На переднем крае физики микромира

Генеральным направлением в физике микромира является установление единой первопричины всех четырех фундаментальных взаимодействий, т.е. создание такой теории, в которой все известные сейчас взаимодействия были бы частными случаями одного фундаментального взаимодействия. Известно, что этим вопросом с 1933 года вплоть до своей смерти в 1955 году занимался А.Эйнштейн, однако его попытки построить единую теорию поля окончились неудачей[1]. Первый серьезный успех на пути к единому описанию всех взаимодействий был достигнут в конце 60-х годов нашего столетия, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединяющий электромагнитное и слабое взаимодействия. Авторам этой теории электрослабого взаимодействия А. Саламу, С. Вайнбергу и Ш. Глэшоу в 1979 году была присуждена Нобелевская премия.

Следующим шагом стала попытка физиков-теоретиков объединить электрослабое и сильное взаимодействие. Речь идет о так называемом Великом объединении (Grand Unification), в котором оба названных взаимодействия выступали бы как разные аспекты одного явления. И здесь достигнуты впечатляющие результаты, которые, однако, нуждаются в экспериментальном подтверждении. Например, одним из самых заветных желаний физиков сейчас является экспериментальное обнаружение бозонов Хиггса - частиц, вызывающих спонтанное нарушение симметрии Великого объединения, которое и приводит к наблюдаемым различиям электрослабого и сильного взаимодействия. «Стоимость» удовлетворения этого желания составляет несколько миллиардов долларов, о чем говорилось в начале этой главы.

Другой проблемой на пути экспериментального обоснования теории Великого объединения является наблюдение возможного распада протона, который вне рамок этой теории считается абсолютно устойчивым. Дело в том, что главным следствием теории Великого объединения является необходимость существования наряду с глюонами, фотоном и промежуточными бозонами, ответственными за уже известные взаимодействия, новых элементарных частиц, испускание или поглощение которых должно приводить к прямому превращению кварка в лептон (ведь в теории Великого объединения уже нет принципиальной разницы между этими частицами). А это значит, что протон должен быть нестабильным в связи с возможностью исчезновения одного или нескольких составляющих его кварков. В частности, протон может распасться на p⁰-мезон (связанное состояние кварк - антикварк) и позитрон е⁺. Распад протона - чрезвычайно маловероятное событие, так как время жизни протона должно превышать 10³¹ - 10³² лет. Такое время гораздо больше времени существования Вселенной (~ 10¹⁰ лет), хотя это и не означает, что подобный распад принципиально невозможно обнаружить.

Что касается «суперобъединения» всех четырех фундаментальных взаимодействий, то на этом пути делаются только первые шаги. В рамках обычной теории поля, где частицы рассматриваются как точечные, не удается построить ни одной удовлетворительной квантовой теории гравитации. В настоящее время большие надежды возлагаются на теорию суперструн, которая развивается с удивительной скоростью, так как все больше и больше физиков-теоретиков участвуют в ее разработке. Считается, что эта теория позволит решить проблему «расходимости»1 и даст возможность изучать взаимодействия между частицами на расстояниях, меньших «планковской длины»2 10^-33 см. В такой теории частица рассматривается не как точечный объект, а как струна (со свободными концами или замкнутая), колеблющаяся определенным образом в десятимерном пространстве-времени.

Итак, универсальная теория, которая появится не скоро, должна будет объединить четыре фундаментальных взаимодействия, их симметрии и нарушение последних, приводящее к существованию различных семейств кварков и лептонов. При этом исключительно актуальной представляется задача экспериментального обнаружения частиц, предсказываемых суперсимметричными теориями. В то же время следует отдавать себе отчет в том, что чрезвычайно малые длины и очень большие энергии взаимодействия делают эту задачу трудновыполнимой. Именно это имелось в виду в начале главы, когда говорилось, что при благоприятных обстоятельствах мы лишь примерно через 200 лет сможем непосредственно работать на «планковских» масштабах.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие элементарные частицы были обнаружены в первой трети ХХ века?

2. Почему прогресс в физике элементарных частиц связан с созданием гигантских ускорителей?

3. Почему к элементарным частицам неприменимы обычные представления о части и целом, о простом и сложном?

4. Какие фундаментальные взаимодействия объясняют поведение элементарных частиц?

5. На какие основные группы подразделяются элементарные частицы?

6. Что такое кварки и почему их невозможно экспериментально обнаружить?

7. Что такое теория Великого объединения и какие основные проблемы связаны с ее экспериментальным обоснованием?

8. Почему при разработке теории суперобъединения была выдвинута концепция суперструн?

1 Следует отметить, что строительство этого ускорителя, который находится в Брукхевенской национальной лаборатории (США), в настоящее время успешно завершается, по-видимому, благодаря частным инвестициям.

1 Названия «адрон» и «лептон» происходят от греческих слов «тяжелый» и «легкий».

1 Сейчас ведутся поиски так называемых реликтовых кварков, которые оказались «неспаренными» с момента Большого Взрыва, когда образовалась наша Вселенная.

[1] Несмотря на это, ученые все чаще обращаются к работам Эйнштейна в области единой теории поля, так как эти работы содержат удивительно глубокие мысли, намного опередившие свое время. Например, чрезвычайно плодотворной оказалась идея Эйнштейна о том, что единая теория поля должна формулироваться в терминах многомерного пространства-времени. И действительно, выводы современной теории суперструн, являющейся одним из вариантов суперобъединения всех фундаментальных взаимодействий, формулируются для десятимерного пространства-времени.

1 Проблема расходимости связана с тем, что в квантовой теории поля выражения для некоторых наблюдаемых на опыте физических величин получаются бесконечно большими. Эта проблема является отражением и обобщением трудностей классической электродинамики при описании точечных зарядов (например, бесконечная собственная энергия точечного электрона),

2 «Планковской длиной» называют расстояние L между двумя заряженными частицами, на котором энергия кванта электромагнитного взаимодействия W = hn становится равной энергии гравитационного взаимодействия W_g = Gm²/L. Так как n = 1/Т=с/L , то из равенства hc/L=Gm²/L легко получается значение так называемой «планковской массы» m_p = . С другой стороны, приравнивая энергию кванта hn=hc/L энергии покоя «планковской частицы» m_pc², получаем выражение для «планковской длины»: L=h/mc=h/c = . Подставив в эти формулы известные значения мировых констант h, G, c, получим L » 1,6 × 10^-33 см, m_p»2,2 × 10^-5 г » 1,2 × 10¹⁹ ГэВ/с². Для сравнения укажем, что масса протона по порядку величины близка к 1 ГэВ/с².