ФИЗИКА

9.10. Контуры новой теории элементарных частиц

Если охарактеризовать любой объект окружающего нас мира заданием его размеров и скорости v, то можно следующим образом поделить сферы влияния классической, релятивистской и квантовой механики (рис. 9.10.3).

В этой чисто условной схеме одно белое пятно: правая нижняя клетка остаётся незаполненной. По смыслу схемы это место должна занять теория, описывающая поведение микрочастиц при релятивистских энергиях, т.е. теория, которую можно назвать релятивистской квантовой теорией. Однако сейчас ещё нет по-настоящему последовательного и универсального варианта такой теории. Ни один из существующих вариантов не может объяснить, например, спектр возможных значений масс элементарных частиц. Конечно, нельзя, утверждать, что белый квадратик на нашей схеме абсолютно пуст.

Совсем напротив! В настоящее время предложено много подходов к решению этой задачи. Но пока нельзя отдать предпочтение ни одному из этих подходов. Возможно даже, что к цели приведёт не один из них, а какой-то совсем новый, пока ещё никому не известный путь, который появится после обнаружения у материи новых свойств.

Всё же скажем несколько слов о состоянии исследований в настоящее время. Все современные варианты теории элементарных частиц в рамках стандартной модели опираются на теорию относительности, квантовую механику и точечность, так называемую локальность, взаимодействия. Однако их нельзя считать просто дальнейшим обобщением квантовой механики на область релятивистских скоростей, так как в этой области становятся возможными новые эффекты – рождение и уничтожение элементарных частиц как с нулевой массой, например, фотонов, так и с массой, отличной от нуля, например, пионов. Эти частицы являются квантами соответствующих взаимодействий (электромагнитного и сильного).

Из гипотезы де Бройля следует, что частицы с m ≠ 0, так же как и фотоны, обладают волновыми свойствами, для описания которых необходимо бесконечно большое число степеней свободы (у классической частицы, как известно, три степени свободы). Таким образом, теория, описывающая микромир, должна быть квантовой теорией поля.

В этой теории для каждого вида частиц вводится своё поле: электромагнитное поле фотонов, электрон-позитронное поле, пионное поле и др. Каждое из них может находиться в различных энергетических состояниях, низшее из которых называется вакуумом. При повышении энергии поля происходит рождение квантов этого поля (фотонов, электронов и позитронов, пионов и др.), при понижении – исчезновение.

Развитие квантовой теории поля идёт по пути постепенного объединения различных полей и создания единой картины взаимодействия. Первым успешным шагом на этом пути было создание квантовой электродинамики, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного и электрон-позитронного полей. Следующий шаг (сделанный сравнительно недавно) заключается в создании единой теории электрослабых взаимодействий, в которой совместно рассматриваются слабое поле с его квантами (W+, W-, Z0 - бозонами) и электромагнитное поле с фотонами. В настоящее время предпринимается попытка создания так называемого великого объединения, т.е. теории, объединяющей слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Следующим шагом может быть включение в общее рассмотрение четвёртого, гравитационного взаимодействия (так называемая суперсимметрия).

Возможно, что именно на этом пути в конце концов будет построена всеобъемлющая теория, которая позволит получить единую картину всех четырёх видов взаимодействия и объяснит массовый спектр и другие свойства элементарных частиц.

Другая возможность, достаточно широко обсуждаемая сейчас, - теория суперструн. Она возникла в начале 1970-х годов. В ней утверждается, что если бы мы могли исследовать точечные частицы, существование которых предполагает стандартная модель, с точностью, выходящей далеко за пределы наших современных возможностей, мы бы увидели, что каждая из этих частиц представляет собой крошечную колеблющуюся струну, имеющую форму петли. Длина типичной петли, образованной струной близка к планковской (10-33 см), которая примерно в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Отсюда следует, что современные эксперименты не могут подтвердить струнную природу материи, т.к. для прямого подтверждения нам бы потребовался ускоритель, способный сталкивать частицы с энергией, в несколько миллионов миллиардов раз превышающей максимальный уровень, достигнутый на сегодняшний день.

Из чего состоят эти струны? Есть два возможных ответа на этот вопрос. Первый: если струны действительно являются фундаментальными объектами – они представляют собой «атомы», неделимые компоненты в самом истинном смысле этого понятия. Как наименьшие составные части материи, они представляют собой конец пути – последнюю матрёшку – в многочисленных слоях, образующих структуру микромира. С этой точки зрения, даже если струны имеют определённые пространственные размеры, вопрос об их составе лишён какого-либо смысла. Приведём лингвистическую аналогию. Можно сказать, что параграфы состоят из предложений, предложения – из слов, слова – из букв. А из чего состоит буква? С лингвистической точки зрения это конец пути. Буквы есть буквы – они представляют собой фундаментальные строительные блоки письменного языка; они не имеют внутренней структуры. Вопрос об их составе не имеет смысла. Аналогично струна представляет собой просто струну – поскольку нет ничего более фундаментального, нельзя описать струну как нечто, состоящее из каких-то других компонентов.

Второй: если теория струн не окажется окончательной, тогда струны образуют ещё один слой в луковице мироздания, слой, который становится видимым в масштабах планковской длины. В этом случае струны могут состоять из ещё более мелких структур.За исключением некоторых гипотез струны рассматриваются как наиболее фундаментальные компоненты мироздания.

Теория струн – теоретическое здание единой и жёсткой конструкции. Она сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности.Основываясь на одном принципе – что на самом микроскопическом уровне всё состоит из комбинаций вибрирующих волокон, - теория струн даёт единый способ объяснения свойств всех взаимодействий и всех видов материи.

Согласно этой теории свойства элементарных частиц – их массы и константы различных взаимодействий – в точности определяются резонансными модами колебаний, реализуемыми внутренними струнами этих частиц.

Легче всего понять эту ассоциацию для массы частицы. Энергия конкретной моды колебаний струны зависит от её амплитуды и длины волны. Чем больше амплитуда и чем короче длина волны, тем больше энергия. Но масса и энергия связаны между собой E = mc2. Отсюда: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. Таким образом, в соответствии с теорией струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжёлых частиц совершают более интенсивные колебания, струны лёгких частиц колеблются менее интенсивно.

Поскольку масса частицы определяет её гравитационные характеристики, существует прямая связь между модой колебания струны и откликом частицы на действие гравитационной силы. Установлено также, что существует аналогичное соответствие между иными характеристиками колебания струны и реакцией на другие взаимодействия. Например, электрический заряд, константы слабого и сильного взаимодействия, которые несёт частица, в точности определяется типом её колебания. Более того, тот же самый принцип справедлив и для частиц, переносящих взаимодействия. Фотоны, калибровочные бозоны слабого взаимодействия и глюоны представляют собой всего лишь иные моды колебаний струн. Что особенно важно, характеристики одной из мод колебаний струн в точности совпадают с характеристиками гравитона, гарантируя, что гравитация является неотъемлемой частью теории струн.

Таким образом, по теории струн наблюдаемые характеристики всех элементарных частиц определяются конкретной модой резонансного колебания внутренних струн. Этот взгляд радикально отличается от точки зрения, которой придерживались физики до открытия теории струн, когда считалось, что различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они «отрезаны от разных кусков ткани». Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они состоят из различного «материала». Так, например, материал электрона имел отрицательный электрический заряд, а «материал» нейтрино был электрически нейтральным. Теория струн радикально изменила эту картину, объявив, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны, - точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну – и все струны являются абсолютно идентичными.

Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными «нотами», исполняемыми на фундаментальной струне.

Поскольку каждое физическое явление, событие или процесс на своём наиболее элементарном уровне может быть описано на языке взаимодействия между элементарными компонентами материи, теория струн обещает предоставить в наше распоряжение единое, всеобъемлющее описание физического мира – «теорию всего сущего» (ТВС).

Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн возможны лишь в пространстве высшей размерности. Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории – в 10-мерном. Поскольку мы, согласно специальной теории относительности, существуем в четырёхмерном пространстве-времени (учтена размерность, связанная со временем), необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. В распоряжении теории струн имеется два таких механизма.

Первый из них заключается в компактификации дополнительных 6 или 7 измерений, т.е. замыкание их на себя на таких малых расстояниях, что они не могут быть обнаружены в экспериментах.

Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства – садовый шланг. Если наблюдать шланг с достаточно далёкого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение – длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение – окружность. Истинное движение муравья по поверхности шланга, двумерно, издалека же оно будет казаться нам одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби-Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, т.е. практически не обнаруживаемы.

Другой вариант – локализация – состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне. Единственная возможность обнаружить дополнительные измерения – гравитация. Она, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и поэтому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

Существует множество способов свести 10-мерные и 26-мерные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн пока не даёт критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен.

Из результатов отметим, что многочисленные свойства стандартной модели, открытые в течение десятилетий кропотливых исследований, естественным образом вытекают из теории струн. Более того, для многих из этих свойств эта теория даёт гораздо более полное и удовлетворительное описание, чем стандартная модель. Эти достижения показывают, что теория струн, действительно, способна стать теорией всего сущего.

Однако на этом пути есть и существенные трудности. Так, сам вывод уравнений теории оказался столь сложным, что до сих пор удалось получить лишь их приближённый вид. Приближённые же уравнения оказались не способными дать правильный ответ на ряд важных вопросов. Сейчас специалисты по теории струн энергично работают над новыми методами, которые обещают преодолеть встреченные препятствия.

Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии». Всё же, несмотря на то, что арена основных действий в теории струн недоступна прямому экспериментальному изучению, ряд косвенных предсказаний теории струн можно проверить в эксперименте.

Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что вступающий в строй в 2010 году Большой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы. Это будет серьёзной поддержкой теории струн.

Во-вторых, в моделях с локализацией наблюдаемой вселенной в мультивселенной изменяется закон гравитации тел на малых расстояниях. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в сотые доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий.

В-третьих, в тех же самых моделях гравитация может становиться очень сильной уже на энергетических масштабах порядка нескольких ТэВ, что делает возможной её проверку на большом адроном коллайдере. В настоящее время идёт активное исследование процессов рождения гравитонов и микроскопических чёрных дыр в таких вариантах теории.

Наконец, некоторые варианты теории струн приводят также и к наблюдательным астрофизическим предсказаниям. Суперструны (космические струны, Д-струны или другие струнные объекты), растянутые до межгалактических размеров, обладают сильным гравитационным полем и могут выступать в роли гравитационных линз. Кроме того движущиеся струны должны создавать гравитационные волны, которые могут быть обнаружены. Они также могут создавать небольшие нерегулярности в реликтовом излучении. Однако к настоящему времени не одна из указанных возможностей не реализована.

Существуют и другие, в частности, нелокальные теории.

В заключение можно выразить уверенность в том, что, несмотря на трудности, в конце концов, теория элементарных частиц и их взаимодействий будет создана, и это произойдёт тем скорее, чем раньше будут поставлены опыты при сверхвысоких энергиях.

к к к