Теории Великого объединения и Суперобъединения

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность трех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Поэтому физики-теоретики с 1974 г. пытаются создать теорию Великого объединения взаимодействий, в которых электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. При этом физики исходят из уже известного факта, что константы этих трех фундаментальных взаимодействий, в обычных условиях различающиеся на несколько порядков, могут становиться равными друг другу при определенной величине энергии. Эту энергию, большую, чем 10¹⁴ ГэВ, назвали энергией объединения. Также она проявляется на расстояниях 10^-29 см. При таких условиях выявляется общая природа трех указанных взаимодействий, кварки и лептоны становятся практически неразличимыми.

Единое поле, которое образуется при таких условиях, должно характеризоваться очень сложной симметрией, способной охватить все калибровочные симметрии, известные как в квантовой хромодинамике, так и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии -- главная задача физиков, без решения которой теория Великого объединения невозможна.

В простейшем варианте этой теории для превращения кварков в лептоны требуется 24 поля. Половина из них известна, их квантами являются: фотон, три тяжелых векторных бозона, восемь глюонов. Остальные 12 квантов – сверхтяжелые промежуточные бозоны, названные X и Y-частицами. Они должны обладать электрическим зарядом и цветом. Именно эти частицы, по расчетам, поддерживают более широкую калибровочную симметрию и могут перемешивать кварки и лептоны.

Считается, что проявление этих полей возможно при сверхвысоких энергиях. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое взаимодействия.

Из этой теории вытекает ряд неоднозначных следствий: возможность распада протона и существование магнитных монополей (магнита с одним полюсом). Подобные факты экспериментально обнаружить до сих пор не удалось. Обнаружить опытным путем существование Х и Y-бозонов невозможно, так как необходимые для этого энергии недоступны человеку. Современные ускорители достигают энергии только в 100 ГэВ, а нужно создать энергию в 10¹⁴ ГэВ. Поэтому сегодня физики пытаются найти следы существования таких частиц на ранних стадиях эволюции Вселенной, наблюдая за космическими процессами.

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию Суперобъединения. Она должна объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Эта теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

Исходной идеей в данной теории является утверждение, что в основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая физика высказывает предположение о существовании полной симметрии в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Это значит, что между этими частицами должно существовать полное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга. Возможность такого перехода была открыта в 70-е годы и получила название суперсимметрии. Считается, что фермионы и бозоны, являющиеся частицами с разными спинами, входят в одно семейство частиц, обладающих некоторым значением супер-спина. Каждой известной сегодня частице должен соответствовать суперпартнер – частица со спином, отличающимся на 1/2. Так, суперпартнер фотона – фотино со спином 1/2, суперпартнер гравитона – гравитино со спином 3/2 и т.д. Есть также частицы вино, зино, глюино. В одной из теоретических моделей сведены воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2; 1 частица со спином 2.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. От обычной гравитации она отличается тем, что гравитон здесь уже не единственный, переносчик гравитационного взаимодействия. Таких частиц целое семейство, в том числе и уже упоминавшиеся нами частицы гравитино.

Если данная теория верна, то мы получаем основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной суперсилой, проявляющей себя разными гранями – электромагнитным, слабым, сильным, гравитационным взаимодействиями. Но все эти грани связаны между собой суперсимметрией. Данная теория еще не .получила экспериментального подтверждения.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория струн, создателями которой стали английский физик М. Грин и американский физик Д. Шварц (сегодня ее называют теорией суперструн). Они попытались отказаться от уже привычного описания элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория описывает некие протяженные объекты – струны. Они являются протяженными, хотя и одномерными объектами и представляют собой отрезки либо со свободными концами, либо соединенными в виде восьмерки. Их размеры – примерно 10^-33 см (планковская длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые известны и, может быть, будут открыты в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн можно сравнить с набором гармоний, вызываемым колебанием скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут наблюдаться как новые частицы с массой, больше массы предыдущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состояния струн с минимальной энергией. Введение струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и по сути эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких вычислений есть некоторые трудности. В частности, она предполагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют струны, должны проявляться дополнительные пространственные измерения. Есть варианты теорий для 11-мерного, 26-мерного и т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не распространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть, по расчетам, гипотетические частицы – тахионы. Это частицы, имеющие мнимую массу и движущиеся со скоростью, большей скорости света.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать возможность существования еще одного взаимодействия – спинтор-сионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Есть предположения, что эти поля обладают возможностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также принято считать, что именно эти поля обеспечивают практически все известные сегодня парапсихические феномены и биоинформационное (энергоинформационное) воздействие. С помощью этих технологий появилась возможность диагностировать и лечить некоторые виды заболеваний, создавать средства защиты от геопатогенных воздействий и вредных электромагнитных полей, разрабатывать новые конструкционные материалы. Если существование таких полей подтвердится, это вновь перевернет наши представления о мире.

Вопросы для обсуждения

1. Какие формы механического движения вам известны?

2. Чем отличаются друг от друга принципы дальнодействия и близкодействия?

3. Притягиваются ли люди друг к другу?

4. Почему электрон не падает на ядро атома?

5. Что послужило доказательством того, что теория электрослабого взаимодействия верна?

6. Что такое Стандартная модель?

7. Что такое суперсимметрия и супергравитация?

8. Что такое струны? Чем они отличаются от элементарных частиц?