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
бути виконані. Щодо цього загальна теорія відносності багато років була в тім же положенні, що й теорія
слабких взаємодій наприкінці 60-х рр., - вона прекрасно согласовывалась із тими експериментами, які можна було
здійснити, але містила внутрішні протиріччя, що показували, що теорія має потребу в модифікації.
Значення планковской енергії ставить перед нами ще одну труднейшую проблему. Справа не в тім, що ця енергія так
велика - вона виникла у фізику на такому глибокому рівні, що можна просто допустити, що планковская енергія є
характерна одиниця енергії, що входить у рівняння майбутньої остаточної теорії. Загадка полягає в тім, чому всі
інші енергії так малі? Зокрема, у первісній версії стандартної моделі маси електрона, W, Z і всіх кварків
пропорційні єдиній масі, входячи-
160
щей у рівняння теорії, - масі хиггсовской частки. З того, що ми знаємо про маси W і Z, можна вивести, що
енергія, що відповідає масі хиггсовской частки, не може перевищувати 1 ТОВ Гэв. Але це всього лише 10~16
планковской енергії. Це означає також, що існує ієрархія симетрій: яка би симетрія не поєднувала
гравітаційні й сильні взаємодії з электрослабыми взаємодіями, вона повинна порушуватися в 1016 разів сильніше,
чим симетрія, що поєднує електромагнітні й слабкі взаємодії. Загадка пояснення дивовижної різниці в
величині фундаментальних енергій у сучасній фізиці елементарних часток зветься проблеми ієрархії.
Більше п'ятнадцяти років проблема ієрархії коштує як кістка в горлі теоретичної фізики. Спонукальним мотивом
багатьох теоретичних спекуляцій останнього часу була необхідність її рішення. Підкреслимо, що тут немає
парадокса - зрештою, чому б якоїсь енергії у фундаментальних рівняннях фізики й не бути в 1016 разів
менше, ніж інший, - але тут є таємниця. Саме тому проблема так важка. Парадокс, як убивство в замкненої
кімнаті, може мати своє пояснення, але таємниця примушує нас шукати ключі до неї поза рамками самої проблеми.
Один з підходів до рішення проблеми ієрархії заснований на ідеї симетрії нового типу, названої
суперсиметрією173, що поєднує в нові «суперсімейства» частки з різним значенням спина. В
суперсиметричних теоріях є трохи хиггсовских часток, але симетрія забороняє появу яких-небудь мас
хиггсовских часток у фундаментальних рівняннях теорії!174. Те, що ми називаємо масами хиггсовских часток в
стандартної моделі, повинне виникати в результаті складних динамічних ефектів, пов'язаних з порушенням
суперсиметрії. В іншому підході175, що згадувався вище, висловлюється ідея, що порушення электрослабой симетрії
відбувається не за рахунок вакуумного середнього якогось поля, а в результаті якогось сверхсильного взаємодії.
На жаль, дотепер немає ні найменших ознак існування в природі суперсиметрії або якихось
сверхсильных взаємодій176. Звичайно, це не може бути вирішальним аргументом проти названих ідей - нові
частки, що пророкуються в цих теоріях для рішення проблеми ієрархії, можуть виявитися занадто важкими, щоб
бути породженими на існуючих прискорювачах.
Ми очікуємо, що хиггсовские частки або інші нові частки, існування яких потрібно в різних моделях
рішення проблеми ієрархії, будуть відкриті на досить потужних нових прискорювачах типу Надпровідного
суперколлайдера. Але немає ні найменших шансів, що будь-який прискорювач, який ми тільки можемо уявити, зуміє прискорити
окремі частки до тих дивовижно
161
більших енергій, при яких поєднуються всі сили. Коли Демокрит і Левкипп обговорювали ідею про атоми, вони й
уявити не могли, що ці атоми в мільйони разів менше, ніж піщини на березі Егейського моря, або що пройде 2 300
років перш, ніж будуть отримані докази існування атомів. Наші міркування підвели нас до берега в багато
раз більше широкої протоки: ми думаємо, що всі сили природи поєднуються при енергіях порядку планковской енергії,
яка в 1015 разів більше найбільшої енергії, доступної сьогоднішнім прискорювачам.
Відкриття цієї колосальної протоки зробило на фізику вплив, що далеко виходить за рамки проблеми ієрархії. З
однієї сторони, виникло нове розуміння старої проблеми бесконечностей. У стандартній моделі, як і в старої доброї
квантовій електродинаміці, випущення й поглинання фотонів і інших часток необмежено більших енергій приводило
до нескінченно більших внесків в енергію атома й інші спостережувані величини. Щоб розібратися із цими
бесконечностями, треба було, щоб стандартна модель мала особливу властивість перенормируемости,
заключающемся в тім, що все нескінченності в теорії повинні скорочуватися з іншими бесконечностями, що виникають в
визначеннях голих мас і інших констант, що входять у рівняння теорії. Ця умова була дуже істотним
підмогою при побудові стандартної моделі - тільки теорії з найпростішими з можливих рівняннями є
перенормованими. Але оскільки стандартна модель не включає гравітацію, ми думаємо зараз, що вона є тільки
низкоэнергетическое наближення до дійсно фундаментальної єдиної теорії, що втрачає застосовність при
енергіях, близьких до планковской. Чому ж тоді треба серйозно ставитися до тому, які пророкування дає ця теорія
щодо випущення й поглинання часток необмежено більших енергій? А раз це не має значення, те навіщо
тоді вимагати перенормируемости стандартної моделі? Проблема бесконечностей залишається з нами, але це проблема
майбутньої остаточної теорії, а не її низкоэнергетического наближення начебто стандартної моделі.
У результаті такого переосмислення проблеми бесконечностей, ми думаємо зараз, що польові рівняння стандартної
моделі не ставляться до дуже простого перенормованого типу, а містять насправді всі мислимі що складаються,
сумісні із симетріями теорії. Але тоді нам варто пояснити, чому старі перенормовані квантові теорії
поля, начебто найпростіших версій квантової електродинаміки або стандартної моделі працюють так добре. Ми думаємо, що
причина цього корениться в тім, що всі члени в рівняннях поля, за винятком перенормованих, обов'язково виникають
у цих рівняннях поділеними на якийсь ступінь величини порядку планковской енергії. Тому внесок таких
доданків у будь-який
162
спостережуваний фізичний процес буде пропорційнийі ступені відносини енергії процесу до планковской енергії,
т. е. величині порядку 10-15. Це таке крихітне число, що природно, всі такі ефекти неможливо спостерігати. Іншими
словами, умова перенормируемости, що була дороговказною ниткою всіх наших міркувань від квантової
[...]
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