Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика, таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимо- действия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать различными качествами, различной физикой и различным образом взаимодействовать ? Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объ- единения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работа Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность существования «теории всего». Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недо- стижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элемен- тарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц рас- щеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие» вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни
новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологи- ческим противоречием, космической шуткой. Древние греки счита- ли, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита для обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил, что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, ко- торый не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий ра- зум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия. Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтро- нов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон или нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удержива- ющую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку сегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влило новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки. В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Салам совершили ошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение сла- бого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называе- мые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена но- выми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами. Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили Нобелевскую премию за совместную работу в области объединения двух из четырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодей- ствий, — а также за активные исследования в области сильного ядер- ного взаимодействия. В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, по- лученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC), обстреливающем цель мощными зарядами электронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили, что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюо-
нами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодей- ствия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада, можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обме- ниваются между собой глюонами. Это привело к созданию новой теории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовой хромодинамикой. Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить три взаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так на- зываемую Стандартную модель — теорию кварков, электронов и нейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W- и Z-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетий мучительной работы и исследований в области физики частиц. В на- стоящее время Стандартная модель способна структурировать все без исключения экспериментальные данные, имеющие отношение к физике частиц. Хотя Стандартная модель — одна из наиболее успешных физиче- ских теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить, что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, ко- торая столь топорно описана. Например, в этой теории существует 19 произвольных параметров, которые вписаны эмпирически (т. е. различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, их нужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в под- линно объединяющей теории, эти константы должны определяться самой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов). Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц, называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самом фундаментальном уровне будет использовать три точные копии су- батомных частиц. Если не считать их массы, то эти частицы точные копии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, масса которого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица, с массой в 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакого упоминания о силе гравитации, хотя гравитация, пожалуй, наиболее всепроникающая сила во Вселенной. Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающий экспериментальный успех, кажется такой надуманной, физики пыта- лись создать еще одну теорию, или теорию Великого Объединения (ТВО), которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем
основании. Она также рассматривала глюон, W- и Z-бозоны и фотон на одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окон- чательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительным образом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния с остальными силами, как мы это увидим.)
Кварки Лептоны Первое поколение Ф U-кварк (up) Ф D-кварк (down) Ф Электрон Ф Нейтрино Второе поколение Ф С-кварк очарование Ф S-кварк странность Ф Мюон Ф Мюонное нейтрино Третье поколение Ф Т-кварк (top) Ф - В-кварк (bottom) Ф Тау Ф Тау- нейтрино Ф W-бозон t Z-бозон ± О Бозон Хиггса Это субатомные частицы, содержащиеся в Стандартной модели — наиболее успешной теории элементарных частиц. Она построена на кварках, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонах, таких, как электрон и нейтрино, и многих других частицах. Обратите внимание, что результатом модели являются три одинаковые копии субатомных частиц. Поскольку Стандартная модель не может объяснить гравитацию (и кажется такой нелепой), физики-теоретики считают, что эта теория не может быть окончательной.
Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологию новую парадигму. Идея была очень простой и изящной: в момент Большого Взрыва все четыре основные силы объединились в еди- ную связанную силу, загадочную «сверхсилу». Четыре силы были равны друг другу по значимости и являлись частью единого связного целого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться и остывать, изначальная «сверхсила» начала «расщепляться» и от нее одна за другой начали «отпадать» различные силы.
Согласно этой теории, остывание Вселенной после Большого Взрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидком состоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однако при замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечных ледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальная однородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырь- ки и кристаллы. Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно по- вреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит из неровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидов и взрьшающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, — бо- лее того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны друг с другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, — это то, что она уже старая и холодная. Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства, до сегодняшнего дня она прошла много «фазовых переходов», или изменений состояния, при которых вселенские силы одна за другой освобождались от взаимодействия с остальными по мере остывания Вселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать эта- пы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершен- ного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной, которое мы видим на сегодняшний день. Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимо точно понять, как произошли эти «фазовые переходы» с момента создания Вселенной, которые ученые называют «спонтанными нарушениями». Будь то таяние льда, кипение воды, образование дождевых облаков или охлаждение после Большого Взрыва, фазовые переходы могут соединять два совершенно разных состояния веще- ства. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовые переходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подве- сить 200 ООО кг воды в воздухе без всякой опоры? Ответ: образовать облако.)
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Объединение на уровне теории Большого Взрыва» з дисципліни «Загальна астрономія»
