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
сильні й электрослабые взаємодії, зазначені константи взаємодії повинні бути обов'язково рівні один одному
при певній енергії, однак значення цієї енергії може істотно відрізнятися від тих значень, які доступні
у сучасних експериментах. У стандартну модель входять три незалежні константи взаємодії (це одна з
причин, по якій ми не задоволені цією моделлю як остаточною теорією), так що сама вимога, що
існує якась енергія, при якій всі ці константи повинні рівнятися по величині, є досить
нетривіальним. Накладаючи цю умову, можна пророчити один зв'язок між константами при енергіях існуючих
прискорювачів172, і це пророкування перебуває в розумній згоді з досвідами. Хоча це всього лише одне успішне
кількісне пророкування, але звідси треба підбадьорливий висновок, що в цих ідеях щось є.
Таким же способом можна оцінити й ту енергію, при якій всі константи взаємодії стають рівними по
величині. При енергіях сучасних прискорювачів сильна взаємодія набагато перевершує по інтенсивності всі
інші сили й, відповідно до квантового хромодинамике, убуває з ростом енергії дуже слабко. Тому передвіщається, що та
енергія, при якій всі взаємодії в стандартній моделі стануть однаково сильними, повинна бути дуже великий,
порядку 1024 еВ = 1015 Гэв (обчислення, зроблені останнім часом, приводять, скоріше, до значення 1016 Гэв). Якщо
дійсно існує спонтанно порушена симетрія, що поєднує сильні й электрослабые взаємодії, те
повинні існувати й нові важкі частки, що входять поряд з W, Z, фотонами й глюонами в число переносників
взаємодії. Тоді енергія 1015 Гэв повинна відповідати масі цих нових надважких часток. Як буде видно
нижче, у сучасних теоріях суперструн не потрібно припускати існування окремої нової симетрії,
єднальної сильні й электрослабые взаємодії, але константи цих взаємодій рівняються при тієї ж
енергії 1016 Гэв.
158
Може здатися, що це всього лише чергове недосяжне велике число, але коли в 1974 р. була отримана ця
оцінка, у головах фізиків-теоретиків зазвучали дзвона. Ми всі знали про існування іншої дуже великої енергії,
природно виникаючої в будь-якій теорії, що намагається об'єднати гравітацію з іншими силами в природі. При
звичайних умовах сила тяжіння набагато менше, ніж сили, породжувані сильними, електромагнітними або слабкими
взаємодіями. Ніхто ніколи не спостерігав ніякого впливу сили тяжіння на процеси, що відбуваються між
частками на рівні окремих атомів або молекул, та й мало надії на те, що це коли-небудь стане можливим.
(Єдина причина, по якій тяжіння здається досить великою силою в нашім повсякденному житті, пов'язана з
тим, що Земля складається з дуже великої кількості атомів, кожний з яких вносить свій крихітний внесок у поле тяжіння
на поверхні Землі.) Однак відповідно до загальної теорії відносності всі ефекти тяжіння зв'язані не тільки з масою,
але й з енергією. Саме тому фотони, у яких немає маси, але які мають енергію, відхиляються гравітаційним
полем Сонця. При досить більших енергіях сила тяжіння між двома типовими елементарними частками
стає настільки ж великий, як і будь-яка інша діюча між ними сила. Та енергія, при якій це відбувається,
становить приблизно 1019 Гэв. Її називають планковской енергією1).
Разюче, що планковская енергія всього лише приблизно в сто разів більше тієї енергії, при якій стають
рівними константи сильного й электрослабого взаємодій, незважаючи на те, що й та й інша енергії незмірно
перевершують енергії, звичайно використовувані у фізику часток. Те, що ці дві величезні енергії відносно настільки близькі,
є серйозним доводом на користь того, що порушення будь-якої симетрії, що поєднує сильні й электрослабые
взаємодії, - усього лише частина більше фундаментального порушення тієї симетрії, що поєднує гравітацію з
іншими силами в природі. Можливо, не існує окремий єдиної теорії сильних і электрослабых взаємодій, а
існує дійсно єдина теорія гравітаційних, сильних, електромагнітних і слабких взаємодій 2).
На жаль, гравітація залишилася осторонь від стандартної моделі, і причина цього в надзвичайних труднощах опису
гравітації
1) В 1899 р. Макс Планк помітив, що існує природна одиниця виміру енергії, побудована з
світових констант - швидкості світла, квантової постійної (пізніше названої ім'ям Планка) і ньютоновской
постійної тяжіння, що входить у відому формулу для сили тяжіння, що діє між двома масами.
2) Таку теорію в англомовній літературі називають TOE (по перших буквах англійських слів Theory Of
Everything), а по-російському іноді переводять як Теорія Всього Сущого (TBC). - Прим. з.
159
мовою квантової теорії поля. Можна, звичайно, просто застосувати правила квантової механіки до рівнянь поля
тяжіння в загальній теорії відносності, але ми відразу зіштовхуємося зі старою проблемою бесконечностей. Наприклад,
якщо ми спробуємо обчислити ймовірність того, що відбудеться при зіткненні двох гравітонів (часток, що є
квантами гравітаційного поля), ми одержимо цілком помітний внесок у цю ймовірність від процесу обміну одним
гравітоном між гравітонами, що зіштовхуються. Але варто тільки продовжити обчислення й урахувати обмін двома
гравітонами, відразу ж виходять нескінченні ймовірності. Ці нескінченності можна усунути, якщо змінити рівняння
Эйнштейна для гравітаційного поля, додавши в них новий доданок з нескінченним постійним множником і підібравши
його так, щоб він скоротив першу нескінченність. Але якщо тепер включити в обчислення процес із обміном трьома
гравітонами, то ми одержимо нові нескінченності, які вдасться скоротити тільки додаванням нових нескінченних
доданків у рівняння, і т.д., поки ми не прийдемо до теорії з необмежено більшим числом невідомих констант.
Подібні теорії можуть бути реально корисними при розрахунку процесів при низьких енергіях, коли нові доданки в
рівняннях поля пренебрежимо малі, але ці теорії втрачають усяку предсказательную силу, якщо намагатися застосовувати їх до
гравітаційним явищам при планковских енергіях. На сьогоднішній день розрахунки фізичних процесів при
планковских енергіях нам просто не під силу.
Звичайно, ніхто й не вивчає експериментально процеси при планковских енергіях (і до того ж не досліджує на досвіді
які-небудь квантові гравітаційні процеси, начебто гравітон-гравитонного розсіювання при будь-яких енергіях), але для того,
щоб теорія могла розглядатися як задовільна, вона не тільки повинна согласовываться з результатами вже
пророблених експериментів, але повинна давати розумні пророкування й для тих експериментів, які в принципі можуть
[...]
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