Єдині теорії взаємодій

По-перше, в усіх гіпотезах кварки і лептони та носії сильної та електрослабкої взаємодій входять до єдиної теоретичної схеми, тоді як дотепер вони розглядаються як абсолютно різні об'єкти.

По-друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій приводить до введення нових типів полів, що характеризуються новими властивостями, наприклад здатність перетворювати кварки на лептони.

Навіть в найпростіших схемах Великого об'єднання, крім чотирьох частинок, що переносять електрослабку взаємодію, і восьми глюонів, що переносять сильну, повинні існувати 12 надважких Х- і Y- бозонів з масою ГеВ і спіном, що дорівнює 0, які переносять одночасно слабку, електромагнітну і сильну взаємодії. Кожне з Х- і Y- полів набуває трьох значень кольорового заряду і має електричні заряди, що дорівнюють е і е відповідно. Надважкі векторні бозони Х і Y спричиняють перехід кварків і лептонів один в інший, тому їх ще називають лептокварками.

Енергія, необхідна для прямої перевірки теорії Великого об'єднання шляхом реакцій між частинками, така велика ( ГеВ), що навряд чи буде досягнута на прискорювачах в осяжний час.

Одним з найбільших електрон-позитронних колайдерів у наш час є LEPC лабораторії ЦЕРН. Його довжина складає 27 км, він працює на енергії центру мас частинок, що стикаються.

У Всесвіті існують дві стабільні частинки відмінні від нуля: електрон і протон. Електрон - найлегша заряджена частинка у природі. Всі більш легкі частинки (фотон, нейтрино) електонейтральні. Таким чином, розпаду електрона перешкоджає закон збереження електричного заряду. Існує багато потенціальних каналів розпаду протона (на піон і нейтрино), але експериментально вони не спостерігаються. Щоб сумістити цей факт з правилом “все, що може відбуватися у світі елементарних частинок, відбувається”, фізики ввели закон збереження баріонного заряду. Заборона порушення закону збереження цього заряду і забезпечує стабільність протона.

Закон збереження баріонного заряду був введений за аналогією до закону збереження електричного заряду. Але електричний заряд, крім того, що він є величиною, яка зберігається, несе і іншу важливу функцію. Електричний заряд - кількісна міра електромагнітної взаємодії. Баріонний заряд цю функцію не виконує. З великим ступенем точності на досліді вдалося показати непричетність баріонного заряду до далекодійних взаємодій, тому виникли сумніви відносно аналогії між електричним і баріонним зарядами. Це й обумовило сумніви вчених відносно стабільності протона.

Нестабільність протона вкрай мала. Теоретичні оцінки часу життя протона у різних моделях дають значення років. Однак такий великий час життя не виключає можливості експериментальної перевірки прогнозу теорії. Якщо час життя складає років, то в одному кубічному метрі води повинен протягом одного року розпадатися один протон. Сучасна експериментальна техніка дозволяє зареєструвати такі події, але поки знайти розпад протона не вдалося. З останніх експериментальних даних випливає, що час життя протона перевищує 1,6 років.

Деякі варіанти теорії Великого об'єднання передбачають існування дуже екзотичних частинок, наприклад монополя Дірака-носія магнітного заряду. Не беручи участь у взаємодіях, монополь може індукувати процеси, які проходять з порушенням баріонного заряду, тобто є своєрідним каталізатором розпаду баріонів. Інтенсивні пошуки монополя Дірака протягом багатьох років, позитивного результату поки що не принесли.

Ще однією областю перевірки теорії Великого об'єднання є космологія, оскільки без неї неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту, коли температура первинної плазми досягала К. Саме в таких умовах могли народжуватися і анігілювати надважкі Х- і Y-бозони. Тому ведеться інтенсивний пошук цих частинок у космічному випромінюванні.

5.5 Супероб'єднання

Теоретичні схеми,в рамках яких об'єднуються всі типи взаємодій, називаються моделями Супероб'єднання або Надвеликого об'єднання. На шляху побудови такої теорії існує принципова складність. Річ у тім, що теорії перших трьох взаємодій є квантовими, тоді як загальноприйнята теорія гравітації сьогодні - ЗТВ - має геометричний характер. Відповідно у цій теорії гравітаційна взаємодія виникає внаслідок викривлення простору-часу.

Окрім цього, бозони і ферміони тривалий час розглядалися як частинки, що мають принципово різну природу. Бозони вважалися носіями взаємодії, тобто поля (безперервний об'єкт), а ферміони - носіями матерії (дискретний об'єкт). Разом з тим, у квантовій теорії поля давно була помічена аналогія між бозонними і ферміонними операторами. Бозонні оператори відповідають неперервним перетворенням, в той час як ферміонні - дискретними. Формальна аналогія полягає в тому,що для бозонних полів мають місце комутаційні співвідношення, а для ферміонних - антикоиутацій. З урахуванням цієї різниці багато формул бозонних і ферміонних теорій поля виявляють дивну подібність. Цей факт змогла врахувати теорія суперсиметрії.

Під суперсиметрією мають на увазі дві властивості:

1. Наявність перетворень, які переводять бозони у ферміони і навпаки;

2. Алгебра цієї симетрії включає не лише звичайні комутаційні сппіввідношення для операторів,але і антикомутаційні.

Головна мета суперсиметрії полягає в тому, що вона об'єднує безперервні перетворення з дискретними перетвореннями особливого типу. При цьому зберігається формальна аналогія між двома типами перетворень, що мають суттєво різну природу. В результаті вдалося об'єднати “матерію” і “взаємодію”, точніше усунути відмінність між ними. В теорії суперсиметрії бозони і ферміони об'єднуються у єдиний супермультиплет.

Об'єднуючи бозони і ферміони,суперсиметрія зводить в єдину сім'ю частинки з різними спінами. Суб'ядерні частинки, одні з яких мають спін 0, інші -1/2, 1 і, що особливо важливо, 3/2, можна об'єднати так, що сім'я в цілому буде суперсиметричною. Елементарні частинки зі спіном 3/2 поки що невідома, тому передбачення існування такої частинки - одна з найважливіших особливостей теорії суперсиметрії, яка дозволяє її перевірити. Обидві взаємодії при цьому описуються однією константою.

Суперсиметрія, як і інші види симетрії, може бути спонтанно порушена і при зменшенні температури (енергії). В результаті виникають: електромагнітна взаємодія, що переноситься фотонами, сильна взаємодія, що переноситься глюонами, і т.ін.

Важливою особливістю суперсиметричних теорій є відсутність розбіжностей, які до цього часу були непереборною проблемою у квантовій теорії поля. Основний стан коливань у цій теорії має енергію, що дорівнює нулю. Це обумовлено тим, що позитивна енергія бозонних нульових коливань у точності компенсується негативною енергією ферміонних “нульових коливань”. До розробки суперсиметричних теорій енергію вакууму робили такою,що дорівнює нулю, за допомогою штучних прийомів.

Скорочення розбіжностей у суперсиметричних теоріях привело до можливості побудови квантової теорії гравітації. До цього усі спроби побудови такої теорії зіштовхувалися з непереборною перепоною: неможливістю переформовувати гравітаційну взаємодію, якщо вважати, що носіями цієї взаємодії є тільки бозони.

Опис гравітації на мові суперсиметрії отримав назву супергравітації. Від звичайної гравітації супергравітація відрізняється тим, що гравітон тут вже не є єдиним переносником гравітаційної взаємодії. Таким чином переносниками стає ціла сім'я частинок зі спіном 2, 3/2, 1/2 та 0, у тому числі загадкова частинка зі спіном 3/2, яку фізики назвали гравітіно. Подібні суперсиметричні партнери мають бути у всіх ферміонів. Отже, можна зробити висновок, що у кожної матеріальної частинки є свій суперсиметричний двійник - якась силова частинка, і відповідно у кожної силової частинки є матеріальний двійник суперсиметрії. Це означає, що у Всесвіті повинно бути принаймні удвічі більше різновидів частинок, ніж відомо поки що дослідниками. Ці частинки суперсиметрії ще потрібно відкрити,оскільки їх маса, як свідчить теорія, є більшою ніж 100-1000 ГеВ. Проте вчені вже давно дають їм імена. Так, до пари електрону підібрали електрон, до пари мюону - смюон, кварки доповнили скварками, а фотон суперсиметрії назвали фотіно.

Теорію супероб'єднання можна також побудувати на основі моделі суперструн. Ця нова теорія ґрунтується на введенні у фізику високих енергій протяжних мікрооб'єктів, які назвали струнами. Вони є одновимірними відрізками з розміром, що відповідає планківській довжині - см. Кінці струн можуть бути як розімкнені (відкриті струни) так і з'єднані між собою (замкнуті струни). Оскільки розміри струн набагато менші ніж ті, що можуть спостерігатися експериментально, ми сприймаємо їх як точковий об'єкт. Модифікація теорії, що тепер є загальновизнаною, запропонована А.М. Поляковим у1981 р. і є 10 вимірною.

Теорія суперструн виникла в результаті об'єднання квантової теорії із ЗТВ. Ця теорія спирається на три класи ідей:

1) на ідею про не локальність фізичних об'єктів;

2) міркування про суперсиметрію між бозонами і ферміонами;

3) на ідеї Калуци про багатовимірність фізичного простору.

В 1921 році німецький вчений Теодор Калуца запропонував п'ятивимірний простір, в якому змінні поля не залежать від п'ятої координати, що еквівалентно чотиривимірному континууму.

Калуца припустив, що фізична реальність в п'ятивимірному просторі, за аналогією з ЗТВ, характеризується квадратом лінійного елемента

ds=

(де - метричні коефіцієнти m, n=1, 2, 3, 4, 5).

Тоді згідно з цією теорією коефіцієнти описують гравітаційне поле, а - електромагнітні потенціали.

Проте в ЗТВ інтервал ds означає величину, яка вимірюється за допомогою лінійки і годинника в локальній інерціальній системі відліку, тоді як в п'ятивимірному просторі Кацули квадрат ds - чисто абстрактна величина.

В 1926 році цю теорію розвинув шведський фізик Оскар Клейн. Він припустив, що п'ятий вимір фізично у макросвіті не виявляється, оскільки має вигляд петлі, розміри якої дуже малі. Проте інтерес до теорії п'ятивимірного простору поступово загаснув і лише в останній час ця теорія знов привернула увагу.

В теорії суперструн протяжна струна замінює частинку або, в загальному випадку, будь-який локалізований в просторі мікрооб'єкт. В цій теорії вважається, що всі елементарні частинки, які відомі сьогодні або будуть відкриті в майбутньому, є певними збудженими станами деякої струни, що коливається у багатовимірному просторі. Тільки три з цих вимірів виявляються в нашому світі, а інші скомпактувалися до планківського масштабу (r= см) і тому на макрорівні не проявляється. Оскільки релятивіська струна суттєво відрізняється від пружної,параметром аналогічним частоті для такої струни виявляється квадрат маси. Крім того, всі ці частинки мають цілі значення спіну, тобто є бозонами. З цієї причини релятивіську струну називають ще бозонною струною.

Випромінювання та поглинання однієї частинки іншою у цій теорії відповідає об'єднанню та поділу струни. Поняття струни виключає точкові уявлення про мікрооб'єкти із структури мікросвіту і зводить фізику до геометрії. Тим самим простір-час стає найфундаментальнішим поняттям фізики.

У 1995 році Едвард Уїттен запропонував узагальнення теорії суперструн, або так звану М-теорію(магічна або містична теорія). У цій теорії коливання струн замінено коливаннями багатовимірних мембран, або р-бран у просторі з десятьма-одинадцятьма вимірами. У випадку, коли р = 1, така мембрана перетворюється у одновимірну струну, тобто звичайна теорія суперструн є частковим випадком М-теорії.

Теорія суперструн приводить до цілого ряду дуже нетривіальних наслідків. Наприклад, передбачає існування частинок, що рухаються з надсвітловими швидкостями, які називаються тахінами. Проте все це - тільки попередні теоретичні побудови. На шляху об'єднання гравітації з рештою фундаментальних взаємодій поки існує дуже багато невирішених проблем.

6. Зв'язок фізики частинок і космології

Поступово сформувалась така галузь науки як космологія. Космологія має завдання з'ясувати геометричну структуру простору-часу, сформувати закони розвитку Всесвіту як цілого, дати конкретні відповіді на питання, які процеси привели до формування галактик та їх скупчень. Спостережувальною основою космології є всі дані позагалактичної астрономії, а теоретичною основою - загальна теорія відносності.

Взаємозв'язок космологія - елементарні частинки надзвичайно плідний, оскільки сучасна теорія ФЕЧ дозволяє пояснити багато загадкових характеристик Всесвіту: чому число протонів значно переважає число нейронів в оточуючому світі, малу питому ентропію ( і середні густини баріонного заряду і реліктових фотонів у Всесвіті) формування галактик і великомасштабної структури Всесвіту і багато інших фундаментальних космологічних проблем.

Сучасні космологічні моделі базуються на останніх досягненнях фізики суб'ядерних частинок: теорії Великого, Надвеликого об'єднання та суперструн і є квантовими. В той же час космологія дозволяє отримати дані про частинки і процеси, енергія яких є доступною для сучасних прискорювачів. У космічному випромінюванні, наприклад, зареєстровані частинки з енергією, що сягає Е=3 еВ у лабораторній системі відліку. Протон з такою енергією при зіткненні з нуклоном, що перебуває у стані спокою, у системі центра мас має енергію Е800 ТеВ, що відповідає їх зближенню на відстані l = см.

Перехрещення об'єктів дослідження космології, яка вивчає явища космічних масштабів, з фізикою високих енергій, яка досліджує властивості речовини на гранично малих відстанях, вказує на наявність глибинних взаємозв'язків між нескінченною великим і нескінченно малим. Розвиток цього взаємозв'язку схематично проілюстровано на рис.

Рисунок 10. Зв'язок між мега- та мікросвітами у природі

Сучасні наукові теорії свідчать, що структура Всесвіту визначається значенням фундаментальних сталих взаємодій і параметрами стабільних елементарних частинок, а ті, в свою чергу, судячи з всього, - властивостями простору-часу Всесвіту. В той же час взаємодія частинок при надвеликих енергіях Е ГеВ може стати причиною народження нового Всесвіту.

Наука, що досліджує зв'язки між явищами природи на мікро- та мегарівнях, виникла досить недавно і одержала назву космомікрофізики.

Висновок

У курсовій роботі ми розглянули: фундаментальні взаємодії, закони збереження у фізиці високих енергій, основи класифікації частинок, кварковий рівень матерії, єдині теорії взаємодій та зв'язок фізики частинок і космології. І з'ясували, що сучасно фізична картина не завершена.

Отже, фізика знаходиться в пошуку єдності своїх фундаментальних теорій. Ідеї, які визначають кульмінаційні моменти у розвитку фізики, являють собою найважливіші віхи в історії людства. Кожна фізична теорія - ступінь пізнання - є відносною істиною. Зміна фізичних теорій - це процес наближення до абсолютної істини, процес, який не буде ніколи повністю завершений через нескінченної складності і різноманітності оточуючого нас світу.

Тому, здавалося б, що Супероб'єднання чотирьох фундаментальних взаємодій в Природі дозволить розрахувати і пояснити будь-які фізичні явища. Отримаємо декілька рівнянь, з яких можна розрахувати весь Всесвіт! І фізичні, і хімічні, і біологічні і навіть психологічні закони! Адже в кінцевому в їх основі лежать матеріальні процеси. Тим самим буде досягнута основна мета науки і вченим залишиться лише застосувати раз і назавжди установлені закони Природи для розв'язання конкретних практичних задач. Проте, це далеко не так. Природа невичерпна. А тому якою б завершеною не була б теорія, завжди знайдуться явища, які виходять за її межі. Побудувати остаточну всеохоплюючу єдину теорію процесів Природи неможливо, оскільки людський розум ніколи не зрівняється з розумом Бога - творцем Всесвіту.

Квантово-польова картина світу в даний час знаходиться в стані становлення. З кожним роком до неї додаються нові елементи, висуваються нові гіпотези, створюються і розвиваються нові теорії.

Сучасна картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Однак хоч ця картина світу і відзначається великою загальністю і успішно пояснює багато явищ, все ж у природі існує невичерпна кількість явищ, які сучасна фізична картина пояснити не може. З таких труднощів слід насамперед вказати ті, що пов'язані із створенням єдиної теорії елементарних частинок.

Тому не можна вважати сучасну фізичну картину світу завершеною. Розмаїття світу переважало і завжди переважатиме складність людських уявлень про нього. В цьому й полягає необмеженість пізнання природи.

Список використаної літератури

1. Наумов А.И. Физика атомного ядра и елементарных частиц / А.И. Наумов.-М.: Просвещение, 1984. - 384 с.

2. Кучерук І.М. Загальна фізика. Оптика. Квантова фізика / І.М. Кучерук, В.П. Дущенко.- К.: Вища шк., 1991.- 463 с.

3. Мосієвич О.С. Фізика атомного ядра та елементарних частинок / О.С. Мосієвич, Н.В. Поліщук, І.М. Панченко, М.С. Панченко, А.Л. Панасюк.-Рівне: РДГУ, 2011.- 575 с.

4. Опанасюк, А.С. Сучасна фізична картина світу / А.С. Опанасюк. - Суми: СумДУ, 2005. - 328 с.

5. Мякішев Г.Я. Елементарні частинки / Г.Я. Мякішев.-К.: Радянська шк., 1970.-128 с.

6. Фейнберг Дж. Из чего сделан мир?/Дж. Фейнберг.-М.: Мир,1981.-340 с.

7. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц / Л.Б. Окунь.- М.: Наука, 1988.

8. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Елементарные частицы / А.И. Ахиезер, М.П. Рекало.-М.:Наука,1986.-256 с.

9. Намбу Ё. Кварки / Ё. Намбу.-М.:,1984.-225с.

Размещено на allbest.ru