Четыре фундаментальных взаимодействия

Кроме того, существование таких загадочных явлений, предсказанных теорией относительности, как чёрные дыры, трактуется как подтверждение данной теории гравитационного взаимодействия. Черная дыра, согласно теории относительности – это зона в пространстве-времени с настолько большой гравитацией, что даже частицы и тела, движущиеся со скоростью света, не могут уйти из данной области.

Однако многие учёные склонны критиковать общую теорию относительности. Критика эта вызвана невозможностью, или, по крайней мере, трудностями при создании квантовой теории гравитации на основе общей теории относительности, кроме того, в самой теории заключены противоречия, ограничивающие её применимость. Данные противоречия проявляются при рассмотрении не только упомянутых чёрных дыр, но и сингулярности как особого состояния пространства-времени, где применение большинства физических теорий, действующих в обычном пространстве-времени, становятся неприменимым. Сингулярность, как и гравитационное излучение, в природе пока что не наблюдалась, таким образом, она является построением в рамках общей теории относительности, а адекватное исследование пространства-времени вблизи сингулярности станет возможным лишь после построения приемлемой теории квантовой гравитации.

Для решения проблем, связанных с применением общей теории относительности, а также со связыванием всех четырёх фундаментальных взаимодействий в единые концептуальные рамки, некоторыми учёными выдвигаются альтернативные теории гравитационного взаимодействия. На сегодняшний день наблюдения и эксперименты не показывают существенных отклонений от общей теории относительности, однако не стоит исключать фундаментальных открытий и появления теорий, относящихся к общей теории относительности так же, как она относится к законам, открытым Ньютоном. Кроме того, экспериментальные возможности учёных, связанные с проверкой общей теории относительности, на данный момент ограничены из-за больших масштабов явлений, связанных с гравитацией, потому что данное взаимодействие проявляется наиболее полно в мегамире.

Многие альтернативные теории гравитации приходят к результатам, приблизительно совпадающим с общей теорией относительности, особенно в случаях, подвергающихся на данный момент экспериментальной проверке. Из наиболее известных современных альтернативных теорий можно назвать теорию Бекенштейна и теории Моффета. Данные теории появились после открытия так называемых «тёмной энергии», «тёмной материи» и «инфляции», и отражают попытки объяснения гравитации с точки зрения последних астрономических открытий.

Учёные, разрабатывающие эти теории, отрицают необходимость введения новых понятий, настаивая, что можно описать наблюдаемые явления с помощью некоторых корректировок общей теории относительности. Так, например, они считают, что гравитационное взаимодействие согласуется с общей теории относительности только в пределах Солнечной системы и её окрестностей. Наблюдатели видят звезды и удалённые объекты Вселенной такими, какими они были, опредёленное количество времени назад, (известно, что свет идёт от них до Земли достаточно длительное время), поэтому гравитационное взаимодействие в галактических масштабах в далёком прошлом могло иметь совсем другие характеристики.

Общепринятый ныне сценарий происхождения Вселенной, известный как теория «большого взрыва», в данный момент сталкивается с несколькими проблемами. Из них можно выделить проблему горизонта, которая заключается в том, что фоновое космическое излучение подсказывает исследователям о повсеместной одинаковости температуры Вселенной, но отдельные скопления галактик не могли контактировать, то есть они были за пределами горизонта друг друга. Однако между ними каким-то образом установилось тепловое равновесие. Кроме того, при образовании таких фундаментальных частиц, как кварки, во Вселенной, согласно теории большого взрыва, могло не хватить места для образования хотя бы одного кварка. Для объяснения возникающих затруднений была выдвинута инфляционная теория. Она заключается в том, что единое взаимодействие, существовавшее в начале Вселенной, распалась на фундаментальные взаимодействия при скачкообразном, или инфляционном расширении в самом начале расширения Вселенной. Другие модели объясняли проблемы, возникающие в теории относительности, тем, что изначально скорость света во Вселенной была выше, чем сейчас.

Современные открытия, например, особенности кривых вращения галактик, показало, что во Вселенной либо очень много не источающего свет вещества, либо в межгалактических масштабах неверна общая теория относительности. Суть проблемы вращения галактик заключается в несоответствии между скоростями, наблюдаемыми при вращении материи в дисковых частях спиральных галактик и выводами, следующими из динамики Ньютона, которая учитывает только видимую массу. Темная материя, пронизывающая галактику, нужна современным физикам как раз для того, чтобы объяснить данное несоответствие.

Сейчас среди учёных принято говорить о так называемой «холодной тёмной материи», заполняющей Вселенную, однако существуют попытки разработать теорию гравитационного взаимодействия, не требующих выделения ненаблюдаемых масс «тёмной материи». Также интересен результат наблюдения за космическими аппаратами, более известный как эффект «Пионера». Данное явление вновь вызывает интерес к теориям гравитационного взаимодействия, отличающимся от общей теории относительности. Суть данного эффекта заключается в том, что два космических аппарата, вышедшие за пределы Солнечной системы, «Пионер-10» и «Пионер-11», испытывают замедление под воздействием солнечной гравитации, однако при более точных вычислениях обнаруживается сила неизвестной природы, очень слабо, но влияющая на скорость данных космических кораблей. Объяснение аномального ускорения «Пионеров» при его моделировании выходит за рамки общей теории относительности, а альтернативные теории гравитации могут описать качественные характеристики явления, но не могут объяснить его величину. Теоретическая модель, которая может быть построена при изучении данного явления, противоречит результатам других наблюдений, вписывающихся в рамки теории относительности.

Итак, последние исследования показывают, что в самое ближайшее время представления человечества о гравитационном взаимодействии могут сильно измениться. Однако главным препятствием на пути понимания сущности гравитации является то, что до сих пор не создана квантовая теория гравитационного взаимодействия. Именно вследствие этого на данный момент невозможно построение теории, объединяющей все четыре фундаментальных взаимодействия. Если использовать квантовую теорию поля, гравитацию можно объяснить обменом специальных частиц – гравитонов.

Из всех попыток построить непротиворечивую квантовую теорию гравитационного взаимодействия можно выделить три наиболее распространённых теоретических концепции – теорию струн, петлевую квантовую гравитацию и причинную динамическую триангуляцию. В теории струн вместо фундаментальных частиц, находящихся в пространстве-времени, выдвигается предположение о существовании так называемых «струн» и их многомерных аналогов – «бран» (название происходит от слова мембрана). Под струнами понимаются одномерные, бесконечно тонкие протяженные объекты, имеющие квантовый характер, колебания и взаимодействия которых лежат в основе взаимодействия фундаментальных частиц. Браны, рассматриваются в теории струн как многомерные частицы. Однако если изучать частицы, движущиеся внутри бран, то браны отражают пространство-время, то есть являются четырехмерными структурами. Одним из вариантов теории струн является так называемая М-теория, которая рассматривает многомерные мембраны, или браны, как протяженные двухмерные, или с большим количеством измерений, объекты. Теория струн, несмотря на многочисленные исследования, ведущиеся в этом направлении, не получила пока экспериментального подтверждения.

Теория петлевой квантовой гравитации строится на предположении о том, что время и пространство не составляют фон взаимодействий между частицами, а имеют прерывистый характер, то есть состоят из квантовых ячеек. Заметны данные ячейки только при весьма малых масштабах исследований. Они соединены друг с другом, поэтому в больших масштабах переходят в единое, не прерывающееся пространство-время. Теория петлевой квантовой гравитации не требует поисков бозона Хиггса для объяснения массы частиц стандартной модели. Также многие модели, создающиеся для исследования происхождения Вселенной, не могут заглянуть раньше «большого взрыва», а теория петлевой квантовой гравитации берётся описать и сам период «большого взрыва», и даже то, что было раньше его.

В теории причинной динамической триангуляции пространство-время строится из так называемых симплексов. Симплекс – это одномерный или многомерный тетраэдр, имеющий в данной теории планковскую длину, то есть фундаментальную единицу длины в планковской системе измерений (примерно 1,6 × 10-35 метров). Принцип причинности – это один из базовых принципов физики, который устанавливает допустимые пределы влияния событий друг на друга. В данном случае, он является одним из условий, необходимых при сопряжении рассматриваемых симплексов. Благодаря принципу причинности пространство-время в масштабах макромира и мегамира обретает четыре измерения.

Однако, несмотря на все попытки, построить экспериментально проверенную теорию квантовой гравитации учёным пока не удаётся. Что касается остальных фундаментальных взаимодействий, то прогресс в объединении электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий весьма значителен, как уже отмечалось в начале данной работы. Далее необходимо рассмотреть данные взаимодействия и то, как они относятся друг к другу.

Электромагнитное взаимодействие, или электромагнетизм, может осуществляться только между частицами, обладающими электрическим зарядом. Современная теория электромагнетизма полагает, что данное взаимодействие осуществляется с помощью электромагнитного поля, то есть фундаментального физического поля, которое взаимодействует с телами, обладающими электрическим зарядом. Электромагнитное поле можно представить как взаимодействие электрического и магнитного полей, и данные поля порождают друг в друга при специфических условиях. Состояние электромагнитного поля и его изменения описываются с помощью системы уравнений Г. К. Максвелла. Колебания электромагнитного поля, которые распространяются на дальние расстояния, исследователи называют электромагнитными волнами. Электромагнитные волны распространяются в вакууме с одной и той же скоростью, равной скорости света, который, в свою очередь, тоже является электромагнитной волной. Электромагнитная волна может быть разной длины, на данном основании ученые различают свет, радиоволны, рентгеновское излучение и гамма-излучение.

До девятнадцатого века магнетизм и электричество не считались в физике взаимосвязанными явлениями. Только в начале девятнадцатого века опыты Г. Х. Эрстеда показали, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Г. Х. Эрстед пропускал электрический ток через проводник и обратил внимание на магнитную стрелку компаса, которая при этом отклонялась. Вполне возможно, что открытие произошло случайно, но это не умаляет его важности. Затем взаимосвязью магнетизма и электричества заинтересовался А.-М.Ампер, который вывел в 1820 году закон Ампера, прочно увязывавший электричество и магнетизм. Согласно данному закону, параллельно расположенные проводники с постоянным током, текущим по обоим проводникам в одном направлении, притягиваются, а если ток течёт в противоположном направлении – отталкиваются. Также А.-М. Ампер определил силу, с которым магнетизм действует на небольшой отрезок проводника, по которому бежит ток.

Далее исследования в области взаимодействия электричества и магнетизма продвинул вперед М. Фарадей, открыв явление электромагнитной индукции, то есть возникновения электрического тока в проводнике под действием изменяющегося магнитного поля. Закон Фарадея гласит, что электродвижущая сила, возникающая в проводнике тока, пропорциональна скорости изменения магнитного поля, под воздействием которого находится проводник. Электрический ток, вызванный возникающей электродвижущей силой, называется индукционным током.

Настоящий прорыв, ознаменовавший окончательное объединение электричества и магнетизма в единое взаимодействие, произошел после создания Д. К. Максвеллом в 1864 году теории электромагнитного поля. Эта теория обобщила все предыдущие исследования по данной теме, и доказала, основываясь на результатах опыта, что колебания электромагнитного поля должны вызывать электромагнитные волны, способные распространятся в среде, лишенной проводников тока. Скорость распространения электромагнитных волн, при этом, зависит от условий среды, в которой они распространяются, в частности, от магнитной проницаемости. Тот факт, что для вакуума теоретическая скорость распространения электромагнитных волн была близка к скорости света, экспериментально полученной на тот момент, позволил Д. К. Максвеллу высказать предположение об электромагнитной природе света, впоследствии подтвердившееся.

При жизни Д. К. Максвелла существование электромагнитных волн не получило экспериментального подтверждения, однако в конце девятнадцатого века физик Г. Герц осуществил опыты, утвердившие теорию электромагнетизма, разработанную Д. К. Максвеллом. Суть опытов Г. Герца состояла в следующем: учёный установил на расстоянии друг от друга генератор и приёмник электромагнитных волн, и, фактически, осуществил первую в мире радиосвязь. Хотя Г. Герц не осознал возможности практического применения данной системы, его опыты подтвердили теорию электромагнитного взаимодействия, разработанную Д. К. Максвеллом.

Позже, в двадцатом веке, теория электромагнитного поля продолжила своё развитие, взаимодействуя с квантовой теорией поля. Квантовая теория поля, разработка которой физиками завершилась к шестидесятым годам двадцатого века, оказалась наиболее адекватной теорией, описывающей фундаментальные взаимодействия, существующей на данный момент. Как уже упоминалось в данной работе, теория электромагнитного взаимодействия на данный момент включена в теорию электрослабого взаимодействия, и входит в так называемую «стандартную модель».

В рамках квантовой теории поля электромагнитные волны можно рассматривать как поток фотонов, то есть элементарных частиц, квантов электромагнитного излучения. Фотоны не имеют массы, электрического заряда, способны существовать, лишь двигаясь со скоростью света. Фотоны существуют в рамках корпускулярно-волнового дуализма, то есть он проявляет свойства, как частицы, так и волны. Данную частицу можно представить как элементарное квантовое колебание электромагнитного поля, фотоны являются частицами, переносящими электромагнитное взаимодействие. Фотон является калибровочным бозоном, то есть частицей, то есть частицей, переносящей фундаментальное воздействие природы. Таким образом, гипотетически существующая частица гравитон, как переносчик гравитационного взаимодействия, может быть калибровочным бозоном. Фотон также может именоваться квантом электромагнитного поля. Квант в современной физике – это неделимая часть какой-либо величины. Квантовая механика описывает некоторые физические величины как имеющие строго определённые значения, то есть они квантуются. Таким образом, квант – это неделимое количество энергии или материи, которое объект в физике выделяет или поглощает.