Если царство разделится само в себе, не может устоять царство то.
Евангелие от Марка
Физики издавна мечтали о том, что когда-нибудь будет создана универсальная теория, которая объединит все четыре основных взаимодействия природы и опишет их в едином общем законе. В начале XVIII века Исаак Ньютон первым понял, что наряду с гравитацией должны существовать принципиально более мощные природные силы притяжения, благодаря которым удерживаются вместе мельчайшие частицы материи. Одной силы тяготения для этого было недостаточно. Вдохновленный работой Ньютона хорватский иезуит Руджер Бошкович впервые попытался сформулировать универсальную теорию в своей книге «Теория натурфилософии», которая была опубликована в Венеции в 1763 году. Он предположил, что ньютоновская теория тяготения с ее притяжением между отдельными массами, обратно пропорциональным квадрату расстояния между ними, действительно описывает взаимодействия тел, которые очень удалены друг от друга, но для взаимодействий на очень малых расстояниях эту теорию было необходимо доработать. Его гипотеза сопровождалась схематическим изображением, на котором силы притяжения чередовались с силами отталкивания. В тех местах, где равнодействующая сила равнялась нулю, должны были возникать стабильные структуры, такие как атомы или твердые тела.
Насколько нам удалось продвинуться к мечте Бошковича об универсальной теории? В течение ХХ века физики разработали удивительно точные математические теории о силах гравитации и электромагнетизма, а также о так называемых сильных и слабых взаимодействиях, управляющих радиоактивностью и ядерными процессами. Все эти четыре теории позволили исключительно точно объяснить и спрогнозировать те явления, которым они посвящены, но при этом мир, управляемый четырьмя различными наборами законов, кажется недостаточно целостным. Прагматик мог бы возразить, что мечта о едином законе природы – всего лишь отражение религиозных представлений о едином Боге, который правит всем миром, а значит, откуда взяться более чем одному закону? Действительно, монотеистические верования были исходными точками для объяснения очень многих законов природы, независимо от того, шла ли речь о единой закономерности или о группе законов.
В равной степени справедливо утверждение о том, что ощущение симметрии и гармонии основано на потребности распознавать живые существа и отличать их от неодушевленных предметов. Но опыт вновь и вновь показывает, что природа стремится к симметрии, а примечательные свойства симметрии лежат в основе всех естественных законов, которые, по-видимому, проявляют свойства, допускающие их всеобщую унификацию.
На первый взгляд электричество и магнетизм казались двумя различными явлениями, но исследования XIX века показали, что электрический ток может вызывать магнетизм, а движущиеся магниты порождают электрические токи (как в устройстве, питающем велосипедный фонарь). Поэтому электричество и магнетизм стали рассматривать как единое явление – электромагнетизм. В 1960-е годы Абдус Салам и Стивен Вайнберг независимо предсказали, что электромагнетизм и слабые взаимодействия, отвечающие за радиоактивность, – также всего лишь различные проявления единой «электрослабой» силы.
Все эти попытки свести к общему знаменателю явления, которые физики прошлого считали неродственными, ставят нас перед двумя большими проблемами, которые на первый взгляд кажутся неразрешимыми. Различные силы действуют на частицы разных типов, и величины этих сил несопоставимы. Природный электромагнетизм в сотни раз слабее, чем электромагнетизм, получаемый в лабораторных условиях. Как эти явления могут быть следствиями одной и той же загадочной силы?
Ответ был найден при изучении необычных свойств квантового вакуума. Как впервые отметил Максвелл, физический вакуум несводим к обыденной трактовке «место, где ничего нет». Вакуум – это то, что остается после удаления всей материи, которую только можно удалить: наиболее низкий возможный уровень энергии. В то же время вакуум полон кипучих событий. Частицы и античастицы постоянно рождаются и аннигилируют при столкновении друг с другом. Это происходит настолько быстро, что их нельзя непосредственно наблюдать (в соответствии с квантовым принципом неопределенности Гейзенберга). Следовательно, эти процессы являются виртуальными, подобными тем, которые изображаются на диаграммах Фейнмана.
Посмотрим на взаимодействие между двумя электронами. Каждый из них обладает отрицательным электрическим зарядом, соответственно, если запустить два электрона по направлению друг к другу, они будут отталкиваться. Сила отталкивания – это проявление электромагнитной силы. В квантовом вакууме эта простая картина изменяется совершенно неожиданным образом. Представим себе, что электрон попадает в вакуумное море постоянно рождающихся и аннигилирующих электронов и позитронов. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются, виртуальные позитроны ( + ) будут притягиваться к электрону (-). В результате происходит разделение (сегрегация), или поляризация, вакуума. Электрон оказывается окружен облаком виртуальных положительных зарядов, которые экранируют его собственный отрицательный заряд. Другой электрон, который медленно приближается к этому облаку, не испытает воздействия чистого отталкивающего эффекта экранированного таким образом заряда в полной мере и, следовательно, будет отталкиваться слабее, чем можно ожидать.
Все становится еще интереснее, если увеличить энергию налетающего электрона. Чем выше энергия, тем глубже такой электрон сможет проникнуть в облако виртуальных положительных зарядов (собравшихся вокруг другого электрона) и тем сильнее будет влияние на него со стороны отрицательного заряда электрона-мишени. Таким образом, он будет отклоняться сильнее, чем входящий электрон с более низкой энергией, который не подойдет настолько близко к экранированному электрону.
Следствия такой ситуации поразительны. Она означает, что фактический уровень электромагнитной силы возрастает вместе с повышением энергии (или температуры) среды, в которой протекает процесс. С повышением количества энергии электроны движутся быстрее и все сильнее приближаются к чистому отрицательному заряду экранированного электрона. Ситуация напоминает соударение двух бильярдных шаров, завернутых в вату. Если осторожно столкнуть их, то они ударятся очень мягко – соприкоснутся в основном только слои ваты. Но если столкнуть шары на большой скорости, то вата практически не окажет смягчающего эффекта. Они столкнутся своими жесткими поверхностями, и отталкивание будет сильнее.
Аналогичные соображения можно применить к сильным взаимодействиям, управляющим контактами между глюонами и кварками, элементарными составляющими протонов и нейтронов. В то время как электромагнитные силы воздействуют на все частицы, обладающие электрическим зарядом, сильные взаимодействия сказываются на свойстве заряда, называемом «цвет». Поэтому, сильные взаимодействия иногда называют цветными силами.
Взаимодействие двух кварков – это более сложный процесс, чем взаимодействие двух электронов. Когда мы рассматриваем, как ведет себя облако виртуальных электронов и позитронов, мы можем пренебречь фотонами, опосредующими электромагнитные взаимодействия между ними, так как сами фотоны не несут электрического заряда. Их присутствие не влияет на распределение заряда вокруг целевого электрона. Однако при взаимодействиях между кварками, обладающими цветом, роль опосредующего фотона играют глюоны, также имеющие собственный цвет, и их присутствие значительно влияет на общее распределение этой характеристики.
В результате на взаимодействие двух кварков оказывают влияние два различных эффекта, обусловленных тем, что соответствующие процессы протекают в квантовом вакууме. Как и в описанных выше случаях, мы имеем облако виртуальных кварков с противоположными цветными зарядами, окружающих наш кварк-мишень и экранирующих его цветной заряд. Они ослабляют взаимодействие этого кварка с любым налетающим кварком, имеющим такой же цветной заряд. Опять же, в результате должна возникнуть ситуация, когда сильное взаимодействие между налетающим кварком и кварком-мишенью будет тем сильнее, чем больше энергия входящего кварка. Но в облаке виртуальных глюонов проявляется и немаловажный новый эффект. Виртуальные глюоны оказывают на виртуальные кварки противоположное воздействие. Они размывают центральный заряд того же типа, что и собственный цветной заряд, и делают его менее точечным, рассеяние оказывается более слабым. В противостоянии двух противоположных эффектов итог определяется тем, сколько разновидностей кварков участвует в образовании таких виртуальных пар. Если кварков всего шесть (а именно столько их в природе), то побеждает глюонное размазывание, и измеряемое сильное взаимодействие между кварками будет ослабевать по мере усиления энергий, участвующих во взаимодействии.
Это необычное свойство получило название «асимптотическая свобода», так как в условиях повышения энергии кварки, по-видимому, будут походить на все более свободные частицы, не испытывающие воздействия каких-либо сил. В настоящее время такая ситуация уже подтверждается экспериментально в широком диапазоне энергий, а само это явление было предсказано в 1973 году американскими физиками Дэвидом Политцером, Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком, получившими за свое открытие Нобелевскую премию по физике в 2004 году.
Такой взгляд на природу сильных взаимодействий был очень важным прорывом. До 1973 года изучение сильных взаимодействий уже начинало казаться гиблым делом. Многие физики полагали, что сильные взаимодействия должны становиться только сильнее и сложнее по мере того, как будет возрастать энергия этих взаимодействий. Было практически невозможно понять, какими окажутся эти взаимодействия при сверхвысоких энергиях. Открытие того, что в действительности все обстоит значительно проще и легко поддается расчетам даже при очень высоких энергиях, было откровением в нашем понимании физики высоких энергий. Значительно упростился поиск ответов на вопросы о ранних стадиях существования Вселенной. Открытие и подтверждение феномена асимптотической свободы, а также основанных на нем теорий привело к первым достаточно реалистичным исследованиям физических процессов, протекавших на самых ранних этапах существования Вселенной, и к началу новых междисциплинарных исследований в области космологии частиц, из которых развилась идея инфляционной Вселенной.
Изменения эффективной величины электрослабых и сильных взаимодействий позволяют решить проблему объединения этих сил в единой теории – такая проблема возникла из-за значительной разницы данных величин. Наблюдаемая нами разница объясняется всего лишь тем, что в наших лабораториях в ходе измерений мы можем работать только с очень низкими энергиями. Ведь сами физики могут жить только при очень низких температурах. Жизнь не может существовать при таких высоких температурах, которые обеспечивают истинную симметрию всех сил, действующих в природе.
По мере перехода в диапазон сверхвысоких энергий сильные взаимодействия должны ослабевать, а электромагнитные и слабые взаимодействия – усиливаться. Примечательно, что величины всех трех сил должны сравняться на уровне энергии, соответствующем температуре около 1027 К. При более высокой температуре они, как ожидается, уже не изменятся.
В 1974 году первая гипотеза о подобном «великом объединении» электрослабых и сильных естественных взаимодействий была выдвинута Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу. В рамках этого прогноза формулировалась теория великого объединения трех взаимодействий в природе (на тот момент никто еще не пробовал включить в теорию объединения и гравитацию). Как видим, изменение значений сил с ростом энергии позволяет преодолеть проблему их очень разных величин при низких энергиях. А как быть с тем, что сравниваемые силы действуют на разные типы элементарных частиц? Эту проблему удалось решить благодаря представлениям о новых частицах, опосредующих взаимодействия между теми частицами, которые согласно необъединенным описаниям никак не взаимодействуют друг с другом.
При ближайшем рассмотрении этого выравнивания сил трех видов взаимодействий было выяснено немало интересного. В 1991 году Амальди, Вим де Боер и Герман Фюрстенау показали, что такое выравнивание просто не могло бы произойти без участия особой суперсимметрии, существование которой в природе давно казалось вероятным. В результате приходилось признать, что в мире существует в два раза больше элементарных частиц, чем считалось ранее, и немного пересмотреть изменения силы взаимодействий с ростом энергии. В результате удалось описать более или менее точное совпадение этих величин при высоких энергиях. Данная картина вызвала огромный интерес к теориям, связанным с суперсимметрией, и этот интерес не ослабевает по сей день.
Простая и понятная картина пересечения графиков силы трех взаимодействий, электромагнитного, сильного и слабого, впервые составленная Джогешом Пати в 1978 году, сыграла роль катализатора в поиске единого закона природы. Сближение показателей сил, ранее считавшихся несопоставимыми, подсказывает, что их объединение реально, стимулирует исследования ранней истории Вселенной, приближает нас к пониманию преобладания материи над антиматерией и помогает найти верный способ, который позволил бы включить в объединенную теорию также описание гравитационных взаимодействий. Это простое свидетельство глубокого единства Вселенной при всем ее кажущемся разнообразии, того единства, которое мы называем гармонией.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
