Стандартная модель мироздания подразумевает, что в нем существуют четыре фундаментальные силы: электромагнитная, сильное взаимодействие, которое ответственно за устойчивость атомного ядра, слабое, которое управляет радиоактивным распадом, и гравитация. Современными учеными в рамках стандартной модели удалось увязать только первые три силы. А четвертую - гравитацию присоединить к теории не удаётся, сколько не старался и сам А.Эйнштейн.

Взаимодействие представляет собой воздействие (влияние) тел или частиц друг на друга, полей, приводящее к изменению их состояния, движения. Фактически способов взаимодействия в природе бесконечно и разнообразно. Однако фундаментальных, то есть тех, которые объемлют все разнообразие возможностей существования объектов материального мира в физике лишь четыре: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное.

Самая важная сущность Мира заключается не в протяженности вселенной в пространстве и времени, а скорее в бесконечных и сложных взаимодействиях всех ее частей и происходящих с ними изменениях. Мы познаем окружающий нас мир только через взаимодействия с ним. Когда мы видим предмет, наши глаза воспринимают свет, рассеянный его поверхностью. Происходит взаимодействие света с предметом, в результате которого некоторые цвета поглощаются, а другие отражаются.

В наших глазах происходит взаимодействия, превращающие свет в электрические импульсы, распространяющиеся по волокнам зрительных нервов. Таким образом, информацию об окружающем нас мире мы получаем, в первую очередь, благодаря электромагнитным волнам. Видимый свет является электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Электромагнитные силы действуют и в атомах, и в атомных ядрах; они же «отвечают» за все связи между атомами в молекулах и между молекулами; все химические и биологические явления имеют электромагнитную природу, поскольку биохимические процессы затрагивают электронную оболочку атомов химических элементов, участвующих в биохимических реакциях.

Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами численно равна F = e₁e₂/4πer² (где e₁ и e₂ – заряды тел, e – универсальная постоянная, определяющая интенсивность электрического взаимодействия¹, r – расстояние между телами) и направлена вдоль соединяющей их линии.

Однако одним только электромагнитным взаимодействием невозможно объяснить все происходящие в мире процессы. Самостоятельную силу представляет собой тяготение (гравитация), преобладающая в космических масштабах. Она удерживает планеты на своих орбитах и управляет движением галактик.

В ядрах атомов действуют иные силы, как удерживающие структурные единицы ядер – протоны и нейтроны вместе (сильное взаимодействие), так и приводящие к явлениям радиоактивности – например β-распаду.

Физики считают, что к четырем видам взаимодействий сводится все многообразие состояний и движений в Природе. Некоторые биологи, напротив, утверждают, что явления жизни настолько своеобразны, что их можно выделить в особый тип взаимодействий. На самом деле биологические процессы представляют собой хорошо известные физические, химические и биохимические явления в организации жизненных форм.

Взаимодействия в микромире частиц достигает максимального значения на очень малом расстоянии. Сила взаимодействия между микрочастицами падает практически до нуля на расстоянии, чуть превышающем размеры ядра атома (около 1·10^-13 см). Поэтому обнаружить взаимодействия элементарных частиц оказалось не так просто.

В 1930 г Э.Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, на основе которой было предсказано существование новой частицы. Эта электрически нейтральная частица необходима была для того, чтобы учесть недостающую энергию в наблюдаемом β - распаде. Ферми назвал эту частицу нейтрино. Она оказалась настолько малой, что способна проникать через любое вещество. И для остановки падающих нейтрино, например, понадобилась бы толщина свинцовой пластины в восемь световых лет! Но все-таки вначале (это произошло только в 1953 – 1956 гг) было обнаружено антинейтрино Ф.Рейнесом и К.Коуэном, а уж потом нейтрино.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий, зато гораздо сильнее гравитационного.

О силе взаимодействия можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 10⁸ – 10⁹ эв, которые являются характерными для физики элементарных частиц, т. к. именно такого порядка массы (выраженные в энергетических единицах) большинства элементарных частиц (например, масса p-мезона 1,4×10⁸ эв, масса протона 9,4×10⁸ эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время ~ 10^-24 сек; за это время сильно взаимодействующая частица (адрон), движущаяся с около световой скоростью, пролетает расстояние порядка своих размеров (~ 10^-13 см). Электромагнитный процесс в этих же условиях длится, примерно, 10^-21 сек. Характерное же время процессов, происходящих за счёт слабых взаимодействий, гораздо больше: ~ 10^-10 сек. Так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.

В слабых взаимодействиях участвуют нейтрино, электрон (кроме этого он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии), протон (участвует во всех типах взаимодействий).

Константа слабого взаимодействия g_w » 10^-5 определяет интенсивность процессов (превращений) элементарных частиц в реакциях с участием нейтрино и антинейтрино. Силы слабого взаимодействия связаны с некоторыми процессами радиоактивного распада. Переносчиком слабого взаимодействия являются бозоны.

Успехи теоретической физики стимулировали создание такой аппаратуры, которая бы позволила открывать новые частицы. Правда, для этого требовалось значительное количество энергии. И такие устройства были созданы. Они получили название ускорителей элементарных частиц. Были созданы два вида ускорителей: линейный и круговой (циклотрон). В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль протяженного вакуумного канала. Например, стенфордская модель имела протяженность такой трубы более 2 км. Электроны отклоняются магнитами для столкновения их с мишенью. Специальные датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении. Регистрация частиц происходила в камере Вильсона, представляющую собой камеру, заполненную пересыщенным паром. Частицы, пролетая в этой камере, оставляли следы из конденсированных молекул воды и потому могли быть не только обнаружены, но и измерены их массы.

В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя его половинами и их траектория искривляется магнитным полем внутри циклотрона. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение.

При относительно малых энергиях протоны застревали в больших атомных ядрах, формируя более тяжелые и крупные ядра. Последние из-за радиоактивности распадались на меньшие ядра и другие частицы. Более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу.

Ввиду эквивалентности массы энергии: Е=mс², стало понятно, что для получения больших по массе частиц требовалась большая энергия. С увеличением мощности ускорителей были получены заряженные частицы π⁺ и π^– мезоны, а также К⁺ и К^- мезоны, нейтральных частиц пиона и каонов (К-мезонов), лямда-частицы, сигма-частицы и т.д. Число их заметно возрастало и предела в этом не значилось.

Позже в синхротронах ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, которая регистрировала частицы в перегретом жидком водороде. В результате было открыто свыше 100 новых элементарных частиц. Возникла необходимость в классификации частиц для того, чтобы разобраться в их природе, структуре взаимодействия и т.д.

В конце XIХ века Д.Максвелл пришел к выводу, что электричество и магнетизм представляют собой две стороны одного и того же явления, что и послужило основанием объединить их в одно – электромагнетизм.

Электромагнитное взаимодействие

Тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике – фотоны) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона). Такая зависимость от расстояния определяет дальнодействующий характер электромагнитного взаимодействия, его неограниченный (как и у гравитационного взаимодействия) радиус действия. Поэтому даже в атомах (на расстояниях ~ 10^-8 см) электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия которых ~ 10^-12 см. Электромагнитное взаимодействие ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества: атомов, молекул, определяет взаимодействие ядер и электронов в этих микросистемах. Поэтому к электромагнитным взаимодействиям сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др.

Свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн определяются электромагнитным взаимодействием. В детекторах частиц высокой энергии используется явление ионизации атомов вещества электрическим полем пролетающих частиц. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные (с испусканием фотонов) распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов и т. п. обусловлены электромагнитным взаимодействием. Проявления электромагнитного взаимодействия широко используются в электротехнике, радиотехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.

Переносчиками взаимодействий являются положительные и отрицательные заряды (протоны и электроны) и частицы, переносящие электромагнитные взаимодействия – фотоны.

Константа электромагнитного взаимодействия (постоянная альфа) a_e  1/137 описывает превращение заряженных частиц в те же частицы, но с изменением скорости движения и появление фотона (g).

В пятидесятые годы ХХ столетия Р.Фейнман, Д. Швигер и Т.Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав, таким образом, квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена виртуальными световыми фотонами, которые нельзя было наблюдать, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга.

Тяжелые и средние частицы физики сгруппировали в так называемые адроны, участвующие в сильном взаимодействии, которые в дальнейшем разбили на барионы и мезоны. Менее тяжелые частицы назвали легкими (лептонами), которые участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии.

Сильное взаимодействие

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. В отличие от фотона и лептонов (электрона и позитрона, мюонов и нейтрино), не обладающих таким взаимодействием.

Одним из проявлений сильных взаимодействий являются ядерные силы, которые связывают нуклоны в атомных ядрах. Сильные взаимодействия имеют маленький радиус действия (~10^-13 см) и на этих расстояниях значительно превосходят все другие виды взаимодействий. Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые сильным взаимодействием, составляет 10^-23 – 10^-24 сек. Сильные взаимодействия обладают высокой степенью симметрии. Специфическим для сильных взаимодействий является наличие внутренних симметрий адронов и других симметрий, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа – странности.

Впервые сильные взаимодействия, были обнаружены в опытах Э. Резерфорда (1911) одновременно с открытием атомного ядра. Именно этими силами объяснялось обнаруженное рассеяние на большие углы α - частиц при их прохождении через вещество. Но само понятие сильного взаимодействия было сформулировано позже, в основном в 30-х гг., в связи с проблемой изучения ядерных сил.

Сильные взаимодействия относятся к категории близкодействующих между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях сильное взаимодействие в 100 – 1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния сильное взаимодействие быстро убывает, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующими взаимодействиями связан тот факт, что они, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в ХХ веке. Слабые, дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы, были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).

Константа сильного взаимодействия g_s » 15 определяет количественные характеристики взаимных превращений барионов с участием мезонов. Переносчиками сильных взаимодействий являются кварки и глюоны.

Гравитационное взаимодействие – проявление кривизны пространства-времени. Оно определяет устойчивость вселенной, галактик, звездных и планетарных систем. Благодаря гравитации существует жизнь на Земле. Гравитационное взаимодействие представляет собой взаимодействие, возникающее между телами, и описывается законом всемирного тяготения.

Гравитационное поле создает вокруг себя любое тело, обладающее массой. Посредством гравитационных полей взаимодействуют физические объекты. Константа гравитационного взаимодействия a_g » 10^-39.

В мезомире, т.е. в мире объектов, с которыми непосредственно сталкивается человек, а также в макромире, мегамире и супермире (мире космических объектов) проявляется дальнодействие, связанное с электромагнитным и гравитационным взаимодействием.

Дальнодействие - совокупность представлений, согласно которым действие одного тела на другое передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния. Открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия оказалась неверной. Пустота оказалось заполненной электромагнитным излучением. К дальнодействию относится электромагнитное и гравитационное взаимодействие.

Близкодействие - совокупность представлений, согласно которым взаимодействие между удаленными телами происходит при участии промежуточной среды (поля) и осуществляется с конечной скоростью. К нему относится слабое и сильное взаимодействие.

В 1964 г М.Гелл-Ман и Д.Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход, который базировался на следующем. Оказалось, что адроны состоят из трех более мелких частиц – кварков. В Стэнфордском отделении Массачусетского технологического института США на линейном ускорителе элементарных частиц при обстреле электронами водорода и гелия при малых энергиях было обнаружено, что протоны и нейтроны вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большей энергии, рассеяние происходило на большие углы. Р.Фейнман и Д.Бъёркен истолковали это как доказательство существования кварков.

В 1967 г Стивен Вайнберг, Шэлдон Глэшоу и Абдус Салам показали, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это одно и то же взаимодействие (электрослабое), но только при энергиях выше 100 гигаэлектронвольт (ГэВ). Так была создана теория электрослабого взаимодействия, лежащая в основе Стандартной модели. Ниже порога 100 ГэВ симметрия между слабым и электромагнитным взаимодействием спонтанно нарушается, и в повседневной жизни мы наблюдаем их как разные взаимодействия. Данное явление можно рассматривать как фазовый переход электромагнитного и слабого взаимодействий.

Многое в теории электрослабого взаимодействия казалось странным. Массы некоторых элементарных частиц в уравнении поля оказались непостоянными. Они появлялись в результате динамического механизма возникновения масс при фазовом переходе между различными состояниями физического вакуума.

Физический вакуум по П.Дираку – материальная среда, заполненная электронами и протонами и другими частицами, полностью заполняющие энергетические уровни пространства. Это также среда, заполненная полевой составляющей материи (электромагнитными и гравитационным полями, волнами). Представляет собой абсолютно упругую среду. Структура вакуума пока неизвестна. Но известно, что он представляет собой наинизшее из энергетического состояния материальных полей.

Флуктуации вакуума могут спровоцировать рождение сверхкороткоживущих виртуальных частиц, которые обнаруживаются эффектом «лэмбдовского сдвига» уровней энергии атома водорода. Он соответствует «вакуумной флуктуации» (дрожанию) электрона атома за счет его взаимодействия с виртуальными позитронами и электронами. Каждый реальный электрон окружен виртуальными позитронами и отталкивает виртуальные электроны. В этом случае говорят, что вакуум поляризуется при прохождении заряженной частицы.

Вакуум в квантовой теории поля – основное состояние квантовых полей, обладающие минимальной энергией, нулевым импульсом, угловым моментом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами. Среднее число частиц квантового поля в вакууме стремится к нулю. В физическом вакууме может происходить рождение виртуальных частиц, которые влияют на физические процессы.

Физический вакуум – вакуумное среднее от произведения двух операторов полей в одной точке пространства-времени может быть не равным нулю. Другими словами, представляет собой энерго-информационное пространство, характеризующееся минимальной энергией, минимальной плотностью вещества, заполненное электромагнитным, гравитационным полем, в котором могут самопроизвольно (за счет вакуумных флуктуаций, фазовых переходов) возникать виртуальные частицы.

Виртуальные частицы – кванты релятивистских волновых полей, участвующие в вакуумных флуктуациях. Именно они являются переносчиками взаимодействий. Частицы, возникающие в промежуточных процессах перехода и взаимодействия частиц. Существуют короткое время ∆t, которое связано с их энергией E соотношением неопределенностей ∆t~ђ/E, где ђ- постоянная Планка =1,05457266·10^-34Дж∙с.

Виртуальные частицы имеют те же квантовые числа, что и реальные частицы и (формально) отличаются от реальных частиц тем, что для них не выполняется соотношение специальной теории относительности между энергией e, импульсом p и массой m : e²-c²p²≠ m²c⁴. Соотношение e²-c²p²= m²c⁴ называется уравнением массовой поверхности в пространстве переменных е и р. Поэтому говорят, что виртуальные частицы не лежат на массовой поверхности. То есть, отклонение релятивистского инварианта e²-c²p²= e²-c²p² от m²c⁴ иногда называют виртуальностью.

Содержание понятия виртуальных частиц претерпело существенные изменения. Ранее под виртуальными частицами понимались, например, только частицы виртуальных состояний как фотоны, электроны, пионы, которые были хорошо изучены в реальных состояниях. Но появился класс частиц (кварки, глюоны), которые принципиально не могут находиться в реальных состояниях из-за свойства конфайнмента.

Физический вакуум обладает важными свойствами, которые проявляются в реальных физических процессах. Если полям физического вакуума сообщить очень большую энергию, произойдет фазовый переход материи из ненаблюдаемого состояния в реальное. Как бы «из ничего» появляются частицы, имеющие массу. На гипотезах о возможных переходах между различными состояниями вакуума и понятия симметрии основана идея единой теории поля. Правда, для того, чтобы проверить эту идею необходимо развить мощность ускорителей до 1016 ГэВ на одну частицу . В настоящее время, когда заработает Большой адронный коллайдер (БАК), может быть получена энергия, сопоставима с энергией существовавшей в ранней вселенной.

Теория электрослабого взаимодействия вводит три дополнительные частицы, являющиеся в известном смысле аналогами фотона: два разнозаряженных бозона W⁺ и W^-, а также нейтральный бозон Z^о. Эти три частицы названы векторными, поскольку, так же как и фотоны, имеют спин (внутренний момент движения), равный единице.

Одним из существенных элементов теории стало введение нового поля особого типа – скалярного поля.

Существование в физическом пространстве-времени разных типов скалярных полей приводит к разделению всех взаимодействий в единой теории на слабые, сильные, электромагнитные; более того, для нынешних калибровочных теорий вполне естественно представление о том, что масса появляется в результате спонтанной перестройки вакуума и что исходная масса всех частиц была равна нулю и только наличие в физическом пространстве различных типов скалярных полей меняет ситуацию.

В его отсутствие электромагнитные и слабые силы друг от друга не отличаются, а все частицы, участвующие в возникновении этих сил, имеют нулевую массу. Но при его появлении промежуточные W^- и Z-мезоны становятся, в отличие от фотона, очень тяжелыми (масса порядка 80 – 90 ГэВ; для сравнения: масса протона составляет около 1 ГэВ), что делает радиус действия слабых сил очень маленьким (10^-16 см).

Промежуточные векторные бозоны образуются в протон-антипротонных столкновениях в момент взаимоуничтожения (аннигиляции) кварка из протона с антикварком из антипротона. Время жизни таких частиц очень невелико, приблизительно за 10^-20 секунды они распадаются с образованием кварк-антикварковых или лептон-антилептонных пар.

В разработанной теории некоторые частицы даже нельзя назвать частицами, поскольку представляют собой одномеры с поперечником 1∙10^-37 см, что на 14 порядков меньше атомного ядра. Зато длина этих одномеров составляет около 30 млрд. световых лет (1∙10²⁸ см). Такие объекты Я.Б. Зельдовичем названы космическими струнами.

В 1973 году М.Гелл-Маном и Х.Фритцшем была предложена еще одна теория – квантовая теория сильного взаимодействия, которая получила название квантовой хромодинамики. Она походила на квантовую электродинамику. И в той и другой теории кварки взаимодействовали в процессе обмена виртуальными частицами с глюонами.

Наконец, к средине 1970-х годов теоретические и экспериментальные наработки слились в единую теорию, названную стандартной моделью. Основой стандартной модели послужило представление, что элементарными кирпичиками вселенной выступают поля, а не частицы.

Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия, поскольку было не понятно, каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если они находятся на некотором расстоянии друг от друга, и между ними нет ничего материального. По И.Ньютону тела воздействуют друг на друга посредством некой силы. На самом деле, если удалить одно тело и оставить одно, то тело способно воздействовать на любое проходящее мимо тело посредством поля как возможности проявления силы тяготения.

Таким образом, согласно современной стандартной модели:

• исходными кирпичиками вселенной являются поля;

• крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля;

• частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать в виду ограничений неопределенности Гейзенберга.

Таким образом, картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами).

Стандартная модель включает два типа взаимодействия: сильное и электрослабое.

Сильное взаимодействие включает взаимодействие частиц, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называемых кварками.

Электрослабое взаимодействие (слабое + электромагнитное) включает взаимодействие частиц, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называемых лептонами.

Механизм функционирования атома, согласно стандартной модели, следующий. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре путем обмена виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками. Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами.

Стандартная модель предсказывает плансковские масштабы размерностей: времени 10^-43 с, длины 10^-35 м, энергии 10⁹ Дж.

Если энергию Планка сосредоточить в объеме куба со стороной равной длине Планка, то эквивалентная масса (Е=mс²) в этом бесконечно малом пространстве была бы столь плотной, что свет бы не мог покинуть это пространство и представлял собой объект так называемый черной дырой. Так что ниже отмеченного уровня планковских масштабов размерностей пространство и время предстают «квантовой пеной», где уже не действуют никакие физические законы². Считается, что начальная картина вселенной соответствовала планковским размерностям.

Стандартная модель способна предсказать многое в эволюции материи, вещества во вселенной. Однако при всей ее совершенности у нее есть свои недостатки. Изъяном стандартной модели является нарушение принципа симметрии электрослабого взаимодействия. Фотон и безмассовый бозон служат переносчиками электромагнитной части электрослабого взаимодействия. Для сохранения симметрии переносчиком слабого взаимодействия должен выступать безмассовый бозон, чего на самом деле нет. Переносчиком слабого взаимодейстия вытупают два W и один Z- бозон, обладающие значительной массой, превышающие массу большинства кварков. Симметрия, таким образом, оказывается нарушенной и стандартная модель не в силах это объяснить.

Стандартная модель также не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей подставки в уравнения. Лучшей теорией тяготения считается общая теория относительности А.Эйнштейна. Поэтому возникает соблазн, а почему бы не применить квантовые законы к общей теории относительности? Оказалось, что это сделать не так просто, так как ОТО хорошо работает на объектах с расстояниями между частицами более 1 мм. Что творится на расстояниях меньше 1 мм, трудно сказать. Может ли экстраполироваться сила тяготения на микромир? К тому же сила тяготения оказывается крайне слабой и ее не так просто обнаружить. Становится не совсем понятным огромный энергетический разрыв между электрослабым, сильным и гравитационным взаимодействиями.

Одной из главных проблем стандартной модели остается проблема массы.

В 1964 году П.Хиггс (шотландский физик), исходя из чисто математических решений, допустил существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Особенность этого поля заключается в том, что взаимодействующие с этим полем частицы вследствие этого приобретают массу. То есть масса является не мерой инертности, а мерой взаимодействия.

Согласно этой теории частицы по-разному взаимодействуют с полем Хиггса. Это приводит к большим массам у W- и Z- бозонов и к отсутствию массы у фотона и глюона. Действительно, если поле Хиггса ответственно за появление массы, то становится понятным, откуда она возникает. Но проблема заключается в том, как обнаружить это поле, поскольку переносчиком взаимодействия должна быть частица Хиггса.

В случае успешных поисков частицы Хиггса³, а ее масса окажется в пределах досягаемости мощности БАКа, запущенного в 2008 году, тогда можно будет расширить стандартную модель. Если масса искомой частицы выйдет за предсказуемые пределы, то стандартной модель перестанет существовать. Если будет найдено множество частиц Хиггса, помимо стандартной модели потребуются новые теории. Если не отыщется ни одной частицы Хиггса, то это повлечет за собой необходимость также замены стандартной модели.

В рамках микрофизики В.Гинзбург в своём списке нерешённых задач выделяет семь проблем. В частности проблему элементарных частиц. Считались, что в разряд элементарных должны были отнесены нуклоны и мезоны. В настоящее время известно, что они состоят (правда, пока теоретически) из кварков и антикварков, которые мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными. Далее элементарны лептоны: электрон и позитрон (е^– и е⁺), m^–+, t^–+, соответствующие нейтрино n_e, n_m, n_t. Наконец, элементарными являются 4 векторных бозона (фотон g, глюон g, Z⁰, W^–+).

Одной из фундаментальных проблем микрофизики является проблема обнаружение частицы Хиггса — скалярного хиггс-бозона со спином 0. По оценкам, масса Хиггса меньше 1000 ГэВ, но скорее даже меньше 200 ГэВ. Поиски уже начались на ускорителе в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ.

Другая важнейшая задача — поиски суперсимметричных частиц. В особенности исследование проблемы CP-несохранения и, в силу справедливости СРТ-инвариантности (совместных пространственной инверсии Р, зарядового сопряжения C и обращения знака времени Т) также несохранения T-инвариантности (неинвариантность при замене знака времени t на —t). Это фундаментальная проблема с точки зрения объяснения необратимости физических процессов. Природа процессов с СР-несохранением пока неясна; идут поиски СР-несохранения при распаде B-мезонов. Распад протона пока не обнаружен. По последним данным, среднее время жизни протона, если определить его по реакции р е⁺+р⁰, больше 1,6x10³³ года.

Относительно проблемы фундаментальной длины. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что до расстояний порядка 10^–17 см (чаще, правда, указывают длину в 10^–16 см) и времени порядка 10^–27 с существующие пространственно-временные представления справедливы. Но неизвестно, что происходит в меньших масштабах? Такой вопрос в сочетании с имевшимися затруднениями теории и привел к гипотезе о существовании некоторой фундаментальной длины l_f и времени t_f ~ l_f/с, при которых возникает «новая физика» и конкретно какие-то необычные пространственно-временные представления («зернистое пространство-время» и т. п.). В.Гингсбург замечает, что сегодня нет никаких оснований для введения длины l_f ~ 10^–17 см. С другой стороны, в физике известна и играет важную роль некоторая другая фундаментальная длина, а именно планковская, или гравитационная, длина l_g = 1,6х10^–33 см; ей отвечают время t ~ 10^–43 с и энергия E_g ~ 10¹⁹ ГэВ. Нередко фигурирует и планковская масса m_g ~ 10^–5 г. Физический смысл длины l_g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 году. Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме.

Стандартная модель (standard model), объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия и называемая Великим объединением, реально используется современной теорией элементарных частиц, состоящей из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики. Теорию Суперобъединения, в которой стандартная модель включает еще и гравитацию, предстоит только создать.

В рамках рассмотренных проблем, которые выдвинул В.Гинзбург, некоторые из них рассматриваются в рамках квантового мира вселенной и далеко являются неоднозначными в их решении.

Ссылки