Теория мироздания
Часть 1. НЕСЕРЬЕЗНОЕ ВСТУПЛЕНИЕ
Каждый уважающий себя физик должен иметь собственную теорию мироздания. Если Вы еще не обзавелись оной,то можно предложить несколько рецептов по ее созданию.
Прежде всего, обратимся к опыту уже осчастливленных данным великим знанием. Как они добились успеха? К счастью для нас, использованных ими методов не так много.
1. Создание теории мироздания под действием наркотического или алкогольного опьянения.
Как-то раз американский физик-экспериментатор Роберт Вуд, довольно эксцентричный человек, любитель всяких острых ощущений, решил проделать на себе рискованный опыт - испытать действие наркотика. С большим трудом раздобыв опиум, он накурился этого зелья и вскоре впал в забытье. Придя через некоторое время в сознание, он вспомнил, что, находясь в одурманенном состоянии, напал на какую-то чрезвычайно глубокую и важную научную идею, формулу Мироздания, но в чем она заключалась - начисто вылетело из головы. Тогда Вуд решил повторить опыт в надежде, что ему посчастливится вновь обрести ускользнувшую мысль.
И действительно, как только начало сказываться наркотическое действие опиума, забытая мысль не замедлила возникнуть в уме ученого. Чувствуя, что сознание вот-вот покинет его, Вуд сумел в последний момент сконцентрировать волю, записать идею на бумажке и впал в беспамятство. Очнувшись, он с ликованием подумал об удачном исходе столь трудного и опасного опыта и, дрожа от нетерпения и пережитого, поспешно развернул бумажку с драгоценной записью. На ней он прочел: “Банан велик, а кожура еще больше...”
Опыт мистера Роберта Вуда, без сомнения, бесценен. Однако в условиях средней полосы более продуктивным представляется использование этилового спирта в качестве катализатора гениальных идей. Главное - не перепутать видения устройства мироздания с видениями другого рода, относящимися к области "делириум тременс". Но настоящий физик, безусловно, сумеет отличить такие разные по духу ипостаси.
Человеку, не пьющему спиртосодержащие напитки, не употребляющему всякую гадость, такой метод не подойдет. К счастью, имеются другие.
2. Создание теории мироздания под действием чтения книг и статей по физике.
Очень действенный для многих метод создания теории мироздания! В самом деле, часто бывает, возьмешь какого-нибудь Ландау с Лифшицем (любой том) или какой-нибудь "Журнал экспериментальной и теоретической физики". Читаешь, читаешь... Читаешь, читаешь... Ну ничего не понятно! А если какой-нибудь Nature или Physical Review. Мало того, что непонятно, так и еще на английском языке! К черту все это, к черту! вместо этого необходимо просто создать свою теорию. За основу взять то, что понятно. Например, механику Ньютона. Сварганить какую-нибудь модельку. Шарики, носящиеся туда-сюда во Вселенной, или что-нибудь в этом духе. Дальше, конечно, начнется неприятный момент. Надо будет объяснять факты, экспериментальные данные, имеющиеся наблюдения. Но эта проблема решается просто. Хоть что-нибудь теория объяснит? Ну хоть что-нибудь, конечно, объяснит. Например, что трава зеленая, или, что Земля круглая. Вот и замечательно. С пафосом, страниц на 100, а можно и на 200, описываем нашу теорию и пару-тройку объясняемых ею явлений. Остальное, то есть то, что она не объясняет или чему она противоречит, с серьезным и пафосным видом (это важно!) игнорируем. А пусть эти "физики из РАНа" доказывают, что моя теория - чушь. Пусть распинаются. Их всегда можно послать... по какой-нибудь ссылке. Или даже просто сказать "Современная физика - это религия Эйнштейна, оболванивание людей и кормушка для чиновников от науки". И с серьезным и пафосным видом (очень важно!) удалиться из дискуссии.
Этот метод, к несчастью, не подойдет тем, кто не умеет читать или писать. Есть, к счастью, куча других методов.
3. Создание теории мироздания от безделья.
Представьте себе ситуацию. Человек работал, но работал так, что фактически и не работал. То есть вроде ходил на работу, но там: чай, кофе, перекур, перепив, разговорчики, анекдотики, и т.д. Ну и чуть-чуть работы. Вот это "чуть-чуть" и спасало. Фикция работы была, а иного и не надо. Чтобы создать в данной ситуации в течение трех-четырех недель теорию мироздания, следует поступить просто: уволиться нафиг, пойти на пенсию, вообщем, покончить вот с этим "чуть-чуть". Что произойдет? А рухнет сразу и вся "обвязка" этого "чуть-чуть". А мозги-то есть. Даже если и немного, но есть. А разговорчиков, анекдотиков, перекурчиков - нет. Самая благодатная почва, чтобы сесть и переписать... да хоть кинематику, черт возьми! Это не главное. А можно и сразу начать с теории мироздания, чтобы не распыляться по мелочам. Безделье - мощный двигатель в создании теории мироздания!
Часть 2. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
Прежде, чем переходить к современным концепциям мироздания, неплохо было бы пробежаться по истории науки. В данном посте будет предложена своего рода "солянка" - калейдоскоп некоторых теорий мироздания (и просто крупных физических теорий) - с древности до наших дней.
1. Мироздание древних
Пропустим большой кусок человеческой истории - всяких австалопитеков, гомо эректусов и проч. - и перейдем сразу к воззрениям философов античности. Не имея никакой возможности останавливаться на всех концепциях (например, вообще не затронем восточные концепции), рассмотрим всего две - из Древней Греции.
Одна из них принадлежит Фалесу, одному из семи мудрецов, а как было известно древним грекам, после семи мудрецов ничего нового уже открыто не будет.
Фалес - выдающийся философ, автор доказательства многих геометрических теорем, человек, впервые сказавший, что Луна светит отраженным светом, внедривший в греческом мире год из 365 дней и 12 месяцев. Короче говоря, вполне заслуженно - мудрец.
Как и остальные шесть мудрецов, у Фалеса была своя теория мироздания. Фалес полагал, что существующее мироздание (Космос) - едино. Начало элементов, сущих вещей - вода; начало и конец Вселенной - вода. Всё образуется из воды путем её затвердевания или замерзания, а также испарения; при сгущении вода становится землей, при испарении становится воздухом. Причина движения - дух, «гнездящийся» в воде. Вода и все, что из неё произошло, не являются мертвыми, но одушевлены; Космос одушевлен и полон божественных сил. Душа, как активная сила и носитель разумности, причастна божественному строю вещей. Природа, как живая, так и неживая, обладает движущим началом (душой). Фалес представляет душу в виде тонкого эфирного вещества (эфира).
Собственно говоря, взгляды Фалеса были типичны для того времени, когда в основу мироздания клался какой-то объект: у Фалеса - вода, у Гераклита - огонь, у Анаксимандра - нечто, или апейрон. Взгляды Анаксимандра стали вершиной такого подхода: вместо реальной первоосновы (огонь, вода, воздух) он положил в фундамент мироздания абстрактную первооснову. Главное для всех этих философов - концепция единого мира.
Совершенно другого подхода (мир ничуть не един) придерживался Демокрит. Вот что он пишет: "Миры бесконечны по числу и отличаются друг от друга по величине. В одних из них нет ни солнца, ни луны, в других - солнце и луна большие, чем у нас, в третьих - их не по одному, а несколько. Расстояние между мирами не одинаковые; кроме того, в одном месте миров больше, в другом - меньше. Одни миры увеличиваются, другие достигли полного расцвета, третьи уже уменьшаются. В одном месте миры возникают, в другом - идут на убыль. Уничтожаются же они, сталкиваясь друг с другом. Некоторые из миров лишены животных, растений и какой бы то ни было влаги."
Кроме множественности миров, и наш мир по Демокриту - набор более мелких, не делимых далее, объектов - атомов. Они могут быть разные - круглые, квадратные и т.п., соединяются друг с другом различным образом, образуя вещество. Особый, важнейший класс атомов, наиболее мелких атомов, образует душу.
2. Средние века
А тут все просто. "Верую, ибо нелепо".
Были, правда, и интересные точки зрения. Например, Кузанский изрекает великую фразу: "Бог - это Природа".
Со Средними веками, с вашего позволения, на этом и покончим.
3. Механистическая картина мира
После создания Ньютоном с коллегами классической механики, у многих возникла мысль, что мироздание построено. Ничего больше, кроме простых законов механики, мир не содержит. Дошло даже до так называемого вульгарного материализма - человек со всякими там его душами, сознаниями, мышлениями и т.д. стал считаться всего лишь механической системой.
Мир оказался полностью детерминированным. Если бы кто-нибудь мог описать состояние всей Вселенной в какой-то момент времени, то можно было бы получить ее состояние и в любой последующий момент времени.
Теория мироздания согласно этой картине мира - это материя разного рода и описывающие ее поведение законы механики. Материя взаимодействует посредством сил - мгновенно. Характер сил - известен. Пространство и время - абсолютны. Все. Просто и наглядно.
4. Электродинамическая картина мира
А дальше все пошло не совсем по плану. Обнаружился огромный класс явлений, которые не описывались механикой Ньютона. Стремительное изучение этих явлений на протяжении 19 векa привело к математической формулировке законов электромагнетизма.
Мироздание немного усложнилось, но не очень сильно: мир - это материя разного рода и описывающие ее законы механики Ньютона и электродинамики Максвелла. По-прежнему есть силы. Силовое взаимодействие осуществляется мгновенно. Свет - всего лишь волна в особой среде, заполняющей все пространство, - эфире. Время и пространство - абсолютны. Все. Чуть сложнее, но также наглядно. Мир по-прежнему оставался детерминированным, ясным и понятным среднестатистичекому человеку.
И вот начался двадцатый век...
Часть 3. РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЗИКЕ
Как было отмечено в прошлой части, к концу 19 века картина мира была более или менее понятна. Имеются тела, состоящие из неделимых корпускул, взаимодействующие силами тяготения Ньютона. Некоторые тела еще и заряжены, так что имеется целый класс электромагнитных явлений, который описывается уравнениями Максвелла. Свет - всего лишь волна в особой среде, заполняющей все пространство, и называемой эфиром.
Но экспериментальная техника, да и теоретическое развитие физики и математики, не стояли на месте. И вот, на рубеже 19 и 20 веков, физика столкнулась с рядом результатов и наблюдений, никак не вписывающихся в существующую парадигму. Проблем этих (разумеется, чисто опытных) было много. Остановимся для порядка на некоторых из них.
1. Проблема устройства атома
После того, как в конце 19 века был открыт электрон и, следовательно, сложное строение атома, сразу была предложена модель его устройства. Модель эта (модель Томсона) была интуитивно понятна и казалась верной. Атом представлялся в виде положительно заряженного шара с вкраплениями в него электронов. Сам Томсон признавался, что эта модель (а она главенствовала в науке более двадцати лет) родилась ему в тот момент, когда жена подала ему приготовленный ею пудинг с изюмом, что еще раз доказывает важность правильного выбора жены физиком.
Многочисленные опыты, которые были проведены (главный из них - опыт под руководством Резерфорда, который умудрился проспать начало эксперимента) опровергли эту модель. Согласно экспериментам, атом должен был содержать очень малую (в сотни тысяч раз меньше предполагаемого размера атома) положительно заряженную область. Единственной пригодной моделью, предложенной вскоре Резерфордом, оказалась модель атома в виде маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него (словно планеты) электронов.
Но возникла жуткая проблема. Согласно классической физике, вращающийся по окружности заряд излучает (что было многократно экспериментально подтверждено). Вращающийся в атоме электрон также должен излучать, падая на ядро. Время жизни атома Резерфорда должно быть настолько мало, что само существование атомов во Вселенной выглядит крайне сомнительным.
2. Ультрафиолетовая катастрофа
Разработанная в конце 19 века теория теплового излучения, основанная на классических воззрениях, привела к чудовищному результату. Интенсивность теплового излучения тела должна быть распределена так, что она растет с уменьшением длины волны. Любое тело должно излучать (и это действительно имеет место), причем излучать, в основном, в ультрафиолетовой области и даже, вообще говоря, дальше - в рентгене. В природе такого казуса, разумеется, не наблюдалось. Обычные тела, нагретые до комнатной температуры, излучали преимущественно в инфракрасной области, но никак не в ультрафиолетовой. Проблема эта настолько впечатлила физиков, что они обозвали ее катастрофой.
3. Проблема фотоэффекта
Открытое в конце 19 века явление фотоэффекта отличалось необъяснимыми свойствами. Действительно, какой бы интенсивности мы не брали свет (хоть такой, что начиналось плавление), но фотоэффект не начинался, если длина света была больше некоторой определенной длины. А как только мы брали свет меньшей длины, то даже самая его ничтожная интенсивность приводила к фотоэффекту.
Наличие этой граничной длины волны ставило в ступор физиков. Действительно, какая разница, какая у света длина волны. Главное - вкачать в металл побольше энергии, чтобы начался фотоэффект. Металл был категорически с этим не согласен: для начала фотоэффекта его нисколько не интересовала суммарная энергия падающего света, а интересовала только его частота.
4. Дифракция электронов
Если на пути пучка электронов поставить преграду с щелью, то на экране за этой преградой образуется пятно, повторяющее форму щели, и которое оставляют попадающие на экран электроны. Все ясно.
А теперь возьмем преграду с двумя щелями. На экране должны увидеть два пятна от электронов? Ни фига! На экране мы увидим дифракционную картину - целый набор полос. Как будто это не электроны летели сквозь щели, а волны какие-то!
А может быть, все дело во взаимодействии электронов в пучке друг с другом? Будем пропускать электроны через две щели по одному. Пульнули электрон. Он попал в какую-то точку на экран. Через минуту (час, день, год) пульнули второй электрон. Он попал в какую-то другую точку на экране. И так далее. Будем пулять электроны по одному до посинения, или до обеда, кому как нравиться. Что мы увидим в этом случае? Две одиночные полосы? Неа. Мы снова увидим дифракционную картину! Остается ощущение, что электроны сами по себе обладают волновыми свойствами. Сказать, что физики офигели от такого вывода, значит ничего не сказать.
5. Неинвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Галилея
В конце 19 века Максвеллом были сведены воедино экспериментальные работы Кулона, Ампера, Фарадея и других физиков и сформулированы законы классической электродинамики. Но вот какая сложилась незадача - уравнения Максвелла оказались неинвариантны преобразованиям Галилея. Ну и что с того, спрсите вы. Ну и неинвариантны и ладно. А дело в том, что какое-то явление (например, электрический ток) будет разным в разных системах отсчета. То есть если я стою относительно лампочки - она согласно моим уравнениям должна гореть ослепительно ярким светом, а если я еду относительно лампочки, то она согласно этим же законам светить никому не обязана. Парадокс? Естественно, парадокс. Что-то надо было делать. Для начала покрутил-повертел Лоренц и нашел преобразования, относительно которых уравнения Максвелла оказываются инвариантны. Они хоть и не намного, но посложнее галилеевых. Покрутить-то он покрутил, но проблема осталась.
В конце концов физики пришли к выводу, что вариантов-то, собственно говоря, два:
1. Преобразования Галилея и уравнения Ньютона верны, а не верны уравнения Максвелла. Несмотря на их всестороннюю экспериментальную проверку.
2. Уравнения Максвелла верны, но не верны уравнения Ньютона и преобразования Галилея. Этот шаг тоже фиговый, ибо совершенно не наглядный. Как это - уравнения Ньютона не верны? Вы совсем там с колокольни рухнули, что ли? Да и к тому же этот сценарий требовал равенства скорости света во всех системах отсчета, что тоже не сахар.
Короче говоря, требовался опыт, опыт и еще раз опыт.
Эти (и многие другие) проблемы поставили классическую физику в тупик. Выйти из тупика могла, по-видимому, только коренная ломка обыденных человеку представлений. Что и произошло в начале 20 века с созданием релятивистской механики и квантовой механики.
В рамках новой физической парадигмы указанные проблемы довольно просто разрешаются.
1. Атом не излучает в стационарных состояниях. Переход из одного состояния в другое осуществляется скачком путем передачи атома (или атомом) порции энергии - кванта.
2. Свет излучается атомами твердого тела порциями - фотонами света.
3. Распространение света в пространстве также можно представить в виде потока фотонов. Поглощение телом света - это поглощение фотонов. Если энергии фотона достаточно для перевода атома на следующий энергетический уровень, то это может произойти.
4. Элементарные частицы, атомы, да и любые тела, помимо своих корпускулярных свойств, проявляют также волновые свойства.
5. Уравнения Ньютона и преобразования Галилея верны лишь при малых скоростях. В общем случае эти уравнения являются частным случаем более общих преобразований Лоренца и релятивистской механики.
Многочисленные эксперименты подтвердили высказанные воззрения. На настоящий момент нет ни одного опровержения релятивисткой и квантовой механики. Это не означает, что они - истина в последней инстанции. Разумеется, они легко встраиваются как составные части более общих теорий (об этом дальше).
Часть 4. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Пришло время поговорить о современной картине мира. Вынужден сразу предупредить, что изложение этого вопроса будет несколько схематичным, отражающим лишь основные моменты. Тем не менее, этого вполне достаточно для того, чтобы сложилось какое-то представление о мироздании.
Итак, Вселенная существует независимо от нас, причем она не существует неподвижно. Наоборот, она изменяется, эволюционирует, и, кроме того, еще и расширяется, причем расширяется ускоренно, и это - экспериментальный факт последних десяти лет. Что значит расширяется? Это значит, что любые два объекта во Вселенной удаляются друг от друга, и удаляются они ускоренно.
Вселенная материальна. Материя во Вселенной разделена на три вида:
1. Видимое вещество, представляющее собой элементарные частицы (образующие в том числе атомы и молекулы). Элементарные частицы образуют так называемую иерархию элементарных частиц, соответсвующую общепринятой (стандартной) модели. Выделяют лептоны, адроны и другие частицы. Различных типов элеменетарных частиц, в принципе, не так много - имеется всего 12 фундаментальных элементарных частиц. Видимое вещество составляет менее 5% от массы всей Вселенной.
2. Так называемая темная материя. Ее введение потребовалось из-за экспериментально обнаруженного наличия огромной массы в каждой Галактике, которая была невидима. Наличие темной материи - факт экспериментальный. По всей видимости, темная материя представляет собой некоторые частицы, взаимодействующие с веществом только лишь посредством гравитационных сил. Обнаружить частицы темной материи настолько сложнее по сравнению с обнаружением нейтрино, насколько в свою очередь нейтрино обнаружить сложнее, например, протонов. Масса темной материи - более 20% от всей массы Вселенной. Предполагают, что частицы темной материи будут обнаружены в ближайшие 15-20 лет.
3. Так называемая темная энергия. Введена первоначально для объяснения имеющегося ускоренного расширения Вселенной. Согласно общепринятой модели темная энергия бесструктурна, равномерно заполняет всю Вселенную, проявляется наличием давления на материю, что приводит к ускоренному удалению друг от друга всех объектов Вселенной. Темная энергия - это около 70% массы Вселенной. Эксперименты, проведенные в 2000-х годах (они продолжаются) убедительно доказали наличие темной энергии и позволили записать для нее уравнение состояния. Решающий эксперимент, который по всей видимости будет проведен в ближайшие 20-30 лет, будет заключаться в прямом силовом измерения действия темной энергии. Для справки: два нейтральных атома водорода, удаленные от других частиц, будут взаимодействовать только гравитационно. Оказывается, что если поместить эти атомы на расстояние примерно 1 м друг от друга, то сила гравитационного взаимодействия будет уравновешена силами давления со стороны темной энергии. Проведение такого эксперимента усложняется тем, что оно требует изолированности атомов и измерения малых сил. Некоторые предлагают называть темную энергию "эфиром", однако это неверно. Эфир имеет четкое определение как среда переноса электромагнитного взаимодействия. Однако такая среда до сих пор не обнаружена даже в косвенных экспериментах, в отличие от темной энергии, экспериментально обнаруженной в таких экспериментах.
Все физические явления во Вселенной обусловлены взаимодействием материи друг с другом. Выделяют 4 типа такого взаимодействия:
1. Сильное взаимодействие. Имеет место между кварками. Характерное расстояние действия сил - 1 фм. 1 фм соответсвует размеру ядра.
2. Электромагнитное взаимодействие. Имеет место между частицами, несущими электрический заряд.
3. Слабое взаимодействие. Ответсвенно за распады частиц, взаимодействие нейтрино с веществом. Действует на расстояних порядка 0,001 фм.
4. Гравитационное взаимодействие. Имеет место между всеми частицами с ненулевой массой.
Взаимодействие осуществляется посредством полей. Каждому взаимодействию, вообще говоря, можно приписать свое поле. Взаимодействие осуществляется с помощью частиц-переносчиков:
1. Частица гравитационного поля - гравитон. Обнаружение гравитона - сложная экспериментальная проблема. Тем не менее, в ближайшие 20 лет она, по-видимому, будет решена.
2. Частицы сильного поля - глюоны.
3. Частица электромагнитного поля - фотон.
(О частице слабого взаимодействия говорить не буду по причине, ясной из дальнейшего).
Каждое взаимодействие, рассматриваемое как независимое от другого, вообще говоря, требует для своего описания отдельной теории. Так как в общем случае физические величины квантуются, а пространственно-временные отношения описываются релятивистской механикой, то теории соответсвующих взаимодействий должны быть релятивистскими квантовыми теориями. В настоящий момент полностью разработана релятивистская квантовая теория электромагнитного взаимодействия. Теория гравитации имеет несколько проблем, но и здесь достигнуты значительные успехи. Теория сильного взаимодействия разработана наиболее слабо ввиду значительных экспериментальных и теоретических сложностей.
Вроде бы, мы имеем вполне стройную картину и программу действия на будущее. Но картина эта имеет массу вопросов, которые, разумеется, решаются физиками. Например:
1. Можно ли объединить все взаимодействия в одно? Создать более простую, элегантную и интуитивно более привлекательную картину?
2. Поля квантуются. А как вообще можно интерпретировать квантовую механику? Как можно строить квантовые теории поля, имея неоднозначный взгляд на квантовую механику?
3. А что такое время? Стрела времени? Как это понятие встраивается в картину мироздания?
4. Можно ли объяснить гравитацию или электромагнетизм простой (например, механической) моделью?
5. Как началась Вселенная и начиналась ли? Был ли Большой взрыв?
Часть 5. НА ПУТИ К ЕДИНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ
Итак, создание теории мироздания требует ответа на несколько важнейших вопросов. И первый из них:
Можно ли объединить все виды взаимодействия в одно, фундаментальное взаимодействие?
На этот вопрос необходимо ответить, если мы собираемся строить теорию мироздания.
А откуда, собственно говоря, этот вопрос возникает? С какой стати взаимодействие материи сводится к одному фундаментальному взаимодействию? Ответ прост: мы считаем, что в основе взаимодействия материи друг с другом должны лежать простые принципы (о том, так ли это на самом деле - в одной из следующих частей).
К счастью, в ответе на поставленный вопрос достигнуты значительные успехи. Можно сказать, остался последний штрих. Но обо всем по порядку.
Этап первый (1920-е - 1950-е гг.). Первые попытки
После того, как стало ясно (начало 20 века), что электромагнетизм и гравитация - явления разного вида, и взаимодействие материи было разделено на гравитационное и электромагнитное, появились первые попытки объединения этих сил. Обычно их связывают с именем Эйнштейна, хотя этим занимались и другие физики. Все оказалось тщетно. Ситуация усложнилась тем, что коллекция взаимодействий пополнилась еще сильным и слабым взаимодействиями.
Этап второй (1960-е - 1980-е гг.). Электрослабое взаимодействие
В шестидесятые годы Вайнбергу, Глэшоу и Саламу удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в одно - электрослабое взаимодействие. Согласно созданной теории, переносчиком слабых взаимодействий является группа частиц, названных промежуточными векторными бозонами (фотон, кстати, тоже векторный бозон).
Промежуточные бозоны были обнаружены в 1982 году в ЦЕРНе на протон-антипротонном коллайдере. Масса обнаруженных бозонов совпала с теоретической. Также был исследован распад промежуточных бозонов, продукты которого также были предсказаны теорией.
Таким образом, слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие оказались сторонами одного взаимодействия, переносчиками которого оказались векторные бозоны - фотон и промежуточные бозоны. На низких энергиях электрослабое взаимодействие сильно различается в зависимости от процесса. В ряде случаев поэтому говорят об электромагнитном взаимодействии, а в ряде случаев - о слабом. Аналогией такому проявлению электрослабого взаимодействия может служить свет, который в ряде опытов ведет себя как волна, а в других случаях - как частица. На высоких энергиях электрослабое взаимодействие ведет себя как единое целое: выделить из него "электромагнитную часть" или "слабую часть" уже невозможно.
Этап третий (1970-е - ...). На пути к Великому объединению
Следующий шаг - объединение электрослабого и сильного взаимодействий. Важность этого шага настолько велика, что физики дали программе по постройке единого электрослабосильного взаимодействия название Великого объединения.
А что на практике? А на практике все не так плохо. Существуют несколько конкурирующих моделей единого взаимодействия, со своими плюсами и минусами. Наиболее предпочтительной из них в настоящее время является так называемая Стандартная модель. Я, к сожалению, не имею никакой возможности лезть в дебри и сколь-либо подробно излагать Стандартную модель. Скажу лишь, что в рамках этой модели все вещество разделено на 12 типов частиц, а сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются с единой точки эрения - с помощью стандартного фундаментального взаимодействия.
До настоящего времени все эксперименты подтверждают Стандартную модель. Без всякого сомнения, решающими для этой модели станут два опыта, в случае успеха убедительно ее подтверждающие и достраивающие последние кирпичики теории:
1. Опыт по распаду протона. Теория дает для протона оценку жизни в 10^30 лет (оценка жизни вселенной 10^10 лет). Эксперимент, который может быть поставлен по детектированию распада протона, должен фиксировать распад одного протона в кубическом метре воды за год (именно столько их там и должно происходить). Пока это немыслимо, однако в ближайшие 30-40 лет такой эксперимент вполне возможен.
2. Опыт по обнаружению бозона Хиггса. Бозон Хиггса - это та частица, которой не хватает для полной законченности Стандартной модели. Ее экспериментальное обнаружение станет последним штрихом в стройной конструкции элементарных частиц, составляющих материю. Одна из целей Большого адронного коллайдера - детектирование этой частицы.
В целом, можно сказать, что объединение слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий выполнено. Во всяком случае, теоретически, и почти полностью - экспериментально. Остающиеся решающие эксперименты должны подтвердить существующую конструкцию. Даже в случае опровержения (бозон Хиггса и распад протона обнаружены не будут) Стандартная модель будет являться важным звеном в Великом объединении, которое будет продолжено с новыми идеями (что само по себе интересно), учитывающими факт необнаружения предсказываемых явлений. Повторюсь, что пока нет никаких оснований сомневаться в положительном исходе опытов и подтверждении Стандартной модели.
Является ли Стандартная модель просто математической конструкцией, каким-то образом описывающей реальность, или же она есть результат глубоких основополагающих принципов природы, - об этом в одной из следующих частей.
Этап четвертый (1970-е - ...). Теория всего
Финальный аккорд в объединении взаимодействий - сведение их к одному (фундаментальному) взаимодействию. Создание "Теории всего" требует подтверждения какой-либо из теорий Великого объединения (например, Стандартной модели - см. выше) и построения квантовой теории гравитации.
Кандидатами на роль "Теории всего" могут являться обобщения теории струн, петлевой теории, теории Калуцы-Клейна, теории Лиси и др. Они сложны и поэтому я не буду заострять на них внимание. Скажу лишь, что имея множество успехов, каждая из них имеет и недостатки. Главным их недостатком является то, что они не очень строго определяют характеристики наблюдаемой Вселенной. Например, многие теории квантовой гравитации допускают существование вселенных с произвольным числом измерений или произвольным значением космологической постоянной и т.д.
Ясно одно: пока не будет внятной квантовой теории гравитации, объединение всех взаимодействий в одно вряд ли возможно.
Будет ли "Теория всего" истиной в последней инстанции в физике? Разумеется, нет. Более подробно об этом - в одной из следующих частей.
Вместо вывода: схема пути к единому взаимодействию
Продолжение следует...
Каждый уважающий себя физик должен иметь собственную теорию мироздания. Если Вы еще не обзавелись оной,то можно предложить несколько рецептов по ее созданию.
Прежде всего, обратимся к опыту уже осчастливленных данным великим знанием. Как они добились успеха? К счастью для нас, использованных ими методов не так много.
1. Создание теории мироздания под действием наркотического или алкогольного опьянения.
Как-то раз американский физик-экспериментатор Роберт Вуд, довольно эксцентричный человек, любитель всяких острых ощущений, решил проделать на себе рискованный опыт - испытать действие наркотика. С большим трудом раздобыв опиум, он накурился этого зелья и вскоре впал в забытье. Придя через некоторое время в сознание, он вспомнил, что, находясь в одурманенном состоянии, напал на какую-то чрезвычайно глубокую и важную научную идею, формулу Мироздания, но в чем она заключалась - начисто вылетело из головы. Тогда Вуд решил повторить опыт в надежде, что ему посчастливится вновь обрести ускользнувшую мысль.
И действительно, как только начало сказываться наркотическое действие опиума, забытая мысль не замедлила возникнуть в уме ученого. Чувствуя, что сознание вот-вот покинет его, Вуд сумел в последний момент сконцентрировать волю, записать идею на бумажке и впал в беспамятство. Очнувшись, он с ликованием подумал об удачном исходе столь трудного и опасного опыта и, дрожа от нетерпения и пережитого, поспешно развернул бумажку с драгоценной записью. На ней он прочел: “Банан велик, а кожура еще больше...”
Опыт мистера Роберта Вуда, без сомнения, бесценен. Однако в условиях средней полосы более продуктивным представляется использование этилового спирта в качестве катализатора гениальных идей. Главное - не перепутать видения устройства мироздания с видениями другого рода, относящимися к области "делириум тременс". Но настоящий физик, безусловно, сумеет отличить такие разные по духу ипостаси.
Человеку, не пьющему спиртосодержащие напитки, не употребляющему всякую гадость, такой метод не подойдет. К счастью, имеются другие.
2. Создание теории мироздания под действием чтения книг и статей по физике.
Очень действенный для многих метод создания теории мироздания! В самом деле, часто бывает, возьмешь какого-нибудь Ландау с Лифшицем (любой том) или какой-нибудь "Журнал экспериментальной и теоретической физики". Читаешь, читаешь... Читаешь, читаешь... Ну ничего не понятно! А если какой-нибудь Nature или Physical Review. Мало того, что непонятно, так и еще на английском языке! К черту все это, к черту! вместо этого необходимо просто создать свою теорию. За основу взять то, что понятно. Например, механику Ньютона. Сварганить какую-нибудь модельку. Шарики, носящиеся туда-сюда во Вселенной, или что-нибудь в этом духе. Дальше, конечно, начнется неприятный момент. Надо будет объяснять факты, экспериментальные данные, имеющиеся наблюдения. Но эта проблема решается просто. Хоть что-нибудь теория объяснит? Ну хоть что-нибудь, конечно, объяснит. Например, что трава зеленая, или, что Земля круглая. Вот и замечательно. С пафосом, страниц на 100, а можно и на 200, описываем нашу теорию и пару-тройку объясняемых ею явлений. Остальное, то есть то, что она не объясняет или чему она противоречит, с серьезным и пафосным видом (это важно!) игнорируем. А пусть эти "физики из РАНа" доказывают, что моя теория - чушь. Пусть распинаются. Их всегда можно послать... по какой-нибудь ссылке. Или даже просто сказать "Современная физика - это религия Эйнштейна, оболванивание людей и кормушка для чиновников от науки". И с серьезным и пафосным видом (очень важно!) удалиться из дискуссии.
Этот метод, к несчастью, не подойдет тем, кто не умеет читать или писать. Есть, к счастью, куча других методов.
3. Создание теории мироздания от безделья.
Представьте себе ситуацию. Человек работал, но работал так, что фактически и не работал. То есть вроде ходил на работу, но там: чай, кофе, перекур, перепив, разговорчики, анекдотики, и т.д. Ну и чуть-чуть работы. Вот это "чуть-чуть" и спасало. Фикция работы была, а иного и не надо. Чтобы создать в данной ситуации в течение трех-четырех недель теорию мироздания, следует поступить просто: уволиться нафиг, пойти на пенсию, вообщем, покончить вот с этим "чуть-чуть". Что произойдет? А рухнет сразу и вся "обвязка" этого "чуть-чуть". А мозги-то есть. Даже если и немного, но есть. А разговорчиков, анекдотиков, перекурчиков - нет. Самая благодатная почва, чтобы сесть и переписать... да хоть кинематику, черт возьми! Это не главное. А можно и сразу начать с теории мироздания, чтобы не распыляться по мелочам. Безделье - мощный двигатель в создании теории мироздания!
Часть 2. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
Прежде, чем переходить к современным концепциям мироздания, неплохо было бы пробежаться по истории науки. В данном посте будет предложена своего рода "солянка" - калейдоскоп некоторых теорий мироздания (и просто крупных физических теорий) - с древности до наших дней.
1. Мироздание древних
Пропустим большой кусок человеческой истории - всяких австалопитеков, гомо эректусов и проч. - и перейдем сразу к воззрениям философов античности. Не имея никакой возможности останавливаться на всех концепциях (например, вообще не затронем восточные концепции), рассмотрим всего две - из Древней Греции.
Одна из них принадлежит Фалесу, одному из семи мудрецов, а как было известно древним грекам, после семи мудрецов ничего нового уже открыто не будет.
Фалес - выдающийся философ, автор доказательства многих геометрических теорем, человек, впервые сказавший, что Луна светит отраженным светом, внедривший в греческом мире год из 365 дней и 12 месяцев. Короче говоря, вполне заслуженно - мудрец.
Как и остальные шесть мудрецов, у Фалеса была своя теория мироздания. Фалес полагал, что существующее мироздание (Космос) - едино. Начало элементов, сущих вещей - вода; начало и конец Вселенной - вода. Всё образуется из воды путем её затвердевания или замерзания, а также испарения; при сгущении вода становится землей, при испарении становится воздухом. Причина движения - дух, «гнездящийся» в воде. Вода и все, что из неё произошло, не являются мертвыми, но одушевлены; Космос одушевлен и полон божественных сил. Душа, как активная сила и носитель разумности, причастна божественному строю вещей. Природа, как живая, так и неживая, обладает движущим началом (душой). Фалес представляет душу в виде тонкого эфирного вещества (эфира).
Собственно говоря, взгляды Фалеса были типичны для того времени, когда в основу мироздания клался какой-то объект: у Фалеса - вода, у Гераклита - огонь, у Анаксимандра - нечто, или апейрон. Взгляды Анаксимандра стали вершиной такого подхода: вместо реальной первоосновы (огонь, вода, воздух) он положил в фундамент мироздания абстрактную первооснову. Главное для всех этих философов - концепция единого мира.
Совершенно другого подхода (мир ничуть не един) придерживался Демокрит. Вот что он пишет: "Миры бесконечны по числу и отличаются друг от друга по величине. В одних из них нет ни солнца, ни луны, в других - солнце и луна большие, чем у нас, в третьих - их не по одному, а несколько. Расстояние между мирами не одинаковые; кроме того, в одном месте миров больше, в другом - меньше. Одни миры увеличиваются, другие достигли полного расцвета, третьи уже уменьшаются. В одном месте миры возникают, в другом - идут на убыль. Уничтожаются же они, сталкиваясь друг с другом. Некоторые из миров лишены животных, растений и какой бы то ни было влаги."
Кроме множественности миров, и наш мир по Демокриту - набор более мелких, не делимых далее, объектов - атомов. Они могут быть разные - круглые, квадратные и т.п., соединяются друг с другом различным образом, образуя вещество. Особый, важнейший класс атомов, наиболее мелких атомов, образует душу.
2. Средние века
А тут все просто. "Верую, ибо нелепо".
Были, правда, и интересные точки зрения. Например, Кузанский изрекает великую фразу: "Бог - это Природа".
Со Средними веками, с вашего позволения, на этом и покончим.
3. Механистическая картина мира
После создания Ньютоном с коллегами классической механики, у многих возникла мысль, что мироздание построено. Ничего больше, кроме простых законов механики, мир не содержит. Дошло даже до так называемого вульгарного материализма - человек со всякими там его душами, сознаниями, мышлениями и т.д. стал считаться всего лишь механической системой.
Мир оказался полностью детерминированным. Если бы кто-нибудь мог описать состояние всей Вселенной в какой-то момент времени, то можно было бы получить ее состояние и в любой последующий момент времени.
Теория мироздания согласно этой картине мира - это материя разного рода и описывающие ее поведение законы механики. Материя взаимодействует посредством сил - мгновенно. Характер сил - известен. Пространство и время - абсолютны. Все. Просто и наглядно.
4. Электродинамическая картина мира
А дальше все пошло не совсем по плану. Обнаружился огромный класс явлений, которые не описывались механикой Ньютона. Стремительное изучение этих явлений на протяжении 19 векa привело к математической формулировке законов электромагнетизма.
Мироздание немного усложнилось, но не очень сильно: мир - это материя разного рода и описывающие ее законы механики Ньютона и электродинамики Максвелла. По-прежнему есть силы. Силовое взаимодействие осуществляется мгновенно. Свет - всего лишь волна в особой среде, заполняющей все пространство, - эфире. Время и пространство - абсолютны. Все. Чуть сложнее, но также наглядно. Мир по-прежнему оставался детерминированным, ясным и понятным среднестатистичекому человеку.
И вот начался двадцатый век...
Часть 3. РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЗИКЕ
Как было отмечено в прошлой части, к концу 19 века картина мира была более или менее понятна. Имеются тела, состоящие из неделимых корпускул, взаимодействующие силами тяготения Ньютона. Некоторые тела еще и заряжены, так что имеется целый класс электромагнитных явлений, который описывается уравнениями Максвелла. Свет - всего лишь волна в особой среде, заполняющей все пространство, и называемой эфиром.
Но экспериментальная техника, да и теоретическое развитие физики и математики, не стояли на месте. И вот, на рубеже 19 и 20 веков, физика столкнулась с рядом результатов и наблюдений, никак не вписывающихся в существующую парадигму. Проблем этих (разумеется, чисто опытных) было много. Остановимся для порядка на некоторых из них.
1. Проблема устройства атома
После того, как в конце 19 века был открыт электрон и, следовательно, сложное строение атома, сразу была предложена модель его устройства. Модель эта (модель Томсона) была интуитивно понятна и казалась верной. Атом представлялся в виде положительно заряженного шара с вкраплениями в него электронов. Сам Томсон признавался, что эта модель (а она главенствовала в науке более двадцати лет) родилась ему в тот момент, когда жена подала ему приготовленный ею пудинг с изюмом, что еще раз доказывает важность правильного выбора жены физиком.
Многочисленные опыты, которые были проведены (главный из них - опыт под руководством Резерфорда, который умудрился проспать начало эксперимента) опровергли эту модель. Согласно экспериментам, атом должен был содержать очень малую (в сотни тысяч раз меньше предполагаемого размера атома) положительно заряженную область. Единственной пригодной моделью, предложенной вскоре Резерфордом, оказалась модель атома в виде маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него (словно планеты) электронов.
Но возникла жуткая проблема. Согласно классической физике, вращающийся по окружности заряд излучает (что было многократно экспериментально подтверждено). Вращающийся в атоме электрон также должен излучать, падая на ядро. Время жизни атома Резерфорда должно быть настолько мало, что само существование атомов во Вселенной выглядит крайне сомнительным.
2. Ультрафиолетовая катастрофа
Разработанная в конце 19 века теория теплового излучения, основанная на классических воззрениях, привела к чудовищному результату. Интенсивность теплового излучения тела должна быть распределена так, что она растет с уменьшением длины волны. Любое тело должно излучать (и это действительно имеет место), причем излучать, в основном, в ультрафиолетовой области и даже, вообще говоря, дальше - в рентгене. В природе такого казуса, разумеется, не наблюдалось. Обычные тела, нагретые до комнатной температуры, излучали преимущественно в инфракрасной области, но никак не в ультрафиолетовой. Проблема эта настолько впечатлила физиков, что они обозвали ее катастрофой.
3. Проблема фотоэффекта
Открытое в конце 19 века явление фотоэффекта отличалось необъяснимыми свойствами. Действительно, какой бы интенсивности мы не брали свет (хоть такой, что начиналось плавление), но фотоэффект не начинался, если длина света была больше некоторой определенной длины. А как только мы брали свет меньшей длины, то даже самая его ничтожная интенсивность приводила к фотоэффекту.
Наличие этой граничной длины волны ставило в ступор физиков. Действительно, какая разница, какая у света длина волны. Главное - вкачать в металл побольше энергии, чтобы начался фотоэффект. Металл был категорически с этим не согласен: для начала фотоэффекта его нисколько не интересовала суммарная энергия падающего света, а интересовала только его частота.
4. Дифракция электронов
Если на пути пучка электронов поставить преграду с щелью, то на экране за этой преградой образуется пятно, повторяющее форму щели, и которое оставляют попадающие на экран электроны. Все ясно.
А теперь возьмем преграду с двумя щелями. На экране должны увидеть два пятна от электронов? Ни фига! На экране мы увидим дифракционную картину - целый набор полос. Как будто это не электроны летели сквозь щели, а волны какие-то!
А может быть, все дело во взаимодействии электронов в пучке друг с другом? Будем пропускать электроны через две щели по одному. Пульнули электрон. Он попал в какую-то точку на экран. Через минуту (час, день, год) пульнули второй электрон. Он попал в какую-то другую точку на экране. И так далее. Будем пулять электроны по одному до посинения, или до обеда, кому как нравиться. Что мы увидим в этом случае? Две одиночные полосы? Неа. Мы снова увидим дифракционную картину! Остается ощущение, что электроны сами по себе обладают волновыми свойствами. Сказать, что физики офигели от такого вывода, значит ничего не сказать.
5. Неинвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Галилея
В конце 19 века Максвеллом были сведены воедино экспериментальные работы Кулона, Ампера, Фарадея и других физиков и сформулированы законы классической электродинамики. Но вот какая сложилась незадача - уравнения Максвелла оказались неинвариантны преобразованиям Галилея. Ну и что с того, спрсите вы. Ну и неинвариантны и ладно. А дело в том, что какое-то явление (например, электрический ток) будет разным в разных системах отсчета. То есть если я стою относительно лампочки - она согласно моим уравнениям должна гореть ослепительно ярким светом, а если я еду относительно лампочки, то она согласно этим же законам светить никому не обязана. Парадокс? Естественно, парадокс. Что-то надо было делать. Для начала покрутил-повертел Лоренц и нашел преобразования, относительно которых уравнения Максвелла оказываются инвариантны. Они хоть и не намного, но посложнее галилеевых. Покрутить-то он покрутил, но проблема осталась.
В конце концов физики пришли к выводу, что вариантов-то, собственно говоря, два:
1. Преобразования Галилея и уравнения Ньютона верны, а не верны уравнения Максвелла. Несмотря на их всестороннюю экспериментальную проверку.
2. Уравнения Максвелла верны, но не верны уравнения Ньютона и преобразования Галилея. Этот шаг тоже фиговый, ибо совершенно не наглядный. Как это - уравнения Ньютона не верны? Вы совсем там с колокольни рухнули, что ли? Да и к тому же этот сценарий требовал равенства скорости света во всех системах отсчета, что тоже не сахар.
Короче говоря, требовался опыт, опыт и еще раз опыт.
Эти (и многие другие) проблемы поставили классическую физику в тупик. Выйти из тупика могла, по-видимому, только коренная ломка обыденных человеку представлений. Что и произошло в начале 20 века с созданием релятивистской механики и квантовой механики.
В рамках новой физической парадигмы указанные проблемы довольно просто разрешаются.
1. Атом не излучает в стационарных состояниях. Переход из одного состояния в другое осуществляется скачком путем передачи атома (или атомом) порции энергии - кванта.
2. Свет излучается атомами твердого тела порциями - фотонами света.
3. Распространение света в пространстве также можно представить в виде потока фотонов. Поглощение телом света - это поглощение фотонов. Если энергии фотона достаточно для перевода атома на следующий энергетический уровень, то это может произойти.
4. Элементарные частицы, атомы, да и любые тела, помимо своих корпускулярных свойств, проявляют также волновые свойства.
5. Уравнения Ньютона и преобразования Галилея верны лишь при малых скоростях. В общем случае эти уравнения являются частным случаем более общих преобразований Лоренца и релятивистской механики.
Многочисленные эксперименты подтвердили высказанные воззрения. На настоящий момент нет ни одного опровержения релятивисткой и квантовой механики. Это не означает, что они - истина в последней инстанции. Разумеется, они легко встраиваются как составные части более общих теорий (об этом дальше).
Часть 4. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Пришло время поговорить о современной картине мира. Вынужден сразу предупредить, что изложение этого вопроса будет несколько схематичным, отражающим лишь основные моменты. Тем не менее, этого вполне достаточно для того, чтобы сложилось какое-то представление о мироздании.
Итак, Вселенная существует независимо от нас, причем она не существует неподвижно. Наоборот, она изменяется, эволюционирует, и, кроме того, еще и расширяется, причем расширяется ускоренно, и это - экспериментальный факт последних десяти лет. Что значит расширяется? Это значит, что любые два объекта во Вселенной удаляются друг от друга, и удаляются они ускоренно.
Вселенная материальна. Материя во Вселенной разделена на три вида:
1. Видимое вещество, представляющее собой элементарные частицы (образующие в том числе атомы и молекулы). Элементарные частицы образуют так называемую иерархию элементарных частиц, соответсвующую общепринятой (стандартной) модели. Выделяют лептоны, адроны и другие частицы. Различных типов элеменетарных частиц, в принципе, не так много - имеется всего 12 фундаментальных элементарных частиц. Видимое вещество составляет менее 5% от массы всей Вселенной.
2. Так называемая темная материя. Ее введение потребовалось из-за экспериментально обнаруженного наличия огромной массы в каждой Галактике, которая была невидима. Наличие темной материи - факт экспериментальный. По всей видимости, темная материя представляет собой некоторые частицы, взаимодействующие с веществом только лишь посредством гравитационных сил. Обнаружить частицы темной материи настолько сложнее по сравнению с обнаружением нейтрино, насколько в свою очередь нейтрино обнаружить сложнее, например, протонов. Масса темной материи - более 20% от всей массы Вселенной. Предполагают, что частицы темной материи будут обнаружены в ближайшие 15-20 лет.
3. Так называемая темная энергия. Введена первоначально для объяснения имеющегося ускоренного расширения Вселенной. Согласно общепринятой модели темная энергия бесструктурна, равномерно заполняет всю Вселенную, проявляется наличием давления на материю, что приводит к ускоренному удалению друг от друга всех объектов Вселенной. Темная энергия - это около 70% массы Вселенной. Эксперименты, проведенные в 2000-х годах (они продолжаются) убедительно доказали наличие темной энергии и позволили записать для нее уравнение состояния. Решающий эксперимент, который по всей видимости будет проведен в ближайшие 20-30 лет, будет заключаться в прямом силовом измерения действия темной энергии. Для справки: два нейтральных атома водорода, удаленные от других частиц, будут взаимодействовать только гравитационно. Оказывается, что если поместить эти атомы на расстояние примерно 1 м друг от друга, то сила гравитационного взаимодействия будет уравновешена силами давления со стороны темной энергии. Проведение такого эксперимента усложняется тем, что оно требует изолированности атомов и измерения малых сил. Некоторые предлагают называть темную энергию "эфиром", однако это неверно. Эфир имеет четкое определение как среда переноса электромагнитного взаимодействия. Однако такая среда до сих пор не обнаружена даже в косвенных экспериментах, в отличие от темной энергии, экспериментально обнаруженной в таких экспериментах.
Все физические явления во Вселенной обусловлены взаимодействием материи друг с другом. Выделяют 4 типа такого взаимодействия:
1. Сильное взаимодействие. Имеет место между кварками. Характерное расстояние действия сил - 1 фм. 1 фм соответсвует размеру ядра.
2. Электромагнитное взаимодействие. Имеет место между частицами, несущими электрический заряд.
3. Слабое взаимодействие. Ответсвенно за распады частиц, взаимодействие нейтрино с веществом. Действует на расстояних порядка 0,001 фм.
4. Гравитационное взаимодействие. Имеет место между всеми частицами с ненулевой массой.
Взаимодействие осуществляется посредством полей. Каждому взаимодействию, вообще говоря, можно приписать свое поле. Взаимодействие осуществляется с помощью частиц-переносчиков:
1. Частица гравитационного поля - гравитон. Обнаружение гравитона - сложная экспериментальная проблема. Тем не менее, в ближайшие 20 лет она, по-видимому, будет решена.
2. Частицы сильного поля - глюоны.
3. Частица электромагнитного поля - фотон.
(О частице слабого взаимодействия говорить не буду по причине, ясной из дальнейшего).
Каждое взаимодействие, рассматриваемое как независимое от другого, вообще говоря, требует для своего описания отдельной теории. Так как в общем случае физические величины квантуются, а пространственно-временные отношения описываются релятивистской механикой, то теории соответсвующих взаимодействий должны быть релятивистскими квантовыми теориями. В настоящий момент полностью разработана релятивистская квантовая теория электромагнитного взаимодействия. Теория гравитации имеет несколько проблем, но и здесь достигнуты значительные успехи. Теория сильного взаимодействия разработана наиболее слабо ввиду значительных экспериментальных и теоретических сложностей.
Вроде бы, мы имеем вполне стройную картину и программу действия на будущее. Но картина эта имеет массу вопросов, которые, разумеется, решаются физиками. Например:
1. Можно ли объединить все взаимодействия в одно? Создать более простую, элегантную и интуитивно более привлекательную картину?
2. Поля квантуются. А как вообще можно интерпретировать квантовую механику? Как можно строить квантовые теории поля, имея неоднозначный взгляд на квантовую механику?
3. А что такое время? Стрела времени? Как это понятие встраивается в картину мироздания?
4. Можно ли объяснить гравитацию или электромагнетизм простой (например, механической) моделью?
5. Как началась Вселенная и начиналась ли? Был ли Большой взрыв?
Часть 5. НА ПУТИ К ЕДИНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ
Итак, создание теории мироздания требует ответа на несколько важнейших вопросов. И первый из них:
Можно ли объединить все виды взаимодействия в одно, фундаментальное взаимодействие?
На этот вопрос необходимо ответить, если мы собираемся строить теорию мироздания.
А откуда, собственно говоря, этот вопрос возникает? С какой стати взаимодействие материи сводится к одному фундаментальному взаимодействию? Ответ прост: мы считаем, что в основе взаимодействия материи друг с другом должны лежать простые принципы (о том, так ли это на самом деле - в одной из следующих частей).
К счастью, в ответе на поставленный вопрос достигнуты значительные успехи. Можно сказать, остался последний штрих. Но обо всем по порядку.
Этап первый (1920-е - 1950-е гг.). Первые попытки
После того, как стало ясно (начало 20 века), что электромагнетизм и гравитация - явления разного вида, и взаимодействие материи было разделено на гравитационное и электромагнитное, появились первые попытки объединения этих сил. Обычно их связывают с именем Эйнштейна, хотя этим занимались и другие физики. Все оказалось тщетно. Ситуация усложнилась тем, что коллекция взаимодействий пополнилась еще сильным и слабым взаимодействиями.
Этап второй (1960-е - 1980-е гг.). Электрослабое взаимодействие
В шестидесятые годы Вайнбергу, Глэшоу и Саламу удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в одно - электрослабое взаимодействие. Согласно созданной теории, переносчиком слабых взаимодействий является группа частиц, названных промежуточными векторными бозонами (фотон, кстати, тоже векторный бозон).
Промежуточные бозоны были обнаружены в 1982 году в ЦЕРНе на протон-антипротонном коллайдере. Масса обнаруженных бозонов совпала с теоретической. Также был исследован распад промежуточных бозонов, продукты которого также были предсказаны теорией.
Таким образом, слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие оказались сторонами одного взаимодействия, переносчиками которого оказались векторные бозоны - фотон и промежуточные бозоны. На низких энергиях электрослабое взаимодействие сильно различается в зависимости от процесса. В ряде случаев поэтому говорят об электромагнитном взаимодействии, а в ряде случаев - о слабом. Аналогией такому проявлению электрослабого взаимодействия может служить свет, который в ряде опытов ведет себя как волна, а в других случаях - как частица. На высоких энергиях электрослабое взаимодействие ведет себя как единое целое: выделить из него "электромагнитную часть" или "слабую часть" уже невозможно.
Этап третий (1970-е - ...). На пути к Великому объединению
Следующий шаг - объединение электрослабого и сильного взаимодействий. Важность этого шага настолько велика, что физики дали программе по постройке единого электрослабосильного взаимодействия название Великого объединения.
А что на практике? А на практике все не так плохо. Существуют несколько конкурирующих моделей единого взаимодействия, со своими плюсами и минусами. Наиболее предпочтительной из них в настоящее время является так называемая Стандартная модель. Я, к сожалению, не имею никакой возможности лезть в дебри и сколь-либо подробно излагать Стандартную модель. Скажу лишь, что в рамках этой модели все вещество разделено на 12 типов частиц, а сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются с единой точки эрения - с помощью стандартного фундаментального взаимодействия.
До настоящего времени все эксперименты подтверждают Стандартную модель. Без всякого сомнения, решающими для этой модели станут два опыта, в случае успеха убедительно ее подтверждающие и достраивающие последние кирпичики теории:
1. Опыт по распаду протона. Теория дает для протона оценку жизни в 10^30 лет (оценка жизни вселенной 10^10 лет). Эксперимент, который может быть поставлен по детектированию распада протона, должен фиксировать распад одного протона в кубическом метре воды за год (именно столько их там и должно происходить). Пока это немыслимо, однако в ближайшие 30-40 лет такой эксперимент вполне возможен.
2. Опыт по обнаружению бозона Хиггса. Бозон Хиггса - это та частица, которой не хватает для полной законченности Стандартной модели. Ее экспериментальное обнаружение станет последним штрихом в стройной конструкции элементарных частиц, составляющих материю. Одна из целей Большого адронного коллайдера - детектирование этой частицы.
В целом, можно сказать, что объединение слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий выполнено. Во всяком случае, теоретически, и почти полностью - экспериментально. Остающиеся решающие эксперименты должны подтвердить существующую конструкцию. Даже в случае опровержения (бозон Хиггса и распад протона обнаружены не будут) Стандартная модель будет являться важным звеном в Великом объединении, которое будет продолжено с новыми идеями (что само по себе интересно), учитывающими факт необнаружения предсказываемых явлений. Повторюсь, что пока нет никаких оснований сомневаться в положительном исходе опытов и подтверждении Стандартной модели.
Является ли Стандартная модель просто математической конструкцией, каким-то образом описывающей реальность, или же она есть результат глубоких основополагающих принципов природы, - об этом в одной из следующих частей.
Этап четвертый (1970-е - ...). Теория всего
Финальный аккорд в объединении взаимодействий - сведение их к одному (фундаментальному) взаимодействию. Создание "Теории всего" требует подтверждения какой-либо из теорий Великого объединения (например, Стандартной модели - см. выше) и построения квантовой теории гравитации.
Кандидатами на роль "Теории всего" могут являться обобщения теории струн, петлевой теории, теории Калуцы-Клейна, теории Лиси и др. Они сложны и поэтому я не буду заострять на них внимание. Скажу лишь, что имея множество успехов, каждая из них имеет и недостатки. Главным их недостатком является то, что они не очень строго определяют характеристики наблюдаемой Вселенной. Например, многие теории квантовой гравитации допускают существование вселенных с произвольным числом измерений или произвольным значением космологической постоянной и т.д.
Ясно одно: пока не будет внятной квантовой теории гравитации, объединение всех взаимодействий в одно вряд ли возможно.
Будет ли "Теория всего" истиной в последней инстанции в физике? Разумеется, нет. Более подробно об этом - в одной из следующих частей.
Вместо вывода: схема пути к единому взаимодействию
Продолжение следует...