1.1 Дорога к объединению
Во все времена развитие
физики было отмечено объединениями: событиями, когда различные явления начинали
рассматриваться связанными друг с другом и теории изменялись так, чтобы
отробразить это новое представление. Одно из таких самых
значительных объединений
произошло в девятнадцатом столетии.
До тех пор электричество и
магнетизм рассматривались, как несвязанные физические явления. Первым было
изучено электричество. Замечательные эксперименты Кавендиша были выполнены в
период между 1770 и 1773 годами. Затем последовали исследования Кулона, которые
были закончены в 1785 году. Эти работы дали теорию статического электричества,
или электростатику. Однако, последующее исследование магнетизма привело к открытию
его связи с электричеством. В 1819 году Эрстед открыл, что
электрический ток в проводе может отклонить стрелку компаса, помещенного
вблизи провода. Вскоре после этого Вио-Саварра (1820) и Ампер (1820-1825)
установили правила, по которым электрический ток создает магнитное поле.
Критический шаг был сделан Майклом Фарадеем (1831), который показал, что
изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поля. Уравнения,
которые описали все эти результаты стали доступными, но они были, в действительности,
несовместимыми друг с другом. Только Джеймс Кларк Максвелл (1865) открыл
набор совместимых
уравнений путем добавления нового члена к одному из уравнений. Этот член
не только убрал несовместимость, но он также привел к предсказанию электромагнитных
волн. Благодаря этому огромному достижению уравнения электромагнетизма (или
электродинамика) сейчас называются "Уравнениями Максвелла". Эти
уравнения объединяют электричество и магнетизм в одно непротиворечивое целое.
Эта элегантная и эстетически привлекательная унификация не была не обязательной.
Отдельные теории электричества и магнетизма не могут быть совместимыми.
Другая фундаментальная
унификация двух различных типов явлений произошла в конце 1960х годов, примерно
через сто лет после работы Максвелла. Эта унификация выявила глубокую связь
между электромагнитными силами и силами, отвечающими за слабое взаимодействие.
Чтобы оценить значение этой унификации, необходимо сначала сделать обзор
главным событиям, которые произошли в физике со времени Максвелла.
Важным изменением парадигмы
физики была разработка Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.
В этой теории есть замечательная концептуальная унификация различных понятий
пространтва и времени. В отличие от унификации сил, объединение пространства
и времени в пространственно-временной континуум представлял собой новое понимание
природы той арены, на которой происходят физические явления. Ньютоновская
механика была заменена релятивистской механикой, а старая идея об абсолютном
времени была отброшена. Было показано, что масса и энергия равнозначны.
Другое изменение парадигмы,
возможно даже более драматичное, произошло в сороковых годах, когда была открыта
квантовая механика. Разработанная Эрвином Шрёдингером, Вернером Гейзенбергом,
Полем Дираком и другими, квантовая теория была подтверждена, как правильная
основа для описания микроскопических явлений. В квантовой механике классические
наблюдаемые стали операторами. Если два оператора не коммутируют,
соответствующие наблюдаемые не могут быть измерены одновременно. Квантовая
механика - это скорее конструкция, чем теория. Она даёт правила того, как
нужно использовать теории для
того, чтобы они могли делать физические предсказания.
Дополнительно к этим
достижениям, физики поняли, что в природе существуют четыре фундаментальные силы.
Давайте коротко опишем их.
Одна из них - сила
гравитации. Эта сила была известна с античности, но была впервые точно описана
Исааком Ньютоном. Гравитация была подвергнута глубоким переосмыслениям в теории
общей относительности Альберта Эйнштейна. В этой теории
пространственно-временная арена специальной теории относительности приобретала
собственную жизнь, а гравитационные силы возникали из-за кривизны этого динамического
пространства-времени. Общая теория относительности Эйнштейна - это классическая
теория гравитации. Она не сформулирована как квантовая теория.
Вторая фундаментальная сила
- это электромагнитная сила. Как мы обсуждали ранее, электромагнитная сила
хорошо описывается уравнениями Максвелла. Электромагнетизм, или теория
Максвелла, формулируется как классическая теория электромагнитных полей.
Противоположно Ньютоновской механики, которая была модифицирована специальной
теорией относительности, Максвелловская теория полностью совместима со
специальной теорией относительности.
Третья фундаментальная сила
- это слабая сила. Эта сила отвечает за процесс ядерного бета-распада, в
котором нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Вообще говоря,
процессы в которых вовлечены нейтрино, происходят с участием слабых сил. В то
время, как ядерный бета-распад был известен с конца девятнадцатого столетия,
понимание того, что здесь работает новая сила, не приходило до середины
двадцатого столетия. Величина этой силы измеряется константой Ферми. Слабые
взаимодействия являются на много слабее, чем электромагнитные взаимодействия.
Наконец, четвертая сила есть
сильная сила, в наши дни называемая цветной силой. Эта сила ответственна за
удержание вместе частей, составляющих нейтрон, протон, пионы и многие других
субъядерные частицы. Эти составляющие части, называемые кварками, так крепко
держатся цветной силой, что они не могут быть видимыми отдельно.
Теперь мы готовы вернуться
к предмету унификации. В конце 1960х годов модель Вайнберга-Салама электрослабых
взаимодействий объединила электромагнетизм и слабую силу в объединенную
конструкцию. Эта унифицированная модель не была ни предписана заранее, ни
объяснена только путем рассмотрения простоты или элегантности. Она была
необходима для предсказательной и совместимой теории слабых взаимодействий.
Сначала была сформулирована теория с
четырьмя безмассовыми частицами, являющимися переносчиками сил.
Процесс нарушения симметрии дает массу трем из этих частиц: W+, W- и Z0. Эти частицы являются
носителями слабой силы. Частица, остающаяся безмассовой, - это фотон, который
является носителем электромагнитной силы.
Уравнения Максвелла, как мы
обсуждали ранее, являются уравнениями классического элетромагнетизма. Они не
дают квантовую теорию. Физики уже открыли методы квантования, которые могут
быть использованы для превращения классической теории в квантовую теорию -
теорию, которая может быть вычислена используя принципы квантовой механики.
Хотя классическая электродинамика может быть уверенно использована для
вычисления передачи энергии по силовым линиям и определения формы излучения радиоантенн,
она не будет ни точной, ни правильной теорией для микроскопических явлений.
Квантовая электродинамика (QED) - квантовая версия
классической электродинамики требуется для правильных вычислений в этой области.
В QED фотон появляется как квант электромагнитного поля. Теория слабых
взаимодействий является также квантовой теорией частиц, поэтому правильная
унифицированная теория - это квантовая электрослабая теория.
Процедура квантования также
является успешной в случае сильной цветной силы, а результирующая теория была
названа квантовой хромодинамикой (QCD). Носители цветной силы -
это восемь безмассовых частиц. Это цветные глюоны и, подобно кваркам, они не
наблюдаются по отдельности. Кварки реагируют на глюоны, потому что они несут
цвет. Кварки могут быть
трех цветов.
Электрослабая теория вместе
с QCD формируют Стандартную модель физики частиц. В стандартной модели есть
некоторая связь между эллектрослабым сектором и сектором QCD,
потому что некоторые частицы чувствуют оба типа сил. Но здесь нет реальной и
глубокой унификации слабой и цветной сил. Стандартная модель полностью
суммирует сегодняшние знания физики частиц. Поэтому, в действительности,
мы не уверены в какой-либо дальнейшей возможной унификации.
В Стандартной модели есть
двенадцать носителей сил: восемь глюонов, W+,W-, Z0 и фотон. Все они - бозоны.
Здесь имеется также много материальных частиц, все они - фермионы. Материальные
частицы - двух типов: лептоны и кварки. Лептоны включают электрон e-, мюон μ-,
тау τ- и соответствующие нейтрино νe,
νμ и ν τ. Мы можем
записать их как
Лептоны: (νe,
e-), (νμ, μ-)
и (ν τ, τ-).
Так как мы должны включить их античастицы, мы
получаем двенадцать лептонов. Кварки несут цветной заряд, электрический заряд
и ответственны также за слабую силу. Есть различные типы кварков. Поэтически
называемые ароматами, это следующие типы: повышающий up (u),
понижающий down (d), очарованный charm (c),
странный strange (s), верхний top (t)
и нижний bottom (b). Мы можем записать их, как
Кварки: (u, d),
(c, s) и (t, b).
Например, кварки u и d несут различные
электрические заряды и различным образом реагируют на слабую силу. Каждый из
шести кварковых ароматов, представленных выше, может быть вместе с одним из
трех цветов; это дает 6 × 3 = 18 частиц. Добавляя античастицы, получаем
всего 36 кварков. Складывая лептоны и кварки вместе, получаем 48 материальных
частиц.
Несмотря на большое число
частиц, которое она описывает, Стандартная модель довольно элегантна и очень
мощная. Как полная теория физики, однако, она имеет два значительных недостатка.
Первый недостаток - это то, что она не включает гравитацию. Вторым недостатком
является то, что она имеет примерно двадцать параметров, которые не могут
быть вычислены в рамках ее самой. Возможно, самый простой пример такого параметра
- это безразмерное (или с неопределенной единицей измерений) отношение
масс мюона и электрона. Значение этого коэффициента около 207 и оно должно
вводиться в модель вручную.
Большинство физиков верят,
что Стандартная Модель является только шагом по пути формирования полной теории
физики. Большое число физиков также ожидают, что Большая Унифицированная Теория
Grand Unified Theory (GUT)
докажет правильность унификации слабых и сильных сил. Пока, однако, унификация
этих двух сил появляется как необязательная.
Другая интересная возможность заключается в том, чтобы более
полная версия Стандартной Модели включала бы суперсимметрию. Суперсимметрия -
это симметрия, которая связывает бозоны и фермионы. Так как все материальные
частицы являются фермионами, а все силы переносятся бозонами, эта замечательная
симметрия объединит материю и силы. В теории с суперсимметрией бозоны и
фермионы появляются парами одинаковой массы. Частицы Стандартной Модели не
имеют этого свойства, поэтому суперсимметрия, если она существует в природе,
должна быть спонтанно нарушена. Суперсимметрия является такой привлекательной
симметрией, что многие физики верят, что в конце концов она будет открыта.
Хотя выше упомянутые
расширения теории могут произойти, но могут и не произойти, ясно, что внедрение
гравитации в структуру физики частиц не является не обязательной.
Гравитация должна быть включена с унификацией или без нее, если она должна
иметь полную теорию. Эффекты гравитационной силы в нашу эпоху на
микроскопическом уровне весьма
незначительны, но являются решающими при изучении
космологии ранней вселенной.
Однако есть главная
проблема, возникающая при попытках добавить гравитационные силы в Стандартную
Модель. Стандартная Модель - это квантовая теория, а общая теория
относительности Эйнштейна - это классическая теория. Кажется весьма сложным,
если вовсе невозможным, иметь непротиворечивую теорию, которая частично
является квантовой, а частично - классической. Имея ввиду успехи квантовой
теории, широко распространено мнение, что гравитация должна быть преобразована
в квантовую теорию. Процедура квантования, однако, в
случае гравитации встречает большие сложности. Результирующая теория квантовой
гравитации оказывается либо невычисляемой, либо тотально непредсказуемой, а обе
возможности неприемлемы. На практике во многих обстоятельствах можно уверенно
работать с классической гравитацией в соединении со Стандартной Моделью. Например,
это принято для описания вселенной в наши дни. Теория квантовой гравитации, однако,
необходима для изучения физики во времена, очень близкие к Большому Взрыву
и для изучения некоторых свойств черных дыр. Формулировка квантовой теории, которая
включает гравитацию и другие силы, кажется, фундаментально необходимой. Объединение
гравитации с другими силами может потребоваться для построения полной теории.