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. 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 что 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» и даст возможность изучать взаимодействия между частицами на расстояниях, меньших «планковской длины» 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 к модулю 4

 1. Почему механика Ньютона представляет собой пример теоретического уровня научного знания?

 2. Какие идеализированные объекты и понятия используются в механике Ньютона?

 3. В чем причина необычайной предсказательной “силы” ньютоновской механики?

 4. Какими объектами и явлениями ограничивается область применения классической механики?

 5. В чем заключается триумф небесной механики, созданной в XVII в.?

 6. Чем определяется состояние материальной точки?

 7. Какие законы сохранения имеют наибольшее значение в классической механике?

8. Чем отличаются корпускулярный и континуальный подходы к вопросу о структуре материи?

9. Что такое скалярное и векторное поле и как выглядят их графические “портреты”?

10. В чем отличие концепций дальнодействия и близкодействия?

11. Как происходил переход от корпускулярной к волновой концепции света?

12. Что такое электромагнитное поле и какими уравнениями описываются его свойства?

 13. В связи с чем возникло представление об абсолютно неподвижном эфире?

 14. Какие постулаты лежат в основе специальной теории относительности?

 15. Что такое преобразования Лоренца и какие следствия из них вытекают?

 16. Что такое энергия связи?

 17. В чем заключается физический смысл искривленного четырехмерного пространства-времени в общей теории относительности?

18. Чем статистические закономерности отличаются от динамических?

19. Как задается состояние системы в статистической теории?

20. Что такое плотность вероятности случайной величины?

21. Каков физический смысл первого начала термодинамики?

22. Как можно сформулировать второе начало термодинамики?

23. В чем заключается физический смысл понятия энтропии?

24. Как возникла концепция “тепловой смерти” Вселенной и почему от нее, в конце концов, пришлось отказаться?

25. С решением какой физической проблемы связано появление квантовой концепции?

26. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

27. Какие постулаты были положены Н.Бором в основу его теории атома?

28. Какой физический смысл имеет введенная Э.Шредингером Y-функция микрочастицы?

29. Что такое принцип неопределенности Гейзенберга?

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

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

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

33. Какие фундаментальные взаимодействия объясняют поведение элементарных частиц?

34. На какие основные группы подразделяются элементарные частицы?

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

36. Что такое теория великого объединения и какие основные проблемы связаны с ее экспериментальным обоснованием?

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

Литература к модулю 4

1. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: учебное пособие для вузов / Т.Я.Дубнищева. - М.: ИЦ «Академия», 2009. – С. 44 – 239.

2. Попков, В.И. Концепции современного естествознания: (электронный ресурс): интерактивный учеб. курс/ В.И.Попков. – Брянск: БГТУ, 2008. – 552 с. – 27,8Мб. - Режим доступа: http://mark.lib.tu-bryansk.ru/marcweb2/Default.aspю - С. 110 - 183.

МОДУЛЬ 5