На переднем крае физики микромира

Совершенно непонятно, для  чего столько частиц. Являются ли эти  элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия  показало, что в существовании  такой структуры нет никаких  сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

         Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Глава 2.Фундаментальные  взаимодействия в природе и их характеристика.

В свой повседневной жизни  человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и  сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические  извержения, приводившие к гибели цивилизации.

Одни силы действуют непосредственно  при контакте с телом, другие, например, - гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

 Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные  взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные  взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области  фундаментальным взаимодействиям  отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными  частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики  взаимодействия, которые поглощаются  другим физическим объектом. Это ведет  к тому, что объекты как бы чувствуют  друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они  испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких  энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных  взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях  как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или  как сильное, или как их некоторая  комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных  взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются  попытки найти принцип объединения  всех четырех фундаментальных взаимодействий. В данной главе я последовательно  рассмотрю основные проявления фундаментальных  взаимодействий.

2.1.Гравитационное взаимодействие.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех  фундаментальных взаимодействий предметом  научного исследования. После появления  в ХVII в. Ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10-39 от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры  атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая  к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры  атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая  к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем  гравитацию, коль скоро она так  слаба. Как она может оказаться  господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности.

В нем участвуют все  виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы. Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана  с кривизной пространства-времени  и описывается в терминах так  называемой римановой геометрии. В  настоящее время все экспериментальные  и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных  гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты  этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление  различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически  неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных  гравитационных полях.

Если пренебречь всеми  релятивистскими эффектами и  ограничиться слабыми стационарными  гравитационными полями, то общая  теория относительности сводится к  ньютоновской теории всемирного тяготения.

 Сила гравитации, действующая  между частицами, всегда представляет  собой силу притяжения: она стремится  сблизить частицы. Гравитационное  отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким  полем или проявлением искривления  пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Из многих физических предсказаний общей  теории относительности отметим  три. Теоретически установлено, что  гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они  имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции  и дифракции. Однако в силу чрезвычайно  слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное  наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее, данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически  сжиматься. Это оказывается возможным  на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии  уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может  быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного  коллапса. Исследования показали, что  если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного  радиуса Rg = 2GM / c2, где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая  информация о процессах, идущих в  этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область  пространства, в которую можно  попасть, но из которой ничего не может  выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр  является одним из теоретических  предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они  запрещают такого типа явления. В  связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно  важное значение. В настоящее время  имеются наблюдательные данные, свидетельствующие  о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности  впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым  Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении  о том, что Вселенная, включая  такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого  физического явления, называемого  Большой Взрыв, и с тех пор  расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться  со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что  возраст Вселенной, то есть время, прошедшее  с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей  Большого Взрыва, то это явление  слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как  о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма  Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения  теории гравитации и квантовой механики.

Можно ли вообще говорить о  квантовых проявлениях гравитационного  взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят  универсальный характер и применимы  к любому физическому объекту. В  этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится  элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2.

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает  гравитон и также изменяет состояние  своего движения. В результате возникает  воздействие частиц друг на друга.

Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G - размерная  величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные  постоянные: ħ (постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m_p. Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет Gm_p²/ (ħc )~6  *10^-39 , что, конечно, является очень малой величиной. Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, ħ , c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина l_Pl и планковское время t_Pl выглядят следующим образом:

, см      , с.

 Каждая фундаментальная  физическая константа характеризует  определенный круг физических  явлений: G - гравитационные явления,  ħ - квантовые, c - релятивистские. Поэтому  если в какое-то соотношение  входят одновременно G, ħ , c, то  это значит, что данное соотношение  описывает явление, которое одновременно  является гравитационным, квантовым  и релятивистским. Таким образом,  существование планковских величин  указывает на возможное существование  соответствующих явлений в Природе. 

Конечно, численные значения l_Pl и t_Pl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что        квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

Отличительной чертой явлений  микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются  подверженными так называемым квантовым  флуктуациям. Это означает, что при  многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально  должны получаться различные численные  значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым  объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует  ожидать, что на временах порядка t_Pl и расстояниях порядка l_Pl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно - временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

Последовательная квантовая  теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений l_Pl , t_Pl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с l_Pl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с t_Pl и она имела размеры порядка l_Pl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.