Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.12. Современные проблемы объединения различных видов взаимодействия

Несмотря на различие свойств четырех основных сил природы, целесообразно искать более глубокую теорию, в которой все они имели общее происхождение. А. Эйнштейн посвятил много лет своей жизни поискам единой полевой теории - теории гравитации и электромагнетизма.

В предыдущих подразделах рассмотрены основные принципы объединения слабого и электромагнитного, а также ядерной взаимодействий. Однако этот синтез не коснулся силы, которая была известна значительно раньше от других - силы притяжения.

Новый подход к единой теории вытекает из идеи супергравитации. Супер - гравитация является обобщением общей теории относительности и предусматривает те же классические явления, что и теория Эйнштейна: например, прецессию планетных орбит, отклонения луча света звезды во время прохождении его вблизи Солнца, красное смещение звездных спектральных линий и опоздание радиолокационных сигналов, проходящих в поле тяготения Солнца. Однако на квантовом микроскопическом уровне супергравітація отличается от общей теории относительности. При расчете вероятностей некоторых квантовых эффектов гравитации, общая теория относительности дает бессмысленный, бесконечно большой результат. В супергравитации же все выполненные до этого времени расчеты дали конечное значение.

При создании новой физической теории руководствуются принципами симметрии, которые дают возможность описывать одним законом объекты или понятия, которые кажутся несвязанными. Симметрия физической теории может существовать как в глобальной, так и в локальной форме. Оказалось, что теории с локальной симметрией, которые называют также калибровочными, являются более мощными. Общая теория относительности и теория электромагнетизма Максвелла основаны на локальных симетріях. Новейшая единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий также есть калібрувальною. Это наводит на мысль, что любая теория, которая бы объединяла все четыре силы, также должна иметь локальную симметрию.

Супергравітація основана на новой симметрии, справедливой даже на глобальном уровне, поэтому она получила название суперсимметрии. Суперсимметрия связала два больших класса, на которые делятся все элементарные частицы: фермионы (частицы с півцілими спинами) и бозоны (частицы с целыми спинами). Свойства фермион и бозонов существенно отличные, поэтому наличие фундаментального связи между ними была некоторой неожиданностью. В супергравитации суперсимметрия продолжается с глобального уровня на локальный. Важно, что это продолжение само по себе приводит к теориям, которые предусматривают гравитационное взаимодействие, поэтому указывают на возможность построения единой теории.

Супергравітацію не проверено опыта, но достигнутые в ней успехи вселяют надежду. Впитав в себя ряд важнейших принципов современной физики, супергравітація развязала много физических проблем. Современное понимание основных законов природы возникло из трех принципов специальной теории относительности, общей теории относительности и квантовой механики. Каждый из них обусловлено решением какой-нибудь противоречия в физике и каждый привел к предсказания новых явлений, проверенных потом на опыте.

Создавая современную теоретическую физику на основе специальной теории относительности и квантовой механики, нужно было объединить обе теории. Первое важное достижение принадлежит П. Діраку, который сформулировал (1928 г.) релятивистское волновое уравнение для электрона. Объединение специальной теории относительности и квантовой механики началось работами П. Дирака, В. Гейзенберга, В. Паули в конце 20-х годов XX ст. Квантовая теория поля - общий подход, который можно применить до четырех видов взаимодействия. Однако практически при расчетах некоторых квантовых эффектов в імовірностях возникают бесконечности, приводящие к трудностям. Впервые эти трудности было преодолено в квантовой электродинамике - квантовой теории поля, которая описывает взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Успех пришел в конце 40-х годов XX ст., когда Г. Фейнман, Дж. Швингер и С. Tomonaga отыскали строгие методы расчетов, согласовываются с внутренней симметрией теорий. Оказалось, что бесконечности можно последовательно устранить с помощью метода, который называют перенормуванням. Получены окончательные предсказания сравнивали с опытом.

Renormalisation успешно применяется в квантовой электродинамике и в принятых теперь полевых теориях сильного взаимодействия. В начале 70-х годов XX ст. Г. Хоофт, М. Вельтман, Т. Ли и Ж. Зинн-Жюстен показали, что единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия может быть перенормована. Квантовые теории гравитационного взаимодействия еще содержат бесконечности. Можно надеяться, что эти трудности в физике решит супергравітація.

Супергравітація - это значительное теоретическое достижение, которое будет способствовать решению важных физических проблем: объединению фундаментальным сил и устранению бесконечностей с квантовой гравитации. Относительно объединения фермион и бозонов, а также получение всех взаимодействий с единой требования локальной симметрии, теория дает удовлетворительные результаты. Схему объединения различных типов взаимодействий изображен на рис. 18.7.

Рис. 18.7

В истории физических теорий проявляется тенденция к унификации их. Первым это сделал И. Ньютон, открыв закон всемирного тяготения. Дж. Максвелл создал теорию, которая охватывает электрические и магнитные явления. В XX в. на смену теории Ньютона пришла общая теория относительности Эйнштейна, теории Максвелла - квантовая теория поля, названная квантовой электродинамикой. Теперь электромагнетизм объединили со слабой взаимодействием. Сильное взаимодействие также описывается квантовой теорией поля.