Теория струн как единая теория всего



Теория струн как единая теория всего

Во времена Эйнштейна сильное и слабое взаимодействия были ещё неизвестны, однако его глубоко беспокоило существование даже двух различных взаимодействий — гравитационного и электромагнитного. Эйнштейн не мог примириться с тем, что природа устроена таким экстравагантным образом. Это стало побудительной причиной тридцатилетнего исследования, посвящённого поиску так называемой единой теории поля, которая, как он надеялся, сможет продемонстрировать, что два взаимодействия представляют собой на самом деле проявления одного фундаментального принципа.

Эйнштейн просто опередил своё время. Прошло более полувека, и его мечта об универсальной теории стала Святым Граалем современной физики. При этом значительная часть сообщества физиков и математиков всё больше верит в то, что теория струн может стать такой теорией. 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.

Например, теория струн говорит, что все наблюдаемые свойства элементарных частиц являются проявлением различных типов колебаний струн. Петли в теории струн имеют резонансные частоты, подобные резонансным частотам струн скрипки или пианино, на которых они предпочитают колебаться, и которые наше ухо воспринимает как музыкальные ноты и их более высокие гармоники. Но, вместо того, чтобы звучать на определённой музыкальной ноте, каждая из разрешённых мод колебаний струны в теории струн проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой один вид колебания струны, u -кварк — другой, и так далее. Вместо набора разрозненных экспериментальных фактов свойства частиц в теории струн представляют собой проявления одного и того же физического свойства: резонансных мод колебаний — так сказать, музыки — фундаментальных петель струны. Та же идея применима и к взаимодействиям, существующим в природе. Частицы, переносящие взаимодействия, также связаны с определёнными модами колебания струны, и, следовательно, все — вся материя и все взаимодействия — объединяются под одной и той же рубрикой колебаний микроскопических струн — «нот», на которых могут звучать струны.

Таким образом, впервые в истории физики у нас есть единая теория, которая может объяснить все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной. По этой причине теорию струн иногда описывают как возможного кандидата на роль «теории всего сущего» (ТВС), или «завершающей» или «окончательной» теории. Эти пышные эпитеты предназначены для того, чтобы отразить глубочайший возможный уровень физической теории, лежащей в основе всех остальных, теории, которая не требует и, более того, не допускает более глубокой основы для объяснения.

На практике многие специалисты по теории струн используют более прагматический подход и трактуют ТВС в более узком смысле как теорию, которая может объяснить свойства фундаментальных частиц и сил, посредством которых эти частицы взаимодействуют между собой.

Но создание ТВС никоим образом не означает, что задачи психологии, биологии, геологии, химии или даже физики будут решены или каким-то образом классифицированы. Вселенная — такое сказочно богатое и сложное место, что открытие окончательной теории, в том смысле, который мы описываем здесь, не означает конца науки. Как раз наоборот, открытие ТВС, окончательного объяснения Вселенной на её самых малых масштабах, теории, которая не нуждается в каком-либо более глубоком объяснении, может дать наиболее прочное основание для строительства нашего понимания мира. Её открытие будет означать начало, а не конец. Окончательная теория даст нам неколебимую точку опоры, навсегда гарантирующую познаваемость Вселенной.



Современная физика требует от «теории всего» объединения четырёх известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий:

гравитационное взаимодействие,

электромагнитное взаимодействие,

сильное ядерное взаимодействие,

слабое ядерное взаимодействие.

Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц. Первым шагом на пути к этому стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1967 году Стивеном ВайнбергомШелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом. В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия. После чего появилось несколько вариантов теорий Великого объединения (наиболее известная из них — теория Пати — Салама, 1974 год), в рамках которых удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Правда, ни одна из теорий Великого объединения пока не нашла подтверждения, а некоторые уже опровергнуты экспериментально на основе данных по отсутствию распада протона. Недостающим звеном в «теории всего» остается подтверждение какой-либо из теорий Великого объединения и построениеквантовой теории гравитации на основе квантовой механики и общей теории относительности.

В настоящее время основными кандидатами в качестве «теории всего» являются теория струнпетлевая теория и теория Калуцы — Клейна. О последней подробней. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временно́е. Толчком к этому стала теория Калуцы — Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла. Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих большими размерностями. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятый ответ состоит в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

Реферат: Единая теория Вселенной или теория всего

Единая теория Вселенной, или Теория всего — гипотетическаяобъединенная физико-математическая теория, описывающая все известныефундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался вироническом ключе для обозначения разнообразных обобщенных теорий. Со временемтермин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории,которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе:гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерноевзаимодействие. Кроме того, она должна объяснять существование всехэлементарных частиц. Поиски Единой теории называют одной из главных целейсовременной науки. (10)

Идея единой теории возникла благодаря знаниям,накопленным не одним поколением учёных. По мере получения знаний расширялосьпредставление человечества об окружающем мире и его законах. Поскольку научнаякартина мира представляет собой обобщенное, системное образование, еерадикальное изменение нельзя свести к отдельному, пусть даже и крупнейшемунаучному открытию. Последнее может, однако, породить некую цепную реакцию,способную дать целую серию, комплекс научных открытий, которые и приведут вконечном счете к смене научной картины мира. В этом процессе наиболее важны,конечно, открытия в фундаментальных науках, на которые она опирается. Крометого, помня о том, что наука — это прежде всего метод, нетрудно предположить,что смена научной картины мира должна означать и радикальную перестройкуметодов получения нового знания, включая изменения и в самих нормах и идеалахнаучности.(11)

Развитие представления о мире происходило не сразу. Такихчетко и однозначно фиксируемых радикальных смен научных картин мира, т.е.научных революций, в истории развития науки вообще и естествознания в частностиможно выделить три. Если их персонифицировать по именам ученых, сыгравших вэтих событиях наиболее заметную роль, то три глобальных научных революциидолжны именоваться аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

В VI — IV вв. до н.э. была осуществлена первая революцияв познании мира, в результате которой и появляется на свет сама наука. Историческийсмысл этой революции заключается в отличении науки от других форм познания иосвоения мира, в создании определенных норм и образцов построения научногознания. Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже оченьдавно.

Согласно ряду ранних иудейскохристианскомусульманскиммифам, наша Вселенная возникла в какойто определенный и не оченьотдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований былапотребность найти «первопричину» существования Вселенной. Любое событие воВселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшеераньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в томслучае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин(православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая – святым). вкниге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мыпомним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтомучеловечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют.Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующуюкниге «Бытия»: приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта датане так уж далека от конца последнего ледникового периода – 10 000 лет до н. э.,который археологи считают началом цивилизации).(8)

Аристотелю же и большинству других греческих философов ненравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественнымвмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовалии будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученыедревности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы идругие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точкецивилизации.

Аристотель создал формальную логику, т.е. фактическиучение о доказательстве, — главный инструмент выведения и систематизациизнания; разработал категориально-понятийный аппарат; утвердил своеобразныйканон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы,аргументы «за» и «против», обоснование решения); предметно дифференцировал самонаучное знание, отделив науки о природе от метафизики (философии), математики ит.д. Заданные Аристотелем нормы научности знания, образцы объяснения, описанияи обоснования в науке пользовались непререкаемым авторитетом более тысячи лет,а многое (законы формальной логики, например) действенно и поныне.

Важнейшим фрагментом античной научной картины мира сталопоследовательное геоцентрическое учение о мировых сферах. Геоцентризм той эпохивовсе не был «естественным» описанием непосредственно наблюдаемых фактов. Этобыл трудный и смелый шаг в неизвестность: ведь для единства инепротиворечивости устройства космоса пришлось дополнить видимую небесную полусферуаналогичной невидимой, допустить возможность существования антиподов, т.е.обитателей противоположной стороны земного шара, и т.д. (11)

Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна,планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибов соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центромВселенной, а круговое движение – самым совершенным. Птолемей во II веке развилидею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре,окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известныхтогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты,считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующимисферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим,совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды,которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутсяпо небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, необъяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которуюнаблюдает человечество.

/>

Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положениенебесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять,что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем вдругих! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 разабольшей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее еготеория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемеевумодель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хорошатем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада ирая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще болеепростую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит егоеретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла втом, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаютсявокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идеюКоперника восприняли серьезно. Два астронома – немец Иоганн Кеплер и итальянецГалилео Галилей – публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря нато что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми.Теории Аристотеля– Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей началнаблюдать ночное небо с помощью только что изобретенного телескопа. Направивтелескоп на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько маленьких спутников,или лун, которые обращаются вокруг Юпитера. Это означало, что не все небесныетела должны обязательно обращаться непосредственно вокруг Земли, как считалиАристотель и Птолемей. (Разумеется, можно было по прежнему считать, что Земляпокоится в центре Вселенной, а луны Юпитера движутся по очень сложному путивокруг Земли, так что лишь кажется, будто они обращаются вокруг Юпитера. Однакотеория Коперника была значительно проще.) В то же время Иоганн Кеплермодифицировал теорию Коперника, исходя из предположения, что планеты движутсяне по окружностям, а по эллипсам (эллипс – это вытянутая окружность). Наконецтотеперь предсказания совпали с результатами наблюдений.

Что касается Кеплера, то его эллиптические орбиты былиискусственной гипотезой, и притом «неизящной», так как эллипс гораздо менеесовершенная фигура, чем круг. Почти случайно обнаружив, что эллиптическиеорбиты хорошо согласуются с наблюдениями, Кеплер так и не сумел примирить этотфакт со своей идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действиеммагнитных сил. Объяснение пришло лишь гораздо позднее, в 1687 г., когда ИсаакНьютон опубликовал свою книгу «Математические начала натуральной философии».Ньютон в ней не только выдвинул теорию движения материальных тел во времени ипространстве, но и разработал сложные математические методы, необходимые дляанализа движения небесных тел.

Кроме того, Ньютон постулировал закон всемирноготяготения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любомудругому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньшерасстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать наземлю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову,почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль отяготении пришла, когда он сидел в «созерцательном настроении», и «поводом былопадение яблока»).

Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна поддействием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, аЗемля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.(8) МодельНьютона – это одно тело, движущееся в абсолютном бесконечном пространстверавномерно и прямолинейно до тех пор, пока на это тело не подействует сила(первый закон механики) или два тела, действующих друг на друга с равными ипротивоположно направленными силами (третий закон механики); сама же силасчитается просто причиной ускорения движущихся тел (второй закон механики), тоесть, как бы существует сама по себе и неизвестно откуда берется.(5)

От Ньютона сохранилось рассмотрение механики какуниверсальной физической теории. В XIX в. это место заняла механистическаякартина мира, включающая механику, термодинамику и кинетическую теорию материи,упругую теорию света и электромагнетизм. Открытие электрона стимулировалопересмотр представлений. В конце века Х.Лоренц построил свою электронную теориюдля охвата всех явлений природы, но этого не достиг. Проблемы, связанные сдискретностью заряда и непрерывностью поля, и проблемы в теории излучения(«ультрафиолетовая катастрофа») привели к созданию квантово-полевой картинымира и квантовой механики.(7)

Классический пример использования абстрактных понятий дляобъяснения природы дал в 1915 г. Эйнштейн, опубликовав свою поистине эпохальнуюобщую теорию относительности. Эта работа принадлежит к числу немногих, которыезнаменуют поворотные моменты в представлениях человека об окружающем мире.Красота теории Эйнштейна обусловлена не только могуществом и элегантностьюуравнений гравитационного поля, но и всесокрушающим радикализмом егo взглядов.Общая теория относительности уверенно провозгласила, что гравитацияпредставляет собой геометрию искривлённoгo пространства. На смену представлениюоб ускорении в пространстве пришло представление об искривлении пространства. (2)

После создания СТО ожидалось, что всеобщий охват мираприроды способна дать электромагнитная картина мира, соединявшая теориюотносительности, теорию Максвелла и механику, но и эта иллюзия вскоре быларазвеяна.(7)

Специальная теория относительности (СТО) (частная теорияотносительности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение,законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения,близких к скорости света. В рамках специальной теории относительностиклассическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. ОбобщениеСТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности (ОТО).(10)В основу СТО положены два постулата:

1. Во всех инерциальных системах отсчета скорость светанеизменна (является инвариантом) и не зависит от движения источника, приемника илисамой системы отсчета. В классической механике Галилея — Ньютона величина скоростиотносительного сближения двух тел всегда больше скоростей этих тел и зависиткак от скорости одного объекта, так и от скорости другого. Поэтому нам трудноповерить, что скорость света не зависит от скорости его источника, но этонаучный факт.

2. Реальное пространство и время образуют единый четырехмерныйпространственно-временной континуум так, что при переходе между системамиотсчета сохраняется неизменным величина пространственно-временного интерваламежду событиями. В СТО не существует событий одномоментных во всех системахотсчета. Здесь два события, одновременные в одной системе отсчета, выглядятразновременными с точки зрения другой, движущейся или покоящейся, системыотсчета.

В специальной теории относительности сохраняются всеосновные определения классической физики — импульса, работы, энергии. Однакопоявляется и новое: в первую очередь — зависимость массы от скорости движения.Поэтому нельзя использовать классическое выражение для кинетической энергии,ведь оно получено в предположении о неизменности массы объекта .(6)

Многие теоретики пытались едиными уравнениями охватитьгравитацию и электромагнетизм. Под влиянием Эйнштейна, который ввелчетырехмерное пространство-время, строились многомерные теории поля в попыткахсвести явления к геометрическим свойствам пространства.

Объединение осуществилось на основе установленнойнезависимости скорости света для разных наблюдателей, движущихся в пустомпространстве при отсутствии внешних сил. Эйнштейн изобразил мировую линиюобъекта на плоскости (рис.2), где пространственная ось направленагоризонтально, а временная — вертикально. Тогда вертикальная прямая — этомировая линия объекта, который покоится в данной системе отсчета, а наклонная —объекта, движущегося с постоянной скоростью. Кривая мировая линия соответствуетдвижению объекта с ускорением. Любая точка на этой плоскости отвечает положениюв данном месте в данное время и называется событием. Гравитация при этом уже несила, действующая на пассивном фоне пространства и времени, а представляетсобой искажение самого пространства-времени. Ведь гравитационное поле — это«кривизна пространства-времени.(7)

/>

Рис.2. Пространственно-временная диаграмма

Вскоре после создания (1905 год) специальная теорияотносительности перестала устраивать Эйнштейна, и он начал работать над еёобобщением. То же произошло и с общей теорией относительности. В 1925 годуЭйнштейн начал работать над теорией, которой ему было суждено заниматься скраткими перерывами до конца дней. Основная проблема, которая его волновала, —природа источников поля — уже имела к тому моменту, когда ей занялся Эйнштейн,определённую историю. Почему, например, частицы не разваливаются? Ведь электроннесёт отрицательный заряд, а отрицательные заряды отталкивают друг друга, т.е.электрон должен был бы взорваться изнутри из-за отталкивания соседних участков!

В каком-то смысле эта проблема сохранилась досегодняшнего дня. Пока ещё не построена удовлетворительная теория, описывающаясилы, которые действуют внутри электрона, но трудности удаётся обойти,предположив, что у электрона нет внутренней структуры — это точечный заряд, неимеющий размеров и, следовательно, не разрываемый изнутри.(4)

Тем не менее принято считать, что основные положениясовременной космологии — науки о строении и эволюции Вселенной — начали формироватьсяпосле создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основаннойна теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризоваластационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения,оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В результатерешения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не можетнаходиться в стационарном состоянии — все галактики удаляются в прямомнаправлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории МаунтВилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) измерилрасстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и темсамым открыл мир галактик. Когда астрономы начали исследование спектров звезддругих галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственнойГалактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что иу звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концуспектра. Видимый свет – это колебания, или волны электромагнитного поля.Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока – отчетырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимаетсвет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуюткрасному концу спектра, а самые высокие – фиолетовому. Представим себе источниксвета, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду),излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частотаприходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пустьгравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно).Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. Прииспускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, закоторое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случаенеподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будетменьше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будетбольше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частотаприходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будутсдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезддолжны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью ичастотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашейповседневной жизни. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалекаскорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них.

Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл всепоследующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик инаблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движениегалактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в краснуюсторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую.Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красноесмещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас!Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хабблобнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямопропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальшенаходится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселеннаяне может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывнорасширяется и расстояния между галактиками все время растут.(8)

Расширение Вселенной означает, что в прошлом ее объем былменьше, чем ныне. Если в модели Вселенной, разработанной Эйнштейном иФридманом, время повернуть вспять, события пойдут в обратном порядке, как вкинофильме, запущенном с конца. Тогда получится, что примерно 13 млрд. летназад радиус Вселенной был очень мал, т. е. вес галактики, межзвездная среда иизлучение — словом, все, что ныне составляет Вселенную, было сосредоточено вничтожно малом объеме, близком к нулю. Это первичное сверхплотное исверхгорячее состояние Вселенной не имеет аналогов в современной намдействительности.(2) Предполагается, что в то время плотность веществаВселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и вся Вселенная представляласобой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивомсостоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большоговзрыва.(12)

Ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошелмалоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 году задалсяцелью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическуюформулировку теории поля (подобно тому, как геометрия пространства-времениописывает гравитацию). Это следовало сделать так, чтобы уравнения теорииэлектромагнетизма Максвелла продолжали выполняться. Калуца понимал, что теориюМаксвелла невозможно сформулировать на языке чистой геометрии (в том смысле,как мы ее обычно понимаем), даже допуская наличие искривленного пространства.Калуца сделал следующий шаг за Эйнштейном, добавил к четырёхмерномупространству-времени пятое (не наблюдаемое) изменение в которой электромагнетизмявляется своего рода «гравитацией» (о слабом и сильном взаимодействиитогда было не известно). Встаёт вопрос: почему же мы никак не ощущаем этогопятого измерения (в отличии от первых четырёх)?

В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предположил, что мыне замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле«свернулось» до очень малых размеров. Из каждой точки пространства впятое измерение выходит небольшая петелька. Мы не замечаем всех этих петельиз-за малости их размеров. Клейн вычислил периметр петель вокруг пятогоизмерения, используя известное значение элементарного электрического зарядаэлектрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействиямежду частицами. Он оказался равным 10-32 см, т.е. в 1020 раз меньше размераатомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оноскручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известныхнам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае невозникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее этоизмерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.(7)

На некоторое время теория Клауца-Клейна была забыта, нокогда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены вединую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теориюКлауца-Клейна снова вспомнили. Для того, чтобы выполнялись все необходимыеоперации симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений (всё пространство вцелом получилось 11-мерным). А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались,они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос:если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можносвернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мернуюсферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которойсклоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Какпредполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени несвернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (ккоторому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласнокоторой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты.(2)

Огромное разнообразие природных систем и структур, ихособенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е.их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причинадвижения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присущевсем материальным объектам вне зависимости от их приро- ды происхождения и системнойорганизации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существованияи специфику свойств материальных объектов.



Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и —основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяетсясилой, с которой один материальный объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов,находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространствомгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящемувремени экспериментально подтверждена другая концепция — концепция близкодействия:взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, непревышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция вквантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходитобмен особыми частицами — квантами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектови систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, всевзаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному,электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжениилюбых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредствомгравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы — законом всемирноготяготения. Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел вполе Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационноговзаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой, кванты гравитационногополя. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передаетсяпосредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает приналичии электрических зарядов, а магнитное — при их движении. Изменяющеесямагнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в своюочередь, является источником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомыи молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатныесостояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярноговзаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитноевзаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики иэлектродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде —электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля.Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей, атакже электрического тока служат основой для создания разнообразных современныхтехнических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительныхи нагревательных приборов, компьютеров и т.д.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитноговзаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля с нулевой массой.Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волныразной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредствомкоторого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире,представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно0,4—0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре.Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием,насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильностьатомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тембольше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и,следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро можетраспадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами— частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и другихчастиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарныечастицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарныхчастиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабоевзаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомныхядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, чтопереносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой,примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.(9)

К настоящему моменту единая теория описаниявзаимодействий ещё не разработана до конца, но большинство учёных склоняются кобразованию Вселенной в результате Большого взрыва: в нулевой момент времениВселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом ибесконечно высокими плотностью и температурой. Само «начало» Вселенной, т. е.ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому кнулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, чтоуравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 1093г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка однойдесятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном!Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 1051 тонн,была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 1032 градусам. Такой Вселеннаябыла спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» иплотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало»,применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой,для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл.Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можемпредставить себе, что было до условного «начала» Вселенной. (3)

Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды,ее температура упала примерно до 1011 К, став ниже порогового значения, прикотором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежалианнигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтриноперестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически«прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилироватьи возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергииизлучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитроновпревратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. Поокончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов,достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало томуколичеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем еебурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как исредняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллионлет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), чтопротоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны ипревращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу,начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды,планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какоймы ее видим. (3)

Но это не единственная гипотеза. Согласно одной из гипотез,Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действиемнекоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённаяупорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовесполной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется«творить» Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Еслиучёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволитсогласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальныхусловий.

Одна из наиболее распространённых гипотез о механизмедиссипации — это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую даютприливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаютсяискривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства,искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождениеуменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, теминтенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такиеэффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно,даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не изсингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как впервоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том,что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, которыйне позволял бы большей их части снова аннигилировать.

С одной стороны, существование неоднородностей могло бынас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощиматематических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобныхположений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключитьсуществование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения отоднородности. Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизисингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либомодели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказываютповедение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии).Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярностив пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся насегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого родавзрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность,появляется по соседству с сингулярностью, были названы «скулёжем».Однако для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия идавление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысокихплотностях материи эти условия выполняются.

Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не вматерии, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятсяочень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, моглибы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например,«отскок» материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствияудовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чёткихвыводов. Если принять гипотезу «скулёжа» или квантового«отскока», то это означает, что пространство и время существовали идо этих событий.(13)

Уже после открытия расширения Вселенной, в 1946 годубританские астрофизики Герман Бонди и Томас Голд предположили что всё же, разВселенная однородна в пространстве, она должна быть однородна и во времени. Втаком случае, расширяться она должна с постоянной скоростью, а чтобы непроисходило уменьшения плотности вещества, должны непрерывно образовыватьсяновые галактики, которые заполнят промежутки, образовавшиеся от разбегания ужесуществующих галактик. Вещество для построения новых галактик непрерывнопоявляется по мере расширения Вселенной. Такая вселенная не статична, астационарна: отдельные звёзды и галактики проходят свои жизненные циклы, но вцелом Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Для объяснения, как появляетсявещество без нарушения закона сохранения энергии, Фред Хойл придумал поленового типа — создающее поле с отрицательной энергией. При образованиивещества, отрицательная энергия этого поля усиливается, и общая энергиясохраняется.

Частота рождения атомов при такой модели настолько мала,что не может быть обнаружена экспериментально. К середине 60-х годов былисделаны открытия, свидетельствующие о том, что Вселенная эволюционирует. Затембыло открыто фоновое тепловое излучение, свидетельствующее о том, что Вселеннаянесколько миллиардов лет назад находилась в горячем плотном состоянии, ипоэтому не может быть стационарной.

Тем не менее, с философской точки зрения концепция нерождающейся и не умирающей вселенной очень привлекательна. Соединитьфилософские достоинства стационарной вселенной с теорией большого взрыва можнов моделях осциллирующей вселенной. Такая космологическая модель исходит изфридмановской модели со сжатием, дополненной предположением о том, чтовселенная не гибнет при возникновении сингулярностей на обоих временных«концах», а проходит сверхплотное состояние и совершает«скачок» в следующий цикл расширения и сжатия. Такой процесс можетпродолжаться бесконечно. Однако, для того, чтобы не накапливались энтропия ифоновое излучение от предыдущих циклов расширения-сжатия, придётся принять, чтона стадии большой плотности нарушаются все термодинамические законы (потому иэнтропия не накапливается), однако предполагается сохранение законов теорииотносительности. В своём крайнем выражении такая точка зрения допускает, чтовсе законы и мировые константы в каждом цикле будут новыми, а поскольку отцикла к циклу ничего не сохраняется, то можно говорить о физически не связанныхдруг с другом вселенных. С таким же успехом можно предположить одновременноесуществование бесконечного ансамбля вселенных, некоторые из них могут бытьпохожи и на нашу. Эти умозаключения носят чисто философский характер и не могутбыть опровергнуты ни экспериментом, ни наблюдением.(13)

Насколько много гипотез создания Вселенной, настолько жеразнообразен поиск теории всего — стандартная модель, теория струн, М-теория,исключительно простая теория всего, теории Великого объединения и т. д.

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физикеэлементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильноевзаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себягравитацию. До сих пор все предсказания стандартной модели подтверждалисьэкспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента.Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказаниястандартной модели слегка расходятся с экспериментом и даже явления, крайнетрудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, чтостандартная модель не может являться последним словом в физике элементарныхчастиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включаетгравитацию. Поэтому поиск отклонений от стандартной модели — одно из самыхактивных направлений исследования в последние годы.

Теория струн — направление математической физики,изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерныхпротяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает всебе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе,возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Теория струноснована на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальныевзаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействийультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины10-35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностейквантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к болееглубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов врезультате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струннымимоделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовалисьбурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основетеории струн будет сформулирована «теория всего». Но, несмотря наматематическую строгость и целостность теории, пока не найдены вариантыэкспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адроннойфизики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего родаэкспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

M-теория (мембранная теория) — современная физическаятеория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. Вкачестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомернаямембрана) — протяжённый двухмерный или с бо́льшим числом измерений объект.В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили вескиедоказательства того, что различные суперструнные теории представляют собойразличные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории. В середине1980-х теоретики пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральнымзвеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различнымиспособами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, идве гетеротические струнные теории. Только одна из них могла претендовать нароль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях икомпактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы среальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теорияболее адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями.

Исключительно простая теория всего— единая теория поля,которая объединяет все известные физические взаимодействия, существующие вприроде, предложенная американским физиком Гарретом Лиси 6 ноября 2007 года.Теория интересна своей элегантностью, но требует серьёзной доработки. Некоторыеизвестные физики уже высказались в её поддержку, однако в теории обнаружен ряднеточностей и проблем.

Теории Великого объединения — в физике элементарныхчастиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабоеи электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высокихэнергиях эти взаимодействия объединяются.(10)

Можно с полной уверенностью сказать, что будущие открытияи теории обогатят, а не отвергнут Вселенную, которую открыли нам Пифагор,Аристарх, Кеплер, Ньютон и Эйнштейн, — Вселенную столь же гармоничную, какВселенная Платона и Пифагора, но построенную на гармонии, заключённой вматематических законах; Вселенную не менее совершенную, чем ВселеннаяАристотеля, но черпающую своё совершенство в абстрактных законах симметрии;Вселенную, в которой безграничная пустота межгалактических пространств залитамягким светом, несущим из глубин времени ещё до конца непонятные нам сообщения;Вселенную, у которой есть начало во времени, но нет ни начала, ни конца впространстве, которая, быть может, будет расширяться вечно, а возможно, в одинпрекрасный момент, прекратив расширение, начнёт сжиматься. Эта Вселенная совсемне похожа на ту, которая рисовалась в смелых умах тех, кто первым отважилсязадать вопрос: «А каков наш мир на самом деле?». Но, я думаю, что узнав обэтом, они не огорчились.(1)

Список литературы

1. Лейзер Д., Создавая картину Вселенной, М. 1999.

2. Дэвис П., Суперсила, М. 1989.

3. Зигель Ф.Ю., Вещество Вселенной, М. 1982.

4. Паркер Б., Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной,М. 1991.

5. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С., Концепциисовременного естествознания, М. 1993.

6. Стародубцев В.А., Концепции современного естествознания, Томск, 2002.

7. Дубнищева Т.Я., Концепции современного естествознания, М. 2006.

8. Хокинг С., Краткая история времени: от большого взрыва до чёрных дыр, С.-П.,2001

9. Садохин А.П., Концепции современного естествознания, М. 2006.

10. http://ru.wikipedia.org/

11. Лавриненко В.Н, Ратников В.П., Концепции современного естествознания, М.2006.

12. Карпенков C.Х., Концепции современного естествознания, М. 2003.

13. Дэвис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, М. 1979.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ «ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ»

Введение

Теория «Великого объединения» – это теория, объединяющая электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Упоминая про теорию «Великого объединения», речь заходит о том, что все силы, существующие в природе, являются проявлением одной всеобщей фундаментальной силы. Есть ряд соображений, дающих основания полагать, что в момент Большого взрыва, породившего нашу вселенную, существовала только эта сила. Однако с течением времени вселенная расширялась, а значит, остывала, и единая сила расщепилась на несколько разных, которые мы сейчас и наблюдаем. Теория «Великого объединения» должна описать электромагнитную, сильную, слабую и гравитационную силы как проявление одной всеобщей силы. Определенный прогресс уже есть: ученым удалось построить теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. Однако основная работа над теорией «Великого объединения» еще впереди.

Современная физика частиц вынуждена обсуждать такие вопросы, которые, по сути дела, волновали еще античных мыслителей. Каково происхождение частиц и химических атомов, построенных из этих частиц? И как из частиц, как бы мы их ни называли, может быть построен Космос, видимая нами Вселенная? И еще – сотворена ли Вселенная, или существует извечно? Если можно так спрашивать, то каковы пути мысли, которые могут привести к убедительным ответам? Все эти вопросы аналогичны поискам истинных начал бытия, вопросам о природе этих начал.

Что бы мы ни говорили о Космосе, ясно одно, что все в природном мире так или иначе состоит из частиц. Но как понимать эту составленность? Известно, что частицы взаимодействуют – притягиваются или отталкиваются друг от друга. Физика частиц изучает разнообразные взаимодействия. [Поппер К. Об источниках знания и незнания // Вопр. истории естествознания и техники, 1992, № 3, с. 32.]

Исторически первой была открыта гравитация (тяготение). Это наиболее универсальное взаимодействие – ничто в Космосе не избавлено от всепроникающего действия гравитационной силы. Любая частица – это источник гравитации. Но удивительней всего, что сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц. Ничего не зная о многообразии частиц, из которых построен Космос, Галилей уже пришел к мысли, что все тела, независимо от их веса и состава, падают на Землю одинаково – с одним и тем же ускорением. Известно также, что открытие закона тяготения связано с именем Ньютона. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 17.]

Парадоксальность явления гравитации обнаруживается в том, что в физике частиц сила гравитационного взаимодействия настолько ничтожна по величине, что ею вполне можно пренебречь. Но мы тем не менее повседневно ощущаем гравитацию. Это происходит потому, что частицы, из которых состоит Земля, как и все в Космосе, действуют сообща. Суммарное взаимодействие оказывается значительным. В Космосе гравитационное взаимодействие становится огромной связующей силой.

1. Развитие научных взглядов на взаимодействия частиц до эволюционного создания теории «Великого объединения»

Электромагнитное взаимодействие привлекло к себе особенное внимание в XVIII–XIX вв. Обнаружилось сходство и различие электромагнитного взаимодействия и гравитационного. Подобно гравитации, силы электромагнитного взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния. Но, в отличие от гравитации, электромагнитное «тяготение» не только притягивает частицы (различные по знаку заряда), но и отталкивает их друг от друга (одинаково заряженные частицы). И не все частицы – носители электрического заряда. Например, фотон и нейтрон нейтральны в этом отношении. В 50-х годах XIX в. электромагнитная теория Д. К. Максвелла (1831–1879) объединила электрические и магнитные явления и тем самым прояснила действие электромагнитных сил. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 19.]

Изучение явлений радиоактивности привело к открытию особого рода взаимодействия частиц, которое получило название слабого взаимодействия. Поскольку это открытие связано с изучением бета-радиоактивности, можно было бы назвать это взаимодействие бета-распадным. Однако в физической литературе принято говорить о слабом взаимодействии – оно слабее электромагнитного, хотя и значительно сильнее гравитационного. Открытию способствовали исследования В. Паули (1900–1958), предсказавшего, что при бета-распаде вылетает нейтральная частица, компенсирующая кажущееся нарушение закона сохранения энергии, названная нейтрино. И кроме того, открытию слабых взаимодействий способствовали исследования Э. Ферми (1901–1954), который наряду с другими физиками высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета из радиоактивного ядра не существуют в ядре, так сказать, в готовом виде, но образуются в процессе излучения. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 21.]

Наконец, четвертое взаимодействие оказалось связанным с внутриядерными процессами. Названное сильным взаимодействием, оно проявляется как притяжение внутриядерных частиц – протонов и нейтронов. Вследствие большой величины оно оказывается источником огромной энергии.

Изучение четырех типов взаимодействий шло по пути поисков их глубинной связи. На этом неясном, во многом темном пути только принцип симметрии направлял исследование и привел к выявлению предполагаемой связи различных типов взаимодействий.

Для выявления таких связей пришлось обратиться к поискам особого типа симметрий. Простым примером подобного типа симметрии может служить зависимость работы, совершаемой при подъеме груза, от высоты подъема. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, но не зависит от характера пути подъема. Существенна только разность высот и совершенно не имеет значения, от какого уровня мы начинаем измерение. Можно сказать, что мы имеем здесь дело с симметрией относительно выбора начала отсчета.

Подобным образом можно вычислять энергию движения электрического заряда в электрическом поле. Аналогом высоты будет здесь напряжение поля или, иначе, электрический потенциал. Затрачиваемая энергия при движении заряда будет зависеть только от разности потенциалов между конечной и начальной точками в пространстве поля. Мы имеем здесь дело с так называемой калибровочной или, по-другому, с масштабной симметрией. Калибровочная симметрия, отнесенная к электрическому полю, тесно связана с законом сохранения электрического заряда.

Калибровочная симметрия оказалась важнейшим средством, порождающим возможность разрешить многие трудности в теории элементарных частиц и в многочисленных попытках объединения различных типов взаимодействий. В квантовой электродинамике, например, возникают различные расходимости. Устранить эти расходимости удается в силу того, что так называемая процедура перенормировки, устраняющая трудности теории, тесно связана с калибровочной симметрией. Появляется идея, что трудности при построении теории не только электромагнитных, но и других взаимодействий могут быть преодолены, если удастся найти другие, скрытые симметрии.

Калибровочная симметрия может принимать обобщенный характер и может быть отнесена к любому силовому полю. В конце 1960-х гг. С. Вайнберг (р. 1933) из Гарвардского университета и А. Салам (р. 1926) из Империал-колледжа в Лондоне, опираясь на работы Ш. Глэшоу (р. 1932), предприняли теоретическое объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. Они использовали при этом идею калибровочной симметрии и связанное с этой идеей понятие калибровочного поля. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 29.]



Для электромагнитного взаимодействия применима простейшая форма калибровочной симметрии. Оказалось, что симметрия слабого взаимодействия сложнее, чем электромагнитного. Сложность эта обусловлена сложностью самого процесса, так сказать, механизма слабого взаимодействия.

В процессе слабого взаимодействия происходит, например, распад нейтрона. В этом процессе могут участвовать такие частицы, как нейтрон, протон, электрон и нейтрино. Причем за счет слабого взаимодействия происходит взаимное превращение частиц.

Опуская детали хода рассуждений, скажем, что для калибровочной симметрии в области слабых взаимодействий пришлось ввести три новых силовых поля. При квантовом описании введенных полей необходимо было допустить существование новых типов частиц – переносчиков взаимодействия. Так были предсказаны, а затем и найдены W (плюс) частица, W (минус) частица, а затем и нейтральная Z-частица. Открытие этих частиц в начале 1980-х годов привлекло особенное внимание к теории Вайнберга–Салама. Хотя надо заметить, что признание ведущей роли теоретических идей выразилось в том, что уже в 1979 г. Вайнберг и Салам вместе с Глэшоу, еще до убедительного экспериментального подтверждения своих теоретических построений, были удостоены Нобелевской премии. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 23.]

Однако обнаружились трудности. Калибровочные поля по своей природе представляют собой дальнодействующие поля. В силу этого частицы, переносчики взаимодействия, должны, казалось, иметь нулевую массу покоя. Но получалось, что W и Z имеют огромную массу в сравнении, скажем, с массой электрона. В таком случае нарушается калибровочная симметрия.

Вайнберг и Салам интерпретировали такое нарушение симметрии, как основание для различения электромагнитных и слабых взаимодействий. Слабое взаимодействие столь мало в сравнении с электромагнитным потому, что частицы W и Z обладают очень большой массой.

С позиции методологического анализа кратко описываемой познавательной ситуации, имея в виду значимость принципа симметрии, все же приходится отметить, что констатация нарушения калибровочной симметрии была и остается лишь сигналом к поиску не известных еще симметрий. В физической литературе подчеркивается как существенное достижение мысль о так называемом «спонтанном нарушении симметрии». Однако методологически существенно подчеркнуть другую сторону ситуации в познании единства взаимодействий. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 49.]

Физическая мысль все же искала выход из трудностей, связанных с проблемой бесконечностей в теоретических построениях. Именно эта проблема и была особенно важной и определяющей для принятия теории. Чтобы не погружаться в специального рода расчеты, я просто еще раз процитирую английского автора Дэвиса из его книги «Суперсила»: «Решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории». [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 56.]

Поверим, как говорится, на слово знатоку достижений современной физики частиц и необычайно возвышенных проблем космологии. Так называемое «спонтанное нарушение симметрии» оказывается лишь сигналом к тому, чтобы искать и находить, как говорит Дэвис, симметрии «более высокой степени».

Проблемы эти действительно захватывают нашу мысль, наше воображение. Мы изучаем различные взаимодействия частиц, их свойства, их многообразие. Но еще более волнует вопрос, как из этого многообразия частиц, их свойств, их взаимодействий может быть составлен Космос, весь наблюдаемый нами звездный мир? И может ли нам оказать помощь в разъяснении этого вопроса принцип симметрии?

Американский физик-теоретик Дж. Уилер (р. 1911) так описывает значимость одной из проблем, относящихся к изучению Космоса, иначе, Вселенной: «Из всех вопросов, занимавших мыслителей всех стран и всех столетий, ни один не может претендовать на большую значимость, чем вопрос о происхождении Вселенной». [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 67.]

Но попробуем спросить – а каким образом и на каком основании возник сам вопрос? Можно думать, что имеются три основания для того, чтобы сформулировать вопрос о происхождении Космоса: физическое, биологическое и теологическое.

Первое – физическое – основание содержалось, в качестве возможности, в общей теории относительности. В 1922–1924 гг. А. А. Фридман (1888–1925) вывел особые решения гравитационного уравнения Эйнштейна, продемонстрировав тем самым возможность того, что наблюдаемая Вселенная расширяется. Эйнштейн был вынужден согласиться с таким выводом, хотя первоначально выразил в этом сомнение. В 1929 г. Э. П. Хаббл (1889–1953) сопоставил лучевые скорости галактик с расстоянием до них и нашел, что между этими величинами существует линейная зависимость. Эта зависимость послужила основой для вывода о том, что теоретическое предсказание расширения Космоса подтверждается наблюдением. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 128.]

Второе – биологическое – основание заключается в привычном наблюдении за развитием живых организмов. Об этом основании вопроса о происхождении Космоса выразительно писал Уилер: «При рассмотрении вселенной частиц и полей естественно обратиться на мгновение ко вселенной растительных и животных форм. В этих двух царствах жизни можно увидеть изумительный порядок и симметрию. Тем не менее все эти закономерности после Дарвина были объяснены как результат случайных мутаций и слепого выбора эволюции». [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 137.]

Подобно тому, как когда-то возникла жизнь на Земле, в необозримо отдаленные времена возник и Космос. Отсюда – на основании аналогии – вопрос о происхождении Вселенной. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 25.]

Третье – теологическое – основание вопроса о происхождении Космоса коренится в вековых традициях религиозной мысли. Мир природный и мир человеческий сотворены Высшим Разумом, и потому следует обратиться к научному исследованию, чтобы продемонстрировать, как именно, какими основаниями руководствовался Высший Разум при сотворении Космоса.

Так фундаментально обоснованный вопрос – обоснованный физически, биологически и теологически – требует убедительных ответов на него. И такого рода ответы предлагает современная космология совместно с физикой частиц.

Обращаясь к попыткам ответить на упомянутый фундаментальный вопрос, «занимавший мыслителей всех стран и всех столетий», мы замечаем необычайное разнообразие ответов. Вопрос настолько фундаментален, что критерий «современности» как истинности здесь совершенно не подходит.

Если обратиться к современным попыткам ответить на этот вопрос, то в этих попытках усматривается удивительная противоречивость в исходных принципах. С одной стороны, у исследователей нет сомнения в обоснованности вопроса о происхождении Космоса. Но с другой стороны, ответы о происхождении Вселенной опираются на идею «Великого объединения» известных взаимодействий. А теория великого объединения – это теория суперсимметрии. Но там, где симметрия, а в данном случае еще и «суперсимметрия», там и инвариантность, иначе говоря, понятие, снимающее вопрос о происхождении.

2. Концептуальные положения теории «Великого объединения». Сравнительный анализ теории «Великого объединения» и суперсимметрии

В современной теоретической физике тон задают две новые концептуальные схемы: так называемая теория «Великого объединения» и суперсимметрия.

Эти научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных «ипостасях». Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство–время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал. Назначение науки, по существу, заключается в поиске такого единства. [Овчинников Н. Ф. Структура и симметрия // Системные исследования, М., 1969, с. 137.]

Исходя из этого, возникает определенная уверенность объединения всех явлений живой и неживой природы в рамках единой описательной схемы. На сегодняшний день известны четыре фундаментальных взаимодействия или четыре силы в природе, ответственные за все известные взаимодействия элементарных частиц – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Сильные взаимодействия связывают между собой кварки. Слабые взаимодействия обусловливают некоторые виды ядерных распадов. Электромагнитные силы действуют между электрическими зарядами, а гравитационные – между массами. Наличие этих взаимодействий является достаточным и необходимым условием для построения окружающего нас мира. Например, без гравитации не только не было бы галактик, звезд и планет, но и Вселенная не могла бы возникнуть – ведь сами понятия расширяющейся Вселенной и Большого взрыва, от которого берет начало пространство–время, основаны на гравитации. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни химии или биологии, а также солнечного тепла и света. Без сильных ядерных взаимодействий не существовали бы ядра, а следовательно – атомы и молекулы, химия и биология, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Даже слабые ядерные взаимодействия играют определенную роль в образовании Вселенной. Без них невозможны были бы ядерные реакции в Солнце и звездах, по-видимому, не происходили бы вспышки сверхновых и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Жизнь вполне могла бы и не возникнуть. Если согласиться с мнением, что все эти четыре совершенно различных взаимодействия, каждое из которых по-своему необходимо для возникновения сложных структур и определяющих эволюцию всей Вселенной, порождаются единственной простой суперсилой, то наличие единого фундаментального закона, действующего как в живой, так и в неживой природе, не вызывает сомнения. Современные исследования показывают, что когда-то эти четыре силы могли быть объединены в одну.

Это было возможно при огромных энергиях, характерных для эпохи ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. Действительно, теория объединения электромагнитных и слабых взаимодействий уже подтверждена экспериментально. Теории «Великого объединения» должны объединить эти взаимодействия с сильными, а теории «Всего Сущего» – единым образом описать все четыре фундаментальные взаимодействия как проявления одного взаимодействия. Тепловая история Вселенной, начиная с 10–43 сек. после Большого взрыва и до наших дней, показывает, что большая часть гелия-4, гелия-3, дейтронов (ядер дейтерия – тяжелого изотопа водорода) и лития-7 образовалась во Вселенной примерно через 1 мин после Большого взрыва.

Более тяжелые элементы появились внутри звезд десятки миллионов или миллиарды лет спустя, а возникновению жизни соответствует заключительный этап эволюционирующей Вселенной. Основываясь на проведенном теоретическом анализе и результатах компьютерного моделирования диссипативных систем, функционирующих вдали от равновесия, в условиях действия кодово-частотного низкоэнергетического потока, нами был сделан вывод о существовании во Вселенной двух параллельных процессов – энтропийного и информационного. Причем энтропийный процесс превращения материи в излучение не является доминирующим. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 38.]

В этих условиях возникает новый тип эволюционной самоорганизации материи, связывающий когерентное пространственно-временное поведение системы с динамическими процессами внутри самой системы. Тогда в масштабе Вселенной этот закон будет формулироваться следующим образом: «Если Большой взрыв привел к образованию 4-х фундаментальных взаимодействий, то дальнейшая эволюция пространственно-временной организации Вселенной связана с их объединением». Таким образом, в нашем представлении, закон возрастания энтропии необходимо применять не к отдельным частям Вселенной, а ко всему процессу ее эволюции. В момент своего образования Вселенная оказалась квантованной по пространственно-временным уровням иерархии, каждому из которых и отвечает одно из фундаментальных взаимодействий. Возникшая флуктуация, воспринимаемая в виде расширяющейся картины Вселенной, в определенный момент переходит к восстановлению своего равновесия. Процесс дальнейшей эволюции происходит в зеркальном отражении.

Другими словами, в наблюдаемой Вселенной одновременно происходит два процесса. Один процесс – антиэнтропийный – связан с восстановлением нарушенного равновесия, путем самоорганизации вещества и излучения в макроквантовые состояния (в качестве физического примера можно привести такие хорошо известные состояния вещества, как сверхтекучесть, сверхпроводимость и квантовый эффект Холла). Этот процесс, по всей видимости, и определяет последовательную эволюцию процессов термоядерного синтеза в звездах, образование планетных систем, минералов, растительного мира, одноклеточных и многоклеточных организмов. Отсюда автоматически следует самоорганизующая направленность третьего принципа прогрессивной эволюции живых организмов.

Другой процесс носит чисто энтропийный характер и описывает процессы циклического эволюционного перехода самоорганизующей материи (распад – самоорганизация). Не исключено, что указанные принципы могут послужить основой для создания математического аппарата, позволяющего объединить все четыре взаимодействия в одну суперсилу. Как уже отмечалось, именно этой задачей в настоящее время занято большинство физиков-теоретиков. Дальнейшая аргументация этого принципа выходит далеко за рамки этой статьи и связана с построением теории Эволюционной Самоорганизации Вселенной. Поэтому позволим себе сделать главный вывод и посмотреть, насколько он применим к биологическим системам, принципам их управления, а главное – к новым технологиям лечения и профилактики патологических состояний организма. В первую очередь нас будут интересовать принципы и механизмы поддержания самоорганизации и эволюции живых организмов, а также причины их нарушений, проявляющиеся в виде всевозможных патологий.

Первый из них – это принцип кодово-частотного управления, основное назначение которого состоит в поддержании, синхронизации и управлении энергетическими потоками внутри любой открытой самоорганизующей диссипативной системы. Выполнение этого принципа для живых организмов требует наличия на каждом структурном иерархическом уровне биологического объекта (молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органоидном, организменном, популяционном, биоценотическом, биотическом, ландшафтном, биосферном, космическом) наличия биоритмологического процесса, связанного с потреблением и расходом трансформируемой энергии, который и определяет активность и последовательность процессов внутри системы. Этот механизм занимает центральное место на ранних этапах возникновения жизни в процессах формирования структуры ДНК и принципа редупликации дискретных кодов наследственной информации, а также в таких процессах, как деление и последующая дифференциация клеток. Как известно, процесс деления клеток всегда происходит в строгой последовательности: профаза, метафаза, телофаза, а затем – анафаза. Можно нарушить условия деления, помешать ему, даже удалить ядро, но последовательность всегда сохранится. Вне всякого сомнения, наш организм оснащен совершеннейшими синхронизаторами: нервной системой, чутко реагирующей на малейшие изменения внешней и внутренней среды, более медленной гуморальной системой. В то же время инфузория-туфелька, при полном отсутствии нервной и гуморальной систем, живет, питается, выделяет, размножается, и все эти сложнейшие процессы идут не хаотично, а в строгой последовательности: любая реакция предопределяет следующую, а та в свою очередь выделяет продукты, которые необходимы для начала очередной реакции. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 59.]

Надо отметить, что еще теория Эйнштейна ознаменовала столь важный прогресс в понимании природы, что уже вскоре стал неизбежным пересмотр взглядов и на другие силы природы. В это время единственной «другой» силой, существование которой было твердо установлено, являлось электромагнитное взаимодействие. Однако внешне оно совершенно не походило на гравитацию. Более того, за несколько десятков лет до создания теории гравитации Эйнштейна электромагнетизм успешно описала теория Максвелла, и не было никаких оснований сомневаться в справедливости этой теории.

На протяжении всей жизни Эйнштейн мечтал о создании единой теории поля, в которой все силы природы сливались бы воедино на основе чистой геометрии. Поискам такой схемы Эйнштейн посвятил большую часть своей жизни после создания общей теории относительности. Однако по иронии судьбы ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 г. заложил основы нового и неожиданного подхода к объединению физики, до сих пор поражающего воображение своей дерзостью.

С открытием в 30-е годы XX столетия слабых и сильных взаимодействий идеи объединения гравитации и электромагнетизма в значительной мере потеряли свою привлекательность. Последовательная единая теория поля должна была включить в себя уже не две, а четыре силы. Очевидно, это нельзя было сделать, не достигнув глубокого понимания слабых и сильных взаимодействий. В конце 1970-х годов благодаря свежему ветру, принесенному теориями Великого объединения (ТВО) и супергравитацией, вспомнили старую теорию Калуцы–Клейна. С нее «сдули пыль, приодели по моде» и включили в нее все известные на сегодня взаимодействия.

В ТВО теоретикам удалось собрать в рамках одной концепции три очень различных вида взаимодействий; это обусловлено тем, что все три взаимодействия могут быть описаны с помощью калибровочных полей. Основное свойство калибровочных полей состоит в существовании абстрактных симметрий, благодаря которым этот подход обретает элегантность и открывает широкие возможности. Наличие симметрий силовых полей достаточно определенно указывает на проявление некоторой скрытой геометрии. В возвращенной к жизни теории Калуцы–Клейна симметрии калибровочных полей приобретают конкретность – это геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями пространства.

Как и в первоначальном варианте, взаимодействия вводятся в теории путем присоединения к пространству-времени дополнительных пространственных измерений. Однако, поскольку теперь надо дать пристанище взаимодействиям трех типов, приходится вводить несколько дополнительных измерений. Простой подсчет количества операций симметрии, входящих в ТВО, приводит к теории с семью дополнительными пространственными измерениями (так что их общее число достигает десяти); если же учесть время, то всего пространство-время насчитывает одиннадцать измерений. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 69.]

3. Основные положения теории «Великого объединения» с точки зрения квантовой физики

В квантовой физике каждому масштабу длин сопоставляется масштаб энергий (или эквивалентных масс). Чем меньше изучаемый масштаб длин, тем выше необходимая для этого энергия. Для изучения кварковой структуры протона требуются энергии, эквивалентные по крайней мере десятикратной массе протона. Значительно выше по шкале энергий расположена масса, соответствующая Великому объединению. Если нам когда-либо удастся достичь столь огромной массы (энергии), от чего мы сегодня весьма далеки, то появится возможность изучить мир Х-частиц, в котором стираются различия между кварками и лептонами.

Какая же энергия необходима, чтобы проникнуть «внутрь» 7-сферы и исследовать дополнительные измерения пространства? Согласно теории Калуцы–Клейна, требуется превзойти масштаб Великого объединения и достичь энергий эквивалентных 1019 массам протона. Лишь при таких невообразимо огромных энергиях удалось бы непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений пространства.

Эта огромная величина – 1019 масс протона – носит название массы Планка, так как она была впервые введена Максом Планком, создателем квантовой теории. При энергии, соответствующей массе Планка, все четыре взаимодействия в природе слились бы в единую суперсилу, а десять пространственных измерений оказались бы полностью равноправными. Если бы удалось сконцентрировать достаточное количество энергии, «обеспечивающее достижение массы Планка, то полная размерность пространства проявилась бы во всем своем великолепии. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 122.]

Дав свободу воображению, можно представить, что однажды человечество овладеет суперсилой. Если бы это случилось, то мы обрели бы власть над природой, поскольку суперсила в конечном счете порождает все взаимодействия и все физические объекты; в этом смысле она является первоосновой всего сущего. Овладев суперсилой, мы смогли бы менять структуру пространства и времени, по-своему искривить пустоту и привести в порядок материю. Управляя суперсилой, мы смогли бы по своему желанию создавать или превращать частицы, генерируя новые экзотические формы материи. Мы даже смогли бы манипулировать размерностью самого пространства, создавая причудливые искусственные миры с немыслимыми свойствами. Мы стали бы поистине властелинами Вселенной!

Но как этого достичь? Прежде всего необходимо добыть достаточное количество энергии. Чтобы представить, о чем идет речь, напомним, что линейный ускоритель в Стэнфорде длиной 3 км разгоняет электроны до энергий, эквивалентных 20 массам протона. Для достижения энергии Планка ускоритель потребовалось бы удлинить в 1018 раз, сделав его размером с Млечный Путь (около ста тысяч световых лет). Подобный проект не из тех, что удастся осуществить в обозримом будущем. [Уилер Дж. А. Квант и вселенная // Астрофизика, кванты и теория относительности, М., 1982, с. 276.]

В теории Великого объединения отчетливо различаются три пороговых значения, или масштаба, энергии. Прежде всего – это порог Вайнберга–Салама, эквивалентный почти 90 массам протона, выше которого электромагнитные и слабые взаимодействия сливаются в единое электрослабое. Второй масштаб, соответствующий 1014 массам протона, характерен для Великого объединения и основанной на нем новой физики. Наконец, предельный масштаб – масса Планка, – эквивалентный 1019 массам протона, соответствует полному объединению всех взаимодействий, в результате чего мир поразительно упрощается. Одна из самых больших нерешенных проблем состоит в объяснении существования этих трех масштабов, а также причины столь сильного различия первого и второго из них. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 76.]

Современная техника способна обеспечить достижение лишь первого масштаба. Распад протона мог бы дать нам косвенное средство для изучения физического мира в масштабе Великого объединения, хотя в настоящее время, по-видимому, нет никаких надежд непосредственно достичь этого предела, не говоря уже о масштабе массы Планка.

Означает ли это, что мы никогда не сможем наблюдать проявлений изначальной суперсилы и невидимых семи измерений пространства. Используя такие технические средства, как сверхпроводящий суперколлайдер, мы быстро продвигаемся по шкале достижимых в земных условиях энергий. Однако создаваемая людьми техника отнюдь не исчерпывает всех возможностей – существует и сама природа. Вселенная представляет собой гигантскую естественную лабораторию, в которой 18 млрд. лет назад был «проведен» величайший эксперимент в области физики элементарных частиц. Мы называем этот эксперимент Большим взрывом. Как будет сказано далее, этого изначального события оказалось достаточно для высвобождения – хотя и на очень короткое мгновение – суперсилы. Впрочем, этого, видимо, оказалось достаточно, чтобы призрачное существование суперсилы навсегда оставило свой след. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 165.]

Заключение

В развитии теории «Великого объединения» в настоящее время достигнуты дальнейшие успехи – создана так называемая теория суперструн.

При обычном подходе к построению модели мира предполагается, что все вещество состоит из частиц, а поиск фундаментальных частиц является главной целью физики высоких энергий. Как мы видели, даже поля, описывающие силы природы, получают интерпретацию с помощью частиц – переносчиков взаимодействия. Но теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов. По-видимому, мир состоит не из частиц, а из струн.

Теория струн возникла в 1960-е годы при попытках выяснить внутреннее строение адронов. Оказывается, что кварки, связанные друг с другом снующими внутри адронов глюонами, в некотором отношении ведут себя подобно нитям или струнам. Теория сначала вызвала определенный интерес, однако не была вполне успешной. В частности, обнаружилось, что при определенных условиях струны двигались бы быстрее света, что абсолютно недопустимо. Развитие тематики, связанной со струнами, приостановилось, и большинство физиков обратились к другим проблемам, а теория поддерживалась главным образом усилиями Майкла Грина из Колледжа королевы Марии при Лондонском университете и Джона Шварца из Калифорнийского технологического института, США. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 87.]

Затем в середине 1970-х годов теория струн получила значительное развитие, которое в конечном счете привело к превращению заумной старой теории в нечто несравненно более мощное и элегантное. В это время теория элементарных частиц находилась под большим влиянием концепции суперсимметрии, и теоретики исследовали результаты перехода к суперсимметричным струнам. При этом выяснилось, что новые «суперструны» имеют огромные преимущества перед старыми струнами. Во-первых, из теории было исключено сверхсветовое движение. Во-вторых, в пределе низких энергий теория выглядела весьма обычной – очень напоминала супергравитацию. Стало складываться впечатление, что теория суперструн может оказаться значительно более широкой, нежели просто теория адронов. Затем в 1982 г. Грин и Шварц обнаружили, что суперсимметрия позволяет изгнать бесконечности в случае струн аналогично тому, как это делает теория частиц. Бесконечности при высоких энергиях, вызывавшие столько беспокойства в теориях частиц и старой теории струн, в определенном классе теорий суперструн полностью исчезли. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 187.]

Однако лишь в 1983 г. произошло то, что заставило физиков обратить серьезное внимание на теорию суперструн. Речь идет о замечательном математическом свойстве этой теории, которое казалось «слишком хорошим, чтобы быть верным». [Уилер Дж. А. Квант и вселенная // Астрофизика, кванты и теория относительности. – М., 1982, с. 280.] Один из недостатков физики квантовых частиц носит название проблемы аномалий. Под этим безобидным термином понимают появляющиеся в квантовой теории математические члены, которые согласно фундаментальным свойствам симметрии, присущим теории еще до квантования, должны быть равны нулю. Иными словами, придание теории квантового характера вызывает неожиданное появление в ней членов, которые «не имеют права» на существование. Эти члены нарушают последовательность теории и могут приводить к столь нежелательным последствиям, как нарушение законов сохранения энергии и электрического заряда. Поразительное свойство конкретного варианта теории суперструн, исследованной Грином и Шварцем, состоит в неожиданной перегруппировке математических членов, которая точно компенсирует и устраняет аномалии! По словам Майкла Грина, «происходит сокращение слагаемых, от которых ничего подобного нельзя было ожидать». Таким образом, теория удивительным образом освобождается от аномалий.

Устранения аномалий оказалось достаточно, чтобы привлечь к теории суперструн внимание других известных теоретиков; но это было лишь начало. Выяснилось, что сокращение происходит лишь в том случае, когда суперструны конструируются на основе очень частного вида калибровочной симметрии (она известна как группа SO(32), или E8хЕ8). В отличие от теории частиц, где можно свободно выбирать среди многих конкурирующих видов калибровочной симметрии, в последовательной теории суперструн выбор разрешенной калибровочной группы почти однозначен. Обе допустимые группы включают уже известные – например группу SU(3), связанную со слабыми, сильными и электромагнитными силами. Этот факт указывает на сходство теории суперструн со стандартной физикой частиц в области низких энергий. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 97.]

Последнее обстоятельство, сразу обеспечившее теории суперструн хорошую репутацию, заключается в том, что эту теорию следует формулировать в пространстве-времени с десятью измерениями. В прошлом считалось, что высокая размерность теории суперструн делает ее безнадежно нереалистической, однако по прошествии нескольких лет под влиянием теории Калуцы–Клейна физики восприняли идею высокой размерности довольно спокойно. В конце концов, с нежелательными высокими размерностями всегда можно справиться с помощью «компактификации».

Однако десятимерная теория имеет важное математическое преимущество по сравнению с одиннадцатимерной теорией Калуцы–Клейна. Как показал Эд Уиттен из Принстона, любая теория, формулируемая в пространстве нечетной размерности, обладает серьезным недостатком. Речь идет о существовании в природе «врожденной» закрученности вправо или влево – «киральности». Как отмечалось, слабое взаимодействие вносит в физику асимметрию между левым и правым, и к четырехмерной теории киральной вселенной можно прийти лишь в том случае, если исходить из теории с четным числом измерений. Это препятствие, весьма серьезное для теории Калуцы–Клейна, полностью устранено в десятимерной теории суперструн.

Основное преимущество струн перед частицами состоит в их поведении при высоких энергиях. При низких энергиях струны ведут себя вполне аналогично частицам, однако с приближением к энергии Планка становятся существенными внутренние движения – струны начинают «вибрировать». Это резко меняет математическую структуру теории как раз там, где обычная теория начинает давать сбои и приводит к нежелательным бесконечностям. Благодаря объединению суперсимметрии и внутреннего движения струн становится весьма вероятным полное избавление от этих бесконечностей. [Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г., с. 109.]

Таким образом, теории суперструн, возникшие из скромных попыток смоделировать некоторые свойства адронов, приобрели статус вполне зрелой программы объединения взаимодействий. Эти теории делятся на два класса: струны со свободными концами и струны в виде замкнутых петель. Грин и Шварц предпочли сначала вариант струн со свободными концами, однако в этом случае допустима лишь группа симметрии SU(32). Некоторые теоретики обнаружили, что более привлекательна другая группа Е8, в частности потому, что позволяет построить теорию как чисто гравитационную и извлечь из нее другие силы, подобно тому как это делается в теории Калуцы–Клейна.

Как и теория Калуцы–Клейна, теория суперструн имеет всеобъемлющий характер. Это означает, что, начиная с суперсилы – всеобщего и изящного объединения частиц и взаимодействий при сверхвысоких энергиях, теория в конечном счете так или иначе должна вернуться к описанию обычных физических явлений. Если теория вообще претендует на установление контакта с экспериментальной физикой, то необходим переход от струн в десяти измерениях к свойствам частиц в четырех измерениях при низких энергиях. В настоящее время математические проблемы, связанные с подобным шагом, кажутся непреодолимыми. Тем не менее концепция, которая известна под названием «теория всего сущего», – программа полного объединения в форме теории Калуцы–Клейна или суперструн – столь привлекательна, что многие талантливые теоретики с нетерпением ждут возможности испробовать свои силы.

Список использованной литературы

Бердяев Н. А. Время и вечность // Философия и мировоззрение. – М., 1990, с. 403.

Вигнер Е. Непостижимая эффективность математики в естественных науках // Этюды о симметрии. – М., 1971.

Гайденко П. П. Христианство и генезис новоевропейского естествознания // Вопр. истории естествознания и техники, 1995, № 1.

Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2.

Овчинников Н. Ф. Структура и симметрия // Системные исследования. – М., 1969.

Поппер К. Об источниках знания и незнания // Вопр. истории естествознания и техники, 1992, № 3.

Солдатов В. К. Теория «Великого объединения». – М., Постскриптум, 2000 г.

Уилер Дж. А. Эйнштейн: что он хотел // Проблемы физики: классика и современность. – М., 1982.

Уилер Дж. А. Квант и вселенная // Астрофизика, кванты и теория относительности. – М., 1982.

Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001.








sitemap
sitemap