
поле у звичайному постійному магніті, це поле може спонтанно повертатися, указуючи
154
деякий напрямок, щоправда, не у звичайному просторі, а на уявлюваному циферблаті, напрямок стрілок на
якому відрізняє електрони від нейтрино, фотони від часток W, Z і т.п. Те значення поля, при якому порушується
симетрія, прийнято називати вакуумним значенням, тому що поле приймає це значення в порожнечі, в області вдалині від
впливу інших часток. Після чверті століття досліджень ми так і не знаємо, чи вірна така проста картина
спонтанного порушення симетрії, але поки ця картина залишається найбільш прийнятним поясненням.
Не перший раз, бажаючи задовольнити деяким вимогам теорії, фізики припускають існування нових полів.
На початку 30-х рр. занепокоєння вчених викликав закон збереження енергії в процесі бета-розпаду радіоактивних ядер. В
1930 р., для того щоб відновити баланс енергії, здавалося б, втрачається безвісти в цьому процесі, Вольфганг Паули
припустив, що існує частка з підходящими властивостями, названа їм нейтрино, що і несе відсутню
енергію. Трудноуловимое нейтрино було зрештою експериментально виявлене166 більш ніж два десятиліття
через. Затверджувати існування чогось, що ще ніколи не спостерігалося, - справа ризиковане, але іноді приносить
успіх.
Як і інші поля у квантово-механічній теорії, це нове поле, відповідальне за порушення симетрії
электрослабых взаємодій, повинне переносити енергію й імпульс у вигляді згустків або квантів. Электрослабая теорія
затверджує, що, принаймні, один із цих квантів повинен спостерігатися як нова елементарна частка. За трохи
років до того, як Салам і я розробили теорію об'єднання слабких і електромагнітних сил, засновану на ідеї
спонтанного порушення симетрії, ряд теоретиків дав математичний опис простих прикладів подібного порушення
симетрії167. Особливо ясно це вдалося зробити в 1964 р. Питеру Хиггсу з Эдинбургского університету. Тому нову
частку, з необхідністю виниклу в первісній версії электрослабой теорії, назвали хиггсовской часткою.
Ніхто ще не виявив хиггсовскую частку, але це не суперечить теорії: хиггсовская частка й не могла б бути
виявлена в зроблені дотепер експериментах, якщо її маса більше п'ятдесятьох мас протона, що цілком можливо. (ДО
жалю, электрослабая теорія мовчить відносно точного значення маси хиггсовской частки, тільки обмежуючи її
значення зверху числом в один трильйон електрон-вольтів, тобто в тисячу разів більше маси протона.) Необхідні нові
експерименти, щоб перевірити, чи дійсно існує хиггсовская частка, а може, і кілька таких часток з
властивостями, що відрізняються, і встановити їхньої 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