Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
283
История на нашей стороне. Каждые несколько лет в физике или в космологии происходило грандиозное открытие; со времен Ньютона их было более сотни. Может ли кто-то действительно поверить, что природа истощила запас своих хитростей? Конечно же нет. Великое объединение и будущее физики
Теорию великого объединения придумали в 1974 году. В ней все силы микромира описываются одной объединенной системой уравнений. В этой схеме всего кварки и лептоны представляются равными партнерами. Объясняется даже рождение и смерть материи.
Сначала никто не поверил в эту теорию просто потому, что ее предсказание расходилось с экспериментальными данными. Наблюдаемый параметр (слабый угол смешивания), согласно теории, должен был быть равен 27 градусов, а его практическое значение равнялось 38. Однако более тщательные эксперименты показали ошибочность предшествующих. Сегодня экспериментальный результат практически точно согласуется с предсказанием теории великого объединения. Мораль ясна: когда теория настолько изящна и настолько красива, что должна быть истинной, она непременно таковой и будет.
Силовые частицы, связанные с электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиями, весьма различны, как показано в таблице 1.
Таблица 1. Силовые частицы
Тип взаимо- Количество пе- Масса силовой Можно ли их
действия реносчиков частицы отделить?
Электромаг- 1 Безмассовая Да
нитное
Слабое 3 Тяжелая Да
Сильное 8 Безмассовая Нет
Каким образом столь разные понятия можно совместить в единой объединенной теории? К этому сложному вопросу можно подойти с помощью аналогий.
Рассмотрим парадокс, создаваемый магнитом, имеющим оба полюса: северный и южный. Два конца магнита очень отличаются друг от друга, и все же законы физики совершенно симметричны и не отличают Великое объединение и будущее физики
285
одной стороны магнита от другой. Однако если магнит нагреть в печи, он утратит свои магнитные свойства. Таким образом восстанавливается основная симметрия природы и два конца магнита становятся идентичны. В качестве другого примера рассмотрим водяной пар. Он изотропен, однороден, невидим и, в принципе, лишен красоты. В нем невозможно выделить направления: он проявляет симметрию наших законов физики. Остудите его, и симметрия разрушится. Возникнет симметрия меньшего порядка, но более сложной структуры: появится снежинка. Магниты и снежинки — это проявления распространенного физического явления: нарушения симметрии.
Итак, оказывается, что симметрия нашей теории великого объединения проявляется только при очень высоких температурах — температурах настолько высоких, что их невозможно достигнуть ни в лаборатории, ни даже во взрывающейся звезде. Всего лишь однажды в истории нашей Вселенной симметрии теории великого объединения реализовались в явном виде: в момент ее рождения, в первичном Большом взрыве. Поразительное разнообразие явлений природы — сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, кварки и лептоны появляются подобно снежинкам в холодной и кристаллической Вселенной, которую мы населяем сейчас.
Наша теория, объединяющая сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, основана на малопонятном разделе абстрактной математики — теории групп Ли. Классификацию этих структур разработали в девятнадцатом веке норвежский математик Софус Ли и французский математик Эли Картан. Они показали, что обширный класс групп Ли можно выразить с помощью более фундаментальных структур, называемых простыми группами Ли. Поиск теории великого объединения — это поиск простой группы Ли, содержащей описание известных силовых частиц (фотонов, И7±-частиц, ^°-частицы и глюонов) и известных материальных частиц (кварков и лептонов). Если наша периодическая таблица материальных частиц правильна, в том смысле, что в ней нет пропущенных колонок, тогда выбор простой группы Ли однозначен. Наша теория великого объединения должна быть основана на группе, известной как A4 или SU(5).
Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие переносят 12 силовых частиц. Однако группа SU(5) содержит 24 такие частицы. Теории великого объединения предполагают обязательное существование новой разновидности взаимодействия, переносимого двенадцатью дополнительными силовыми частицами. Реакции, переносимые этой новой силой, еще не были обнаружены. Они отвечают за конечный распад всей материи. Новые взаимодействия очень слабы, поэтому материя живет долго. Бриллианты могут оказаться не вечными, но они близки к вечно- 286
Великое объединение и будущее физики 286
сти. В тонне материи каждые десять лет должна распадаться всего одна ядерная частица. Тем не менее, искать этот процесс можно. В глубокой шахте, защищенной от проникновения космических лучей, можно искать случайный распад протона или нейтрона. Такие эксперименты проводятся в горных пещерах между Францией и Италией, в итальянских золотоносных шахтах и в американских шахтах. Центральное предсказание теории великого объединения — радиоактивность всей материи — очень скоро будет подвергнуто решающей проверке. Совсем скоро мы узнаем, «вечны ли бриллианты».
