Единая теория поля

Теория электрослабого взаимодействия. В конце 1960-х годов электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе, были объединены в одно - электрослабое взаимодействие. Теория была создана независимо С.Вайнбергом и А.Саламом. В 1979 году они совместно с Глэшоу получили Нобелевскую премию.

Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Во-первых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не превращает частицы в другие частицы.

В теории Вайнберга–Салама фотоны и W⁺,W^-,Z⁰-бозоны имеют общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что бозоны очень массивны (87 m^p). При энергиях больше 10² Гэв разница между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами единого электрослабого взаимодействия.

Теория Великого объединения (ТВО) объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях более 10¹⁴ Гэв или на расстояниях менее 10^-29 см эти три взаимодействия имеют общую природу (описываются общей константой). Кварки и лептоны здесь практически неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Существуют разные варианты ТВО, они имеют следующие общие черты:

-кварки и лептоны являются подлинно элементарными (неделимыми) – шесть кварков, шесть лептонов и их античастицы (всего 24 частиц) являются кирпичиками вещества;

-открытие новых типов полей, превращающих кварки в лептоны, т.е. предсказываются новые переносчики взаимодействия (сверхтяжелые промежуточные X- и Y–бозоны, обладающие массой 10¹⁴ m_p, цветом и электрическими зарядами 1/3 и 1/4);

-предсказывается нестабильность протона (время жизни примерно 10³³ лет), из которого вытекает нестабильность вещества;

-предсказывается существование магнитного монополя – стабильной и очень тяжелой частицы массой 10⁸ масс протона.

Их обнаружение будет великими физическими экспериментами. Кажущийся парадокс – протон содержит внутри себя Х-бозон, который тяжелее - объясняется принципом неопределенности.

Единая теория поля (ЕТП, суперсимметрия, супергравитация, квантовая теория гравитации) объединяет все четыре взаимодействия. Теория показывает, что объединение взаимодействий происходит при энергиях больше 10¹⁹ Гэв. Теория должна обеспечить переход (симметрию) от носителей субстрата материи (лептонов и кварков) к носителям структуры материи (переносчикам взаимодействий) и наоборот. Гравитон здесь не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Гравитино – частицы со спином 3/2. Переносчики других взаимодействий также сопровождаются новыми частицами-переносчиками – фотино, вино, зино, глюино.

Идея суперсимметрии в природе: постулируется единая природа всех частиц. Это кульминация теоретической физики. С созданием супергравитации можно получить ответы на следующие вопросы:

-почему пространство трехмерно, а время одномерно;

-сколько существует фундаментальных взаимодействий;

-сколько существует элементарных частиц;

-почему мировые константы имеют именно такую величину;

-от чего зависят константы (например, заряд электрона).

ЕТП не завершена, есть сомнения в ее получении в рамках квантовой теории поля (КТП или стандартной модели). Главная трудность – отсутствие связи гравитации с физикой элементарных частиц, квантовой теории микрогравитации. Новая нестандартная модель (теория суперструн) предполагает обоснование физики геометрией, возрождает идею многомерности пространства.

Теория суперструн (М-теория, многомерная супергравитация) пришла на смену стандартной модели на рубеже XX-XXI веков. Первоначально в ее основе лежала идея о том, что элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные образования, а как одномерные вибрирующие струны. КТП здесь есть приближение теории суперструн.

Струны-гравитоны либо свернуты в петли, либо являются незамкнутыми отрезками. Они не имеют толщины, длина порядка планковской величины 10^-33 см, имеют огромное натяжение порядка 10³⁹ тонн. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу пространства и времени. Характеристики элементарных частиц объясняются резонансными колебаниями струн (модами). Масса элементарной частицы определяется энергией колебания струны. Взаимодействие элементарных частиц представляются как распады и слияния струн. Пространство и время существуют, когда все множество струн упорядочено (колеблются согласовано).

Из теории суперструн следуют важные выводы:

-число элементарных частиц бесконечно как бесконечно число мод колебаний;

-возможно существование новых фундаментальных взаимодействий.

Построить последовательную теорию супергравитации в пространстве трех измерений не получается. Наименьшая размерность, при которой удается справиться с трудностями – 9. Теория предполагает дополнительные пространственные измерения - минимум шесть. Они находятся в свернутом состоянии в каждой точке пространства в пределах 10^-33 см. Из всех взаимодействий дополнительные измерения доступны только гравитации. Так как струны очень малы, они колеблятся во всех измерениях, поэтому фундаментальные свойства элементарных частиц определяют геометрию дополнительных измерений.

Позднее струны стали считаться не только одномерными - их обозначают как р-брана. Струны (р-браны) – элементарные «частицы» р-измерений в теории суперструн. 1-брана называется струной, 2-брана называется мембраной и т.д. Каждому из таких объектов могут соответствовать собственные физические законы. Наше пространство также может рассматриваться как 3-брана замкнутой на себя Вселенной. Более того, возможна 0-брана, которая предшествовала существованию пространства и времени.

Теория предсказывает, что некоторые свернутые измерения могут иметь размеры в пределах долей миллиметра. Планируются эксперименты по их обнаружению. Суть – измерение силы тяготения в этих пределах (если для нашего пространства сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то для струн может быть другая степень). Теория предсказывает струны космических размеров, которые возникли на начальном этапе развития Вселенной. Теория предсказывает частицы с электрическими зарядами 1/5, 1/11, 1/13 и 1/53. Предсказывается непостоянство некоторых физических констант. Недавно эксперименты показали, что постоянная тонкой структуры (количественная характеристика электромагнитного взаимодействия) в прошлом была заметна меньше.

Математическое описание шестимерных пространств сложно (десятки тысяч уравнений). Уравнения сложны даже для формулировки. Их решения приблизительны.

Теория суперструн далеко опередила возможности эксперимента. Таким образом, создание единой теории материи зависит от экспериментов – от создания мощных ускорителей, от изучения космических лучей.

Новая физика. Не исключены другие варианты развития физики. Например, это зависит от открытия субкварковых частиц, неизвестных видов материи и энергии, неподтверждения теории суперструн и т.д.

Поиск по сайту: