Фундаментальные физические взаимодействия

3.2. Квантовая  теория гравитации

Сложнее обстоит вопрос с созданием кванта теории гравитации. Если для создания квантовой электродинамки необходимо было найти способы синтеза квантовой механики и специальной теории относительности, то для построения  квантовой теории гравитации необходимо объединить квантовую  механику с общей теорией относительности. 

Развитие теоретической физики осуществляется через выявление и разрешение противоречий, которые возникают, с одной стороны, между опытом и теорией, а с другой — между самим и теориями. В противоречия, конфликты вступают между собой и фундаментальные теории. Обычно разрешаются такие конфликты путем создания еще более фундаментальной теории. Так, общая теория относительности возникла как результат разрешения противоречий  между специальной теорией относительности и теорией гравитации Ньютона .История повторилась после создания квантовой механики. Оказалось, что квантовая механика несовместима с общей теорией относительности. Эти две мощные теории находятся между собой в состоянии конфликта.

В чем его суть? Как и любая физическая теория, ОТО имеет свою область применения. Она применяется к объектам с огромными размерами и массой, астрономическим расстояниям, крупным масштабам времени. Пространство (и время) таких объектов характеризуется искривленностью и гладкостью, в них не проявляют себя квантовые эффекты, порожденные соотношением неопределенностей. ОТО — неквантовая теория. Тем не менее, согласно общим теоретико-физическим представлениям, гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам, как все остальные физические поля. Иначе возникают множественные противоречия в основаниях современной физики, в том числе связанные с принципом неопределенности и др.

Но применение квантовых принципов к ОТО связано с существенными трудностями. Так, если с точки зрения ОТО гравитационное поле в пустом пространстве равно нулю, то согласно квантовой механике оно будет нулевым в среднем, а в каждой точке пространства и времени в микромасштабах его значение будет изменяться за счет квантовых флуктуаций. И эти значения нарастают при переходе к ультрамикроскопическим расстояниям интервалам времени; здесь квантовые флуктуации выражаются в множественных хаотических деформациях пространства и времени. В этом случае пространство и время деформируются в такой степени, что их искривление приобретает вспененный, хаотической, турбулентный, вихреобразный характер (поэтому такие деформации получили название квантовой пены). В таких условиях ОТО неприменима. Более того, квантование гравитации приводит  к появлению представлений о разрывах пространства и времени, т.е. о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины и элементарного  временного интервала .А из   этого в свою очередь следует, что внутри квантов пространства теряют смысл понятия «дальше», «ближе», а внутри квантов времени теряют смысл понятия «раньше» и «позже». На таком уровне сути исчезает сам предмет общей теории относительности — пространство и время.

Расчеты явлений квантовой гравитации с использованием м тематических аппаратов ОТО и квантовой механики часто приводят к нелепым решениям, которые содержат бесконечности и могут справиться с непредсказуемой хаотичностью квантовой пены. Очевидно, что для описания всех таких процессов необходимо разработка особого аппарата квантовой теории гравитации. Однако последовательная квантовая теория гравитации до сих пор не создана. Это связано с рядом обстоятельств. Во-первых, возможности современной экспериментальной физики не позволяют непосредственно фиксировать квантовые эффекты гравитации в силу их чрезвычайной слабости. Трудно продвигается и развитие гравитационной астрономии, способной фиксировать гравитационные волны, распространяемые при коллапсе звезд, ядер галактик, образовании черных дыр, слиянии двух черных дыр в одну и др. Во-вторых, неясны теоретические принципы, которые позволили бы объединить ОТО и квантовую механику. Многочисленные, часто смелые и остроумные попытки такого объединения терпели провал за провалом.

В этих условиях сложилось два различных мнения о будущем квантовой теории тяготения. Согласно первому из них, проблема все-таки может быть решена с позиций принципов квантовой теории поля, через поиск форм синтеза ОТО и квантовой механики, через опыт решения задач, параметры которых намного превосходят планковские. Согласно второй точке зрения, трудности синтеза квантовой механики и ОТО носят не технический, а принципиальный характер, они имеют глубинные основания, снизанные с нашим незнанием, непониманием основ Вселенной, материальной организации мира. Эта вторая точка зрения в последнее время стала преобладать. На рубеже XX—XXI вв. благодаря разработке теории струн появились реальные возможности разрешения конфликта между ОТО и квантовой механикой и построения непротиворечивой квантовой теории гравитации.

3.3. Теории слабого и электрослабого взаимодействий

В 1960-е гг. в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности единого электрослабого взаимодействия. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась.

Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана двумя независимо работавшими физиками — Вайнбергом и А. Саламом. Составной частью этой теории является теория слабого взаимодействия, которая разрабатывалась одновременно и в тесной связи с теорией электрослабого взаимодействия. Создание теории электрослабого взаимодействия оказало глубокое и решающее влияние на развитие физики элементарных частиц во второй половине XX в. Главная идея этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, ключом к которой является понятие симметрии.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо было установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного, поскольку само слабое взаимодействие является более сложным. Это иллюстрируется рядом обстоятельств. Так, в слабом взаимодействии нередко участвуют частицы, по крайней мере, четырех различных типов (при распаде нейтрона, например, нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Кроме того, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению них частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Выяснилось, что для поддержания симметрии слабого взаимодействия необходимы три новых силовых поля в отличие единственного электромагнитного поля. Значит, должны существовать три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, одному для каждого поля. Они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы  W+ и W-и являются переносчиками двух  из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле  соответствует электрически нейтральной частице-переносчику и получившей название  Z-частицы. Существование Z-части означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаются  переносом электрического заряда.

Почему же электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами? Теория Вайнберга—Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Первоначально  W- и Z-кванты не имеют массы, но из-за нарушения симметрии некоторые частицы Хиггса сливаются    W- и Z- частицами, наделяя их массой. А фотон не участвует в этом процессе слияния с частицами Хиггса и потому не обладает массой покоя. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку оно непосредственно связано с массами W- и Z-частиц. Можно сказать, что слабое взаимодействие столь мало потому, что - W- и Z- частицы очень массивны.

Наиболее убедительная экспериментальная проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических   W- и Z-  частиц. Их открытие в 1983 г. стало возможным только с созданием очень мощных ускорителей новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга — Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия.

В 1979 г. С. Вайнбергу, А. Саламуи Ш. Глэшоу была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.

3.4. Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути познания фундаментальных взаимодействий — создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию. Последнее можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков (попарно или тройками) в адроны .Обмен глюонами изменяет «цвет» кварков, но оставляет неизменными остальные характеристики, т.е. сохраняет их сорт («аромат»).

Теория сильного взаимодействия создавалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей, их квантами являются глюоны. Таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов.

Как и фотоны, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1.Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешаные; глюоны состоят из «цвета» и «антицвета». Поэтому испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»), но не изменяет его «аромат», сорт.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление: поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей — кварков . В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму красный + зеленый + синий. Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк—антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (белая), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный (белый) мезон.

Квантовая хромодинамика — нелинейная теория. Это связано с тем, что в отличие от электромагнитного поля, глюонные поля сами порождают глюонные поля и взаимодействуют друг с другом. И тем не менее квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинаций кварков, взаимодействие глюонов между собой, взаимодействие кварков и глюонов по типу КЭД (кварки покрыты облаками виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар), сложную структуру адрона, состоящего из «одетых» в облака кварком, и др. Кроме того, квантовая хромодинамика объясняет, почему кварки не существуют в свободном состоянии (они всегда находятся внутри адронов, так называемое пленение кварков).По-видимому, потому что силы, порождаемые обменом глюонами, с ростом расстояния между глюонами, не ослабевают, а, наоборот, возрастают до бесконечности («удержание цвета»).

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но экспериментальный статус ее достаточно прочен и достижения многообещающи.

3.5. На  пути к... Великому объединению

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 1 0 n ГэВ, где n = 1 4 или на расстояниях r < 1 0 n см, где n = - 2 9 , сильные и слабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы.

В 70-90 -е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения.

Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей.

Во - первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты.

Во - вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов эти полей уже известны: фотон, две W -частицы, Z -частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У -частицы (с электрическим зарядом 1 / 3 и 4 / 3 ). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У -частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).