CC BY
287
ВРЕМЯ. ИДЕИ. НАУКА НА РУБЕЖЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИй
новейшая физика элементарных частиц: проблемы и перспективы
Г.М. Верешков, Л.А. Минасян
ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА
В настоящей статье речь пойдет о результатах, полученных в физике элементарных частиц в последние годы XX века (с 1998 г.) и в XXI веке. Именно потому статья получила соответствующее название.
Уже к 80-м годам XX столетия произошло полное слияние двух в прежнем различных областей физического знания - физики элементарных частиц и космологии. В физике элементарных частиц, в особенности в связи с открытием в 1963 г. кваркового строения вещества и формулировкой теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамики, а также в связи с установлением калибровочной природы всех известных физических взаимодействий, вновь заговорили об идее построения единой теории поля, идее, долгие годы вынашивавшейся Альбертом Эйнштейном и не получившей истинного признания при его жизни. С 1967 г. в этой области наметился значительный успех на пути этого построения: была создана теория электрослабого взаимодействия, экспериментальное подтверждение которой получено уже в 1983 г. в ЦЕРНе. Объединение теории электрослабого взаимодействия с квантовой хромодинами-кой получило название "Стандартная модель фундаментальных взаимодействий кварков и лептонов". Второй путеводной нитью на пути к единой теории поля стало открытие новых видов материи - скалярного хиггсового вакуума и квантово-топологического адронного
Верешков григорий Моисеевич - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий лабораторией фундаментальных взаимодействий НИИ физики Ростовского государственного университета;
Минасян Лариса Артаваздовна - доктор философских наук, профессор, проректор по научно-исследовательской работе Ростовского института сервиса ЮжноРоссийского государственного университета экономики и сервиса.
вакуума, в корне отличающихся по своим свойствам от всех известных прежде видов материи. Таким образом выкристаллизовались основные физические идеи, которые образуют фундамент построения этой теории. Позволим себе кратко охарактеризовать их.
Новые представления о структурном уровне материи
Вплоть до тридцатых годов прошлого столетия во всех физических справочниках можно было прочитать, что физика изучает материю в двух проявлениях - вещество и поле. Поле понималось при этом как пустая континуалистская среда. Важный вклад П. Дирака в развитие квантовой теории состоит в том, что он разработал последовательные правила квантования электромагнитного и электрон-позитронного полей. В квантовой электродинамике впервые были сформулированы представления о виртуальных частицах, о сложности вакуума квантовой теории поля. Вакуум стал рассматриваться как наинизшее энергетическое состояние квантованных полей, как основное состояние квантовых полей, а возбуждения этого поля - частицы - стали интерпретироваться как кванты полей. При этом подразумевалось, что наинизшему энергетическому состоянию соответствует состояние, в котором реальных частиц* нет. Так что вакуум в общепринятом смысле понимался хотя и как "нечто", но в среднем все-таки как "ничто". В целом же он представляет собой активную среду, в которой постоянно происходят процессы рождения и умирания всевозможных виртуальных частиц. Еще один важный результат теории дирака - теории, синтезирующей законы и квантовой механики, и теории относительности эйнштейна, - состоит в предсказании античастиц. Таким об-
* Реальными частицами называются объекты, способные к перемещению на макроскопические расстояния.
разом, с тридцатых годов XX в. на место кон-тинуалистого поля приходит представление о поле квантованном. Кроме того, понятие поля стало использоваться не только для описания процессов передачи взаимодействий, но и для описания частиц вещества. Поля первого типа получили название "бозонные", а поля второго типа - "фермионные" В названиях полей отражен тот факт, что различные частицы - кванты различных полей - подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, кванты фермионных полей являются ферми-частицами (фермио-нами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение спина. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паулиопределяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном о том же состоянии на одном подуровне могут находится только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В чем-то аналогичные закономерности проявляются в структуре атомных ядер (связанных состояний протонов и нейтронов) и в структуре адронов (связанных состояний кварков).
Все кванты бозонных полей являются бозе-частицами (бозонами) - частицами с целочисленным значением спина. системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них не действует: в одном и том же состоянии может находится любое число квантов полей.
На изученном к настоящему времени наиболее фундаментальном уровне структуры материи кванты ферми-полей делятся на две группы - кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях "бесструктурными". Кварки - это частицы, которые кроме электрического заряда, обладают зарядами, характеризующими их способность к сильному взаимодействию. Имеется важное отличие между электромагнитным и сильным взаимодействием. способность частиц к электромагнитным взаимодействиям характеризуется зарядами
двух типов, которые мы условно называем положительным и отрицательным. Переносчик электромагнитного взаимодействия - электромагнитное поле само по себе заряда не имеет. сильные взаимодействия устроены несколько иначе. Способность частиц к сильным взаимодействиям также характеризуется двумя типами зарядов - положительным и отрицательным. но каждый тип заряда имеет три разновидности. для описания различий между разновидностями сильных зарядов используется условная терминология - разновидности зарядов различаются по "цвету", например, красный, желтый и зеленый заряд. В природе существуют частицы, не обладающие сильными зарядами. Среди квантов ферми-полей к ним принадлежат лептоны. Лептоны бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях. экспериментально установлено наличие шести типов лептонов. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, обладают одним из цветных зарядов. экспериментально установлено существование шести типов (ароматов) кварков. С учетом принятой классификации сильных зарядов теория сильных взаимодействий получила название "квантовая хромодинамика". Второе важное отличие хромодинамики от электродинамики состоит в том, что переносчики сильного взаимодействия - глюоны, в отличие от фотонов, несут сразу два хромодинамических заряда, один из которых принадлежит к положительному типу, а другой - к отрицательному (например, красный + антижелтый).
Подобно тому, как частицы, имеющие противоположные по знаку электрические заряды, могут образовывать электрически нейтральные системы, так и частицы, обладающие сильными зарядами, образовывают системы со взаимно компенсированными сильными зарядами. такие системы - адро-ны - получили название бесцветных. теория предсказывает, что имеются два способа взаимной компенсации сильных зарядов. Первый способ - компенсация цвета таким же антицветом. носителями антицвета являются антикварки. По этому принципу устроены мезоны - системы, спин которых принимает целочисленное значение. Второй способ - смешивание в равных количествах различных цветов (или антицветов). По этому принципу устроены барионы - системы с полуцелым спином.
В последние десятилетия XX в. теоретически разработана концепция, в рамках которой физические взаимодействия рассматриваются как различные проявления единого фундаментального взаимодействия, обусловливающего взаимосвязь всех явлений природы (см. подробнее [1-3]). Экспериментальная проверка этой концепции - задача фундаментальной науки будущего. Сегодня на достигнутом и экспериментально проверенном уровне фундаментальных знаний различают четыре типа бозе-полей (гравитационное, сильное, электромагнитное и слабое), кванты которых являются переносчиками соответствующих им типов физических взаимодействий.
Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально.
Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Глюон, являясь подобно фотону безмассовой частицей, существенно отличается от него тем, что сам несет на себе цветовой заряд и способен к самодействию.
Квантом электромагнитного поля является фотон у. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейность уравнений электромагнитного поля и большой радиус действия электромагнитных взаимодействий.
Квантами слабого взаимодействия являются три бозона - W+, W~, Т0-бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, поэтому слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.
Все перечисленные выше кванты полей называются калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами так называемых калибровочных полей, описывающих внутреннюю слоистую структуру пространства-времени. термин "калибровочное поле" эквивалентен термину "поле расслоения". Калибровочный принцип - одна из основополагающих физических идей при построении единой теории поля. гравитон рассматривается как квантовое возбуждение метрики риманова пространства и представляет собой тензорный бозон, спин которого предположительно равняется 2. Остальные из вышеперечисленных бозонов - векторные, спин их равен 1, и они
являются квантовыми возбуждениями связ-ностей расслоенного пространства.
новый этап развития физической теории ознаменовывается существенно иным подходом - признанием возможности существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей. так возникает представление о существовании вакуумных конденсатов - состояний с отличным от нуля вакуумным средним. В теории предположили существование двух различных типов вакуумных конденсатов: векторного вакуумного конденсата калибровочных полей и скалярного конденсата хиггсовых полей, т.е. предполагается существование некоторого однородного и стационарного поля, заполняющего всю Вселенную. Это поле называется хиггсовым по фамилии физика-теоретика Хиггса, разработавшего соответствующую теоретическую модель. другое название состояния этого поля - вакуумный хиггсовый кондесат. локальное возмущение конденсата - квант хиггсового поля - представляет собой бозе-частицу, называемую хиггсовым бозоном, спин которого равен нулю. В результате взаимодействия других полей с хиггсовым конденсатом кванты полей приобретают отличные от нуля массы покоя. для двух типов квантов полей - фотонов и глюонов эффекты этих взаимодействий взаимно компенсируются, поэтому они остаются безмассовыми.
таким образом, современная физика вводит в рассмотрение принципиально новый объект - скалярный хиггсовый вакуум. К восьмидесятым годам XX в. в космологии утверждается идея о квантом рождении Вселенной из скалярного вакуумного пузырька планковских размеров. Именно данный вакуум рассматривается как прародитель всех частиц вещества и квантов полей. Его способность в ходе эволюции изменять свое состояние и привела к многообразию форм физического мира. Структурная организация физического мира представлена тремя категориями - частицы вещества, калибровочные кванты полей и скалярный хиггсовый вакуум. И это связано с отличием скалярного вакуума от обычного вещества и обычного поля, проявляемого в том, что плотность его энергии может иметь как положительное, так и отрицательное значение. для обычного вещества и для обычного поля естественным является
условие энергодоминантности, согласно которому плотность энергии должна быть строго больше (доминировать), чем давление. этим обусловлено существования для них только гравитационного притяжения. для скалярного вакуума принцип энергодоминантности может быть нарушен, что является выражением способности его к гравитационному отталкиванию.
Калибровочная природа физических взаимодействий
Все известные в настоящее время взаимодействия - сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное - имеют калибровочную природу, что и послужило основанием для попытки объединения их в единую теорию. Калибровочный принцип явился динамическим нововведением в общую теорию относительности. согласно этому принципу в физике был выработан новый взгляд на природу физических полей: любое физическое взаимодействие рассматривается как способ для поддержания в мире определенных видов локальных симметрий. Иными словами, любое взаимодействие диктуется конкретным видом симметрий нашего мира. Теории, в которых взаимодействия не постулируются, а выводятся как результат инвариантности относительно групп определенных локальных преобразований, стали называться калибровочными. Локальная калибровочная инвариантность требует введения дополнительного поля, что означает введение квантов этого поля, посредством которых осуществляется взаимодействие. Все четыре типа взаимодействий и их объединения описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп ли. Так, электромагнитное взаимодействие описывается абелевой калибровочной симметрией и(1); симметрия изотопического спина полей Янга-Миллса (слабое взаимодействие) - не-абелевой калибровочной симметрией SU(2); группа SU(2) х и(1) описывает симметрию электрослабого взаимодействия; группа SU(3) - цветовую симметрию сильных взаимодействий в квантовой хромодинамике. В теории рассматриваются всевозможные группы калибровочных симметрий, представляющих собой различные модели Великого объединения - единой теории электрослабого
и сильного взаимодействия, это SU(5), SU(10), Е6, Е7 и другие, а также различные модели суперсимметрии и супергравитации, включающие гравитационное взаимодействие.
слабое взаимодействие ответственно за изменение ароматов кварков. Сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков. Кроме этого, внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность (симметрия SU(3)) требует существования поля сильного взаимодействия для поддержания цветовой симметрии кварков. Хвост сильного взаимодействия между кварками внутри протонов и нейтронов обеспечивает силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтронами внутри ядра (ядерные силы).
Следует отметить, что заряд калибровочного взаимодействия одновременно определяет и величину заряда элементарной частицы и величину ("силу") самого взаимодействия - так называемую константу связи. Более точный анализ показывает, что интенсивность взаимодействия частиц зависит от энергии, переданной от одной частицы к другой в процессе взаимодействия. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что для электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий такая зависимость при достигнутых переданных энергиях является слабой (логарифмической). Гравитационное взаимодействие при достигнутых энергиях на уровне элементарных частиц имеет очень маленькую интенсивность. однако с ростом переданной энергии интенсивность гравитационного взаимодействия быстро (квадратично) растет. С учетом этой информации мы можем реконструировать физическую ситуацию космологической плазмы на ранних стадиях эволюции Вселенной. Результатом такой реконструкции является вывод о том, что в окрестностях Большого взрыва интенсивности различных взаимодействий становятся одинаковыми. А это означает, что в окрестности Большого взрыва не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно данное обстоятельство и стимулирует физиков в построении единой
теории всех физических взаимодействий, единой теории поля.
Квантовые калибровочные поля можно интерпретировать как возмущения связности в расслоениях пространства-времени. Изучение природы расслоений является ключевой задачей при построении единой теории поля. Если оставаться в рамках представлений о четырехмерном пространстве-времени, то путь к унификации всех известных типов взаимодействий лежит через геометрическую интерпретацию их как проявлений искривлен-но-расслоенного пространства. Эквивалентной такому подходу с математической точки зрения является теория, в основе которой лежит идея о многомерности пространства (теория Калуца-Клейна). В этом случае в фокусе рассмотрения оказываются не расслоения, а искривления в 10- или 11-мерном пространстве-времени. дополнительные измерения здесь компактифицируются и проявляются соответствующими физическими полями со своими симметриями. Мы не замечаем дополнительные измерения как пространственные, ибо они свернуты, компактифицированы до очень малых масштабов, размеры которых много меньше размеров ядра и других исследуемых в физике структур. Именно в суперсимметричных теориях идея Калуца-Клейна особенно привлекательна. Калибровочные поля приобретают здесь конкретное содержание: рассматриваются как геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями пространства-времени. Иными словами, калибровочные теории проявляют себя в данном случае как следствия многомерной общей теории относительности.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума
Сама идея построения единой теории физических взаимодействий, симметрия которых скрыта от нас в настоящую эпоху эволюции Вселенной, должна была логически вызвать к жизни идею спонтанного нарушения симметрии. так, например, если симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями существует, она не должна проявляться в современном вакууме, и мы вправе предположить асимметричность вакуума в качестве платы за устойчивое состояние системы. Первоначально идея спонтанного
нарушения симметрии была введена в физику элементарных частиц из физики твердого тела (в которой явление спонтанного нарушения симметрии в областях фазовых переходов достаточно хорошо изучено). Использование этой идеи привело к созданию теории электрослабого взаимодействия. После экспериментального подтверждения данной теории идея спонтанного нарушения симметрии вакуума прочно утвердила себя в качестве основного положения в жестком ядре программы построения единой теории поля. Смысл этой идеи состоит в следующем: при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости, не соответствующем минимальному значению энергии. лагранжиан квантовой теории обладает точной калибровочной симметрией, в то время как низшее физическое состояние (вакуум) не обладает симметрией лагранжиана, не является синглетом калибровочной группы, а преобразуется по одному из нетривиальных представлений группы симметрии лагранжиана. Спонтанное нарушение симметрии вакуума сопровождается рождением голдстоуновских бозонов, которые в момент своего появления съедаются калибровочными бозонами. Калибровочный векторный бозон использует степень свободы голдстоунов-ского бозона для перехода из безмассового состояния в состояние бозона, обладающего массой, поэтому голдстоуновские бозоны отщепляются и пропадают, калибровочные же - приобретают массу, и остается хиггсо-вое поле с хиггсовым бозоном со спином 0. Это так называемый механизм Хиггса. Очень важно здесь, что хиггсовый вакуум, обмениваясь своей энергией с частицами, является элементом макрообстановки, по отношению к которой происходит функционирование всех физических объектов и проявляются такие их качественные характеристики, как масса, заряд, спин и пр.
Теория суперструн
В современной физике широко используется модель суперструн. Обычно в научно-популярной литературе понятие суперструны разъясняется при сопоставлении ее с представлениями о точечных частицах. Характерная черта струны - ее многомерность, наличие многих степеней свободы, чего нет у такого теоретического объекта как мате-
риальная точка. это определяет поведение суперструн: при низких энергиях они ведут себя аналогично точечным частицам; при высоких энергиях, порядка планковских, струны "вибрируют". В современной теории каждая частица вещества и каждый квант - переносчик того или иного типа физических взаимодействий - представляют собой те или иные моды колебаний струн. Константы различных типов взаимодействий определяются типом колебаний струны. Таким образом, в современной физической теории в качестве фундаментального объекта мироздания выступает струна, характеризуемая двумя параметрами. один параметр - натяжение струны - характеризует спектр масс ее возбуждений и их способность к универсальному гравитационному взаимодействию. Второй, называемый калибровочным, необходим для более детального описания взаимодействий между возбуждениями струны, не сводящимися к гравитационному. Необходимо подчеркнуть, что оба параметра не вводятся как постулаты, а определяются внутренней математической структурой теории.
Теория суперструн устанавливает определенный предел для размеров струны: в отличие от точечной частицы струна сжимается до минимального значения, равного планков-ской длине I . Использование суперструн резко ограничивает выбор разрешенных калибровочных групп, в отличие от суперсимметрии с использованием точечных объектов. Суперструны накладывают ограничения и на размерность пространства. В суперсимметричных теориях, базирующихся на теории Калуца-Клейна и суперструнах, всевозможные виды симметрии удается свести к геометрическим. это говорит о том, что все поля, частицы и их характеристики получают здесь геометрическую интерпретацию. Частицы рассматриваются как возбуждения пространства с, как сейчас предполагается, 11-мерной геометрией. Важным результатом явилось доказательство того, что дополнительные пространственные измерения теории струн не могут быть ком-пактифированы произвольным образом.
В современной теории суперструн в рассмотрение включены не только струны, но и двумерные мембраны, трехмерные капли и в конечном итоге к-браны. открытие зеркальной симметрии привело к представ-
лениям о "флоп-перестройках" пространства, т.е. возможности его разрыва с последующим склеиванием, что означало бы переходы с изменением топологии пространства [3].
Нам представляется целесообразным при обсуждении модели суперструн внести некоторые уточнения. В вышеприведенном тексте понятие точечной частицы использовалось с единственной целью - подчеркнуть, что речь идет о фундаментальном бесструктурном объекте. Понятие же суперструны описывает объекты, для которых существует бесконечное множество возбужденных состояний (колебаний струны). Следует понимать, что речь здесь идет о моделях, реальные же объекты не могут быть приравнены ни к материальной точке (0-размерный объект), ни к струнам (одноразмерный объект). При описании физического мира посредством квантовых полей необходимо различать фундаментальные и составные поля. Под фундаментальными полями понимают исходный объект теории, претендующий на полное описание мира в целом; они поля бесструктурны. Составные поля отличаются тем, что их энергия может быть локализована в пространственно ограниченной области с определенными размерами. В этом случае речь идет об устойчивых состояниях составных полей. Так, например, в квантовой хромодинамике кварковые поля выступают как фундаментальные поля, а поля адронов как составные, соответствующие объектам - адронам, локализованным в пространственно ограниченной области. Суперструна и есть математический способ описания бесконечного числа полей с внутренней иерархией и внутренними согласованными свойствами. Сам термин "струна" отражает следующее обстоятельство: иерархия характеристик квантованных полей, описываемых суперструной, математически родственна иерархии характеристик колебаний релятивистской струны. И это не случайно. даже в теории поля можно провести математическое преобразование уравнений поля и придать им вид, похожий на гамильтоновы уравнения системы частиц. Также и в теории струн. Но это родство не означает, что мы имеем дело с реальной струной как с механическим объектом. Реально мы имеем дело с бесчисленным числом полей.
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ
Все перечисленные в предыдущем разделе идеи являются основополагающими в создании унифицированной теории физического мира. Концепция унификации сформировалась уже к 1985 г. За прошедшие с того времени годы были внесены только детали, которые, бесспорно, содержательны, но, к сожалению, не привели к возникновению принципиально новых методологических подходов. Ожидания физиков достижения теоретического прорыва, который позволил бы установить взаимосвязь между супергеометрией многомерного пространства и наблюдаемыми свойствами мира в доступных областях энергий, не оправдались. Можно выделить два аспекта неудачи: во-первых, математическое решение проблем оказалось гораздо более сложным, чем ожидалось; во-вторых, сама система представлений современных унифицированных теорий суперструн, по всей видимости, неполна. Подобная ситуация складывается в физике не впервые. Проблемным был и период в физике элементарных частиц перед возникновением кварковой модели и открытием тяжелых кварков. Прорыв произошел благодаря осознанию фундаментальности калибровочного подхода в теории. Можно утверждать, что временной интервал с 1964 по 1990 годы представляет собой золотой период в развитии физики. Было установлено, что все реальные взаимодействия имеют калибровочную природу, и оказалось, что все теоретические заготовки соответствуют реальности.
Сегодня ситуация в принципе усложнилась. Остро стоят две проблемы: необходимость включения в рассматриваемые теории, помимо физических полей, также полей информационных и обобщение принципов квантовой теории. По поводу первой проблемы можно услышать возражение, что информационные поля учитываются в квантовой физике и математически описываются вектором состояния. Напомним, что вектор состояния в математической форме содержит информацию о статистических распределениях всех физических величин, характеризующих микрообъект. с другой стороны, в терминах статистического распределения можно представить любую информацию. заметим, что именно это обстоятельство имеют в виду
при разработке нанотехнологий для телекоммуникационных систем, целиком основанных на квантовой механике. Таким образом, информационные поля в физике есть, но по аксиоматике квантовой механики они линейны. До тех пор, пока информационные поля в фундаментальной физике имеют линейный характер, ни о каком методологическом прорыве, использующем идею самоорганизации эволюционирующей Вселенной, говорить не приходится.
По поводу второй проблемы, отметим, что в основане существующей парадигмы квантовой теории лежит деление мира на две подсистемы с последующим согласованием их свойств в рамках концепции целостности. Единственный способ введения даже линейных информационных полей сводится в теории к процессу квантования. Квантовая механика строится на основе классической заготовки, а потом проводится квантование. При построении унифицированной теории данный механизм пытаются распространить и на геометрические теории. Принципиально важно, что идея целостности физических объектов и средств наблюдения реализуется в квантовой теории и в классических геометрических теориях различным образом. В квантовой теории она реализуется посредством квантования, перехода к операторному представлению, а в классических геометризированных теориях -путем введения дополнительных уравнений, задающих систему отсчета и, следовательно, состояние наблюдателей. здесь надо иметь в виду, что в классической геометризиро-ванной теории система отсчета определяется как включающая множество наблюдателей, в отличие от квантовой теории, где система множества наблюдателей сразу приводит к проблемам. таким образом, синтез квантового и геометрического представлений о природе физических полей является далеко нетривиальной задачей. По существу, здесь делается попытка двумя альтернативными способами, совместимость которых не очевидна, реализовать одну методологическую концепцию. Понятно, что нужна ключевая идея, объединяющая квантовый и геометрический подходы. Формулировку этой идеи надо искать при анализе тех проблем, которые существуют в обеих обсуждаемых теориях.
Концепция целостности, реализующаяся в геометризированных теориях по своей сути
эквивалентна идее самоорганизации. Однако без идеи самоорганизации невозможен анализ и тех проблем, которые возникают в квантовой теории при наличии множества наблюдателей. Квантовая теория, с одной стороны, использует концепцию многовариантности путей эволюции (вероятностная динамика всегда многовариантна), а, с другой, - именно она решает проблему устойчивости основных физических состояний (электрон не падает на ядро, например). Сопоставление этих двух аспектов квантовой теории приводит к мысли, что постоянная Планка "Н" является отражением происходящих в природе процессов самоорганизации, причем на самом фундаментальном уровне представлений о материи и пространстве-времени. Есть надежда, что введение кванта действия и калибровка существующих геометрических теорий - операции, имеющие идентичный смысл, и в рамках идеи самоорганизации совмещение двух описанных процедур окажется возможным. Это указывает на необходимость обобщения принципов квантовой теории.
Сегодня мы констатируем трудности в применении процедуры квантования в современных геометризированных теориях. Теория суперструн генетически представляет собой программу классической заготовки, так что здесь сразу вырисовывается главное препятствие в достижении унифицированности -трудности совмещения теории суперструн с процессом квантования. Следствием этого является разделение всей мировой системы на две подсистемы: классическую, которую следует рассматривать как строго детерминированную макрообстановку, и квантовую. То, что подобный подход является неполным, следует из анализа существования физических ситуаций, в том числе и в пределах достигнутых экспериментальных возможностей, когда разделение объекта исследования на классическую и квантовую подсистемы теряет смысл. Вышеотмеченные проблемы проявляют себя особенно остро в физике сильных взаимодействий. Примером могут служить квантово-топологические ситуации в кварк-глюонном вакууме.
Конечно, здесь обрисованы лишь некоторые трудности; проблем в действительности гораздо больше. Одной из них является ненарушенность симметрии в теории суперструн. Хотя совершенно ясно, что ее
репрезантивность в первую очередь связана с получением теории со спонтанным нарушением симметрии, поскольку и все физическое многообразие мира, и мы сами - есть результат такого нарушения. На современном уровне знания невозможно выдвинуть теоретическую концепцию, о которой с уверенностью можно было бы сказать, что она претендует на достоверность. Ситуация такова, что можно сформулировать проблему, решить же ее, перескочив вышеуказанные проблемы, невозможно. Если рассматривать динамику развития современного физического знания, то следует признать, что построение единой теории поля продолжает играть роль прогрессивной научно-исследовательской программы, хотя в ней и есть задачи, не решенные в данный период. Возможно вскоре, в связи с серией планируемых экспериментов, прояснится, является ли ситуация в современной физике преддверием научной революции, связанной с перестройкой жесткого ядра программы, или же трудности удастся преодолеть в прежних теоретических рамках благодаря уточняющим экспериментальным данным.
Здесь же хотелось бы выделить те важные наброски новых методологических подходов, которые поставлены в современной науке. Прежде всего, это необходимость перехода на новый виток понимания сложности и взаимосвязанности структур мира. В стандартной модели квантовой теории поля остро проявляет себя сложная структура вакуума, принципиально новационными являются свидетельства того, что антропный принцип заложен на вакуумном уровне. И хотя данным нетривиальным результатам всего двадцать лет, они представляются достаточно перспективными. эти результаты свидетельствуют об изменении самого характера познания. Процесс познания в физике всегда основывался на воспроизводимости локальных экспериментов с последующим адекватным математическим отражением их результатов. Собственно, это и понятно, ибо мы сами как наблюдатели являемся существами локальными, мы фиксируем лишь отпечатки глобальных процессов на локальных явлениях мира. Однако не факт, что данные отпечатки и есть познание глобальных свойств мира. здесь перед нами возникает гносеологическая проблема, составляющая ядро трансцендентальной философии Канта с ее разделением мира на явления и "вещи
в себе", на феномены и ноумены. С методологической точки зрения в физике возникла ситуация, требующая системного подхода, включающего в себя идею самоорганизации. А это значит, что в физике осознана ограниченность методов познания применительно к отдельному физическому явлению. на повестке дня - интерпретация целого комплекса взаимосвязанных физических явлений, из которого отдельные фрагменты метафизически попросту не вычленяемы. Вопрос ставится о понимании всего комплекса: пришло осознание того, что полученные сведения об отдельном элементе с позиции его роли в данной целостности более достоверны, чем попытки склеивания в целое отдельных фрагментов.
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
в 1998 г. были получены новые шокирующие сведения об особенностях структуры нашей Вселенной: 4 % составляют атомы обычного вещества (барионная форма), 23 % относится к неизвестному пока типу темной материи, а 73 % - это еще более таинственная "темная энергия", действующая как своего рода антигравитация. Возникла проблема идентификации этих вновь установленных физиками структурных элементов Вселенной.
то, что "темная материя" существует, не вызывает никаких сомнений у ученых. Представление о существовании некоторой таинственной "скрытой" массы во Вселенной родилось еще в 30-е годы XX в. Американским астрономом Фрицом Цвикки было установлено, что галактики в скоплениях движутся со скоростями, большими второй космической скорости. Если сохранить представление о том, что вся масса типичного скопления галактик равна видимой массе, галактики должны были бы разлететься. Следовательно подобные высокие галактические скорости возможны только вследствие того, что в состав галактик вносит вклад "темное", скрытое от нас вещество, которого должно быть в десятки раз больше обычного светящегося вещества. Позже было выяснено, что не только скопления галактик, но и сами галактики содержат скрытую массу.
Сегодня в результате сопоставления около семи тысяч измерений, установлено, что в составе галактик "темной материи" в 400 раз больше, чем обычного вещества. Учет
темного вещества в нашей галактике - Млечном пути - свидетельствует о том, что она намного тяжелее, чем это предполагалось ранее, и является крупнейшей в окрестностях Вселенной.
Насколько экзотичной с позиции современной науки выглядит "темная материя"? "Темная материя" является темной в том смысле, что представляет собой вещество несветящееся, поскольку оно не испускает свет и не излучает радиацию. Но в то же время называть ее абсолютно темной, было бы неверно, - в этом случае мы вообще не имели бы о ней никакого представления. выяснилось, что темная материя аннигилирует, хотя и не интенсивно. Следовательно, дает слабое аннигиляционное излучение, некоторые косвенные данные о существовании которого уже получены с помощью баллонных экспериментов. Более полную информацию посредством регистрации этого излучения предполагается получить с помощью экспериментов, осуществление которых планируется в ближайшие годы [4].
Частицы, претендующие на роль "кир-пичков" темной материи, получили название вимпов. вимп, от английской аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), дословно переводится как слабовзаимодействую-щие массивные частицы. Само же слово wimp означает "скучный человек". Предполагается, что вимпы участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии. Кроме того, они обладают достаточно большой массой, превышающей массу протона в 100-1000 раз, следовательно, дают существенный вклад в гравитационное поле. Бесспорно, физики пытались идентифицировать "темное вещество", сопоставляя его с известными барионными формами, т.е. с объектами, состоящими из протонов и нейтронов. Однако существование огромного количества такого рода объектов должно было оставить в эволюции галактик какой-либо определенный след. Именно этого и не удается обнаружить. точка зрения, согласно которой "темная материя" может представлять собой скопища нейтрино, также оказалась несостоятельной. тем не менее, теория суперсимметрии предсказывает существование частиц нового типа, так называемых нейтралино. И если в результате планируемых в ближайшие годы экспериментов подтвердится существование данных частиц, то укре-
пится надежда на успех в создании единой теории поля.
Суперсимметрия предсказывает существование частиц-двойников для всех известных ныне элементарных частиц. Следует отметить, что в современных суперсимметричных теориях не удается объединить в единый супер-мультиплет известные бозоны (калибровочные и хиггсовые) и фермионы (лептоны и кварки). Число фундаментальных частиц удваивается так, чтобы каждому бозону (соответственно, каждому фермиону) соответствовал бы партнер, во всем тождественный, кроме спина. Название для партнеров бозонов составляют из названия частицы с добавлением окончания "ино". Так, фотону соответствует фермион "фотино", W-бозону - "вино", Z-бозону - "зино", глюону - "глюино" и т.д. таким образом, можно сделать вывод, что в процессах взаимодействий при высоких энергиях суперсимметричные партнеры рождаются равноправно. Суперпартнеры порождают в теории расходимости противоположного знака, по сравнению с расходимостями, обусловленными их партнерами. Формальные расходимости квантовой теории поля были известны давно и для их устранения были разработаны специальные методы перенормировки. Появление же суперсимметричных моделей теории поля, в которых расходимости взаимно компенсируются, открыло путь к построению математически безупречной фундаментальной физической теории.
Суперсимметрия предсказывает существование нейтралино, которое должно быть стабильной частицей, способной к очень медленной аннигиляции. нейтралино является суперпозицией фотино, зино и нейтральных хиггсино. Масса нейтралино должна лежать в пределах от 100 до 1000 ГэВ. Нейтралино могли образовываться на ранней суперсимметричной стадии эволюции вселенной и играть важную роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной. По этим признакам можно считать, что нейтралино наиболее подходящий претендент на роль вимпа.
Как отмечает А.М. Гальпер, соруково-дитель проекта "РИМ-ПАМЕЛА" [5], эксперименты по обнаружению нейтралино можно разделить на две группы: прямое обнаружение частиц и косвенное - по продуктам аннигиляции. Попытки прямого обнаружения
нейтралино предпринимаются с помощью экспериментов на подземных низкофоновых установках. Основная задача - регистрация столкновений вимпов с веществом детекторов. одной из таких экспериментальных установок является DAMA (Гран-Сассо, Италия). Большие надежды возлагаются на проведение второй группы исследований с использованием космических аппаратов "РИМ-ПАМЕЛА" и "АМС", служащих для регистрации антипротонов и позитронов, а также с использованием гамма-телескопов "АМС", "АЖЕЛА", "ГЛАСТ" и "ГАММА-400". Российско-итальянский проект "РИМ-ПАМЕЛА", по всей видимости, будет одним из первых реализованных проектов по исследованию темной материи космическими средствами.
Как предсказывает теория, столкновение нейтралино с нейтралино, в частности их аннигиляция, идет через образование пар тяжелых кварков или пар промежуточных бозонов, и в конечном итоге приводит к возникновению гамма-квантов, либо пары из частиц и античастиц, например, протона и антипротона, электрона и позитрона и т.д. Проекты "Рим-Памела" и "АМС" направлены на исследование посредством магнитного анализа спектров античастиц. Предполагается регистрация потоков вторичных антипротонов и позитронов, которые возникают в процессах взаимодействия космических лучей с межзвездным газом. А.М. Гальпер считает: "Хотя вторичные античастицы и представляют большой самостоятельный научный интерес, при исследовании темной материи они являются весьма значительным фоном, на уровне которого и приходится искать следы от вимпов" [6, с. 4]. Гамма-телескопы будут регистрировать гамма-излучение в том же энергетическом интервале, что и спектры античастиц (от 0,1 до 1000 ГэВ). Задача этих экспериментов - регистрация аннигиляции нейтралино по гамма-излучению. особую роль должны сыграть исследования с помощью ускорителя Большого Адронного Коллай-дера (Large Hadron Collider) - LHC.
темная материя образовалась на ранней стадии развития вселенной, сразу после Большого взрыва. Высокая температура космической среды способствовала рождению в том числе и вимпов. Следовательно, нужны чрезвычайно большие энергии, которые невозможно получить на современных ускорителях.
Надежды ученых связываются со строительством LHC в Европейском центре ядерных исследований в Женеве (CERN). Столкновения протонов на нем будут происходить с энергией в 7 раз большей, чем энергии, достижимые на самом мощном в настоящий момент коллайдере TEVATRON (Чикаго, США). Коллайдер почти со скоростью света будет прогонять частицы по 27-километровому кольцу. Одной из задач является обнаружение нейтралино при взаимодействии ускоренных протонов с веществом. Разумеется, что результаты всех типов экспериментов должны быть взаимосогласованными. Согласно сред-неоптимистическим прогнозам, с помощью коллайдера LHC появится возможность обнаружения, во-первых, бозонов Хиггса, во-вторых, суперсимметричных партнеров известных элементарных частиц, одним из которых является вышеуказанное нейтрали-но. Эти данные исключительно важны для анализа теоретических предсказаний теории суперсимметрии, а также модели суперструн. Струнные теории приводят к суперсимметрии, и если нейтралино будут открыты и окажется, что темная материя состоит из них, то это позволит сделать вывод о существовании суперпартнеров. Однако, по-прежнему, в фокусе внимания останется проблема, как нарушить суперсимметрию. В суперсимметричных теориях, как уже отмечалось, получается нулевая полная энергия вакуума, так как фермионные и бозонные вклады взаимно сокращают друг друга. И здесь очень важное значение приобретают исследования темной энергии, которая обладает тремя важными особенностями:
1. Темная энергия составляет 73 % всей энергии нашей вселенной. Если ее сопоставить со скалярным вакуумом или с космологической постоянной, то выявляется новый подход и в космологических моделях. Еще совсем недавно считалось, что космологическая постоянная на современном этапе эволюции вселенной стала приблизительно равной нулю. И ученые приложили достаточно большие усилия для разработки моделей, приводящих к нулевому значению энергии вакуума после ряда скачков, связанных с процессами диссипации энергии из вакуума на рождающееся вещество и поля. Однако оказалось, что этот вид материи - скалярный вакуум - не столь расточителен.
2. Расширение нашей Вселенной, вопреки еще недавнему расхожему мнению, происходит с ускорением, что свидетельствует о превалировании гравитационного отталкивания вследствие присутствия энергии вакуума. Открытия 1998 г. показали, что плотность темной энергии, если и падает в процессе расширения, то крайне медленно.
3. темная энергия представляет собой неструктурированную энергию - энергию, однородно заполняющую все пространство. Мы привыкли в физике иметь дело с различными видами энергии, но они всегда были структурированы. Сейчас же приходится признать, что во Вселенной абсолютно доминирует (73 %) энергия в неструктурированном состоянии.
Формально-математически может проанализировать разные сценарии эволюции Вселенной в будущем, исследуя зависимость плотности темной энергии от времени (или от масштабного фактора). Современное значение плотности темной энергии в энергетических единицах, принятых в физике элементарных частиц, задается экспериментально измеренным параметром Л :
г г ехр
Л = (3,03 ± 0,5) х 10-47 ГэВ4.
ехр 4 ' ' '
Самый простой и бескомпромиссный сценарий будущего Вселенной соответствует предположению, что плотность энергии вакуума будет оставаться постоянной и положительной в будущем. В этом случае в будущем должно иметь место неограниченное расширение Вселенной, практически без разрушения микроструктуры пространства-времени и элементарных частиц. Постепенно, очень медленно, в течение примерно 20 млрд. лет будет разрушаться макроструктура.
Если плотность энергии вакуума постоянна, то проблема состоит в объяснении значения экспериментально измеренного параметра. В этой связи большой интерес представляет гипотеза Н.С. Кардашова о том, что данный параметр выражается через массу пиона (энергетический масштаб структуры адрона) и массы Планка (энергетический масштаб квантовой гравитации) [7]. Формула Кардашова имеет очень простой вид:
Л =
ш„
(2 r)4 Mp,l
= 2,98• 10
-47
mr
138 МэВ, Mpi =1,2 • 1025 МэВ.
Столь точное соответствие модели Кардашова и экспериментально измеренной плотности темной энергии может означать, что в современную эпоху эволюции Вселенной, в эпоху существования человечества, космологическая постоянная выражается через минимальные и максимальные вакуумные масштабы:
Л =
Л 6
Л QCD
Л 2
Л QG
где Л,
МэВ, « ГэВ.
QCD
Существующие экспериментальные данные в принципе допускают и другую трактовку темной энергии. Не исключено, что энергия вакуума изменялась в ходе эволюции Вселенной. Если наблюдаемая сегодня положительная плотность энергии - явление временное и преходящее, если в дальнейшем космологическая постоянная будет уменьшаться и станет отрицательной, то в этом случае расширение вселенной сменится сжатием вне зависимости от топологических особенностей пространства-времени и достигнет сингулярности.
И, наконец, третий вариант, который также допустим и не противоречит существующим на настоящий момент данным, связан со сменой убывания плотности вакуума на ее рост. Он описывается теорией Big Rip (Большой разрыв). В сценарии Big Rip разрушаются все структуры. По мере роста плотности энергии растет кривизна пространства-времени. Это будет проявляться в том, что на все тела, помещенные в данное пространство-время, будут действовать "силы", разрывающие все структуры, а физические взаимодействия не будут поспевать отреагировать на это расширение. Вначале разрушатся структуры макротел - галактик и скоплений галактик, потом - звезды, планеты. При дальнейшем расширении Вселенной электромагнитные взаимодействия, связывающие электроны и ядра в атомы, не смогут противостоять "силам", разрушающим эти связи. И так до разрыва адронов на кварки - деконфайнментизация кварков. На следующем этапе возможен разрыв самой ткани пространства - ситуация, когда пространство перестанет быть связным. Вселенная, как мы привыкли ее видеть, прекратит свое существование. столь трагичные
перспективы, конечно, никого не устраивают. Но, справедливости ради, надо отметить, что такой вариант развития вселенских событий имеет такое же право на существование в рамках имеющихся на сегодняшний день концепций, как и другие сценарии. совершенно понятно, что знание поведения космологической постоянной в прошлом позволит установить характер физических законов, приведших к нынешнему состоянию Вселенной.
Здесь мы позволим себе некоторое отступление, делая акцент на том, что физики шаг за шагом пришли к идее о существовании множественности вселенных на теоретическом уровне. Все существующие сегодня космологические модели строятся на фундаменте этой идеи: один из вариантов - дочерние Вселенные являются результатом коллапса и испарения черных дыр; другие варианты - это концепция многолистной Вселенной Уиллера; инфляционные модели; модели Big Rip и т.д. Все предлагаемые модели сохраняют свой научный статус в связи с новейшими открытиями. следовательно, вопрос о том, какая из них наиболее полно отражает действительные свойства мира, остается открытым.
отметим также, что переобработка в 2005 г. данных, полученных в результате эксперимента WMAP, дала сенсационные результаты, ибо показала существование регулярной структуры начальных флуктуаций. Результат этот получен на основе изучения реликтового излучения. сенсационным является тот факт, что структуры начальных флуктуаций не имеют ничего общего с крупномасштабной структурой Вселенной: у галактик - сотовая структура. сейчас во всей Вселенной регулярных макроскопических структур, аналогичных обнаруженным в реликтовом излучении, нет. следовательно, резонно предположить, что они существовали в прошлом, оставили свой след в структуре реликта и привели в процессе эволюции Вселенной к перерождению регулярной структуры в сотовую. Возникает вопрос, как и вследствие чего?
совершенно ясно, что в теории накопилось достаточно много проблем. Разрешение, по крайней мере, некоторых из них связывается с запуском в конце этого десятилетия зонда Supermova/Acceleration Probe (SNAP). Эксперимент SNAP, как предполагается, прольет свет на характер эволюции космологического вакуума в ходе развития Вселенной,
установит ее ускорение на основании данных, полученных при детальных замерах тысяч сверхновых с целью установления скоростей их разлетания. таким образом мы сможем приблизиться к пониманию того, какой из вышерассмотренных вариантов соответствует реальному положению дел.
Благодаря эксперименту SNAP мы получим информацию от 6 000 сверхновых, что, безусловно, максимально минимизирует ошибки эксперимента. Получая сигнал от сверхновой, мы получаем информацию о том, какой была скорость расширения раньше. Понятно, что эта скорость зависит от соответствующей тому периоду плотности вакуума. в результате полученных данных при проведении эксперимента SNAP предполагается получение зависимости плотности вакуума от времени и зависимости давления (характеризующего гравитационное отталкивание) от времени.
Извлечение нужной информации из экспериментальных данных - задача сложная. во-первых, необходимо отделить интересующую нас информацию от информации о множестве других физических явлений, формирующих регистрируемый сигнал. Это так называемая проблема "стандартной свечи", в связи с чем точное измерение современных темпов расширения затруднительно. во-вторых, существуют аппаратные проблемы, связанные со стабильной работой детекторов в течение двух месяцев после взрыва сверхновых. в-третьих, необходимо решение обратной, и по существу, некорректной задачи. Тем не менее, следует признать, что эксперимент SNAP по значимости решения проблем в рейтинге планируемых в ближайшее время экспериментальных программ занимает ведущее место, ибо его результаты должны очертить контуры и прошлого, и будущего, а также вырисовать глобальные свойства вселенной. в случае согласованности результатов всех отмеченных выше экспериментальных программ современная наука получит мощный плацдарм для интенсивного прорыва вперед. Очень хочется надеяться на успех.
Можно только удивляться дерзновенности претензий современной физики элемен-
тарных частиц, перешагивающей сколь угодно высокие барьеры и увлекающей нас далеко за горизонт наших обыденных представлений. Это не может не вселять веру в величие человеческого разума, веру в то, что мы, как мыслящие существа, наделены способностью сознания не случайно, что само устройство Вселенной несет в сердцевине присущих ей самоорганизующихся процессов эту трансцендентную способность мышления как атрибута своего существования. И потому все попытки, лучше сказать потуги, современных постмодернистов, направо и налево рассуждающих о кризисе современной науки, представляются на пороге ожидаемых открытий плохо прикрываемым невежеством и пустозвонством. И одновременно служат сигналом: общественность должна больше знать о том, каковы темпы современной науки и в какие глубинные дали она заглядывает.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М., 2004.
2. Грин Б. Элегантная Вселенная. М., 2004.
3. Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М., 2001.
4. Верешков Г.М., Минасян Л.А. Эпоха критических экспериментов в фундаментальной физике и космологии // Научная мысль Кавказа. 2004. № 3. С. 48-57.
5. Гальпер А.М. Внеатмосферная астрофизика частиц и реликтовая темная материя // Cosmic Ray Division [Электронный ресурс] /Alikhanyan Physic Institute. [Ереван?], 1996-2005. Режим доступа: http://crdlx5.yerphi.am/CONFERENCES/ CONFERENCEPAPERS/documents/28/HTML/papers/ DKL1101, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
6. Он же. Элементарные частицы и скрытая масса во Вселенной - одна из главных научных задач эксперимента "ПАМЕЛА" // Федеральное космическое агентство. М.: Изд-во "Рестарт". Режим доступа: http://www.roscosmos.ru/ DocDoSele.asp?DoclID=6&ShowAdm=, свободный.
7. Кардашов Н.С. // Астрономический журнал. 1997. Т. 74. № 6. С. 803.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 06-06-80-176а.
3 мая 2006 г.
