Единая теория поля: Философский анализ современных проблем физики элементарных частиц и космологии. Опыт синергетнческого осмысления - Минасян Л.А.
ISBN 5-4S4-G0179-X
Скачать (прямая ссылка):
60
Глава 2
нечность числа степеней свободы, в то время как поле характеризуется непрерывностью распространения в пространстве, бесконечным числом степеней свободы. Структура электромагнитного поля резюмируется в семи уравнениях Максвелла. Эти уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего пространства независимо от того присутствует там вещество (в том числе, заряженные тела). Иными словами, появляется возможность проследить изменения поля во времени в любой точке пространства, т. е. получить уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные электрические и магнитные явления. Тот факт, что семь уравнений Максвелла увязывают воедино большое число физических законов, да к тому же имеют простую изящную симметричную форму, по сей день вызывает истинное эстетическое восхищение физиков. Следует отметить, что в теории Фарадея—Максвелла поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близко действ ля, отвергая представления о пустсґге, о вакууме. Однако специальная теория относительности лишит эфир его основного механического свойства — абсолютного покоя. Ибо, по словам Эйнштейна, «...введение „светоносного" эфира окажется измышлением, поскольку в специальной теории относительности не вводится „абсолютно покоящееся пространство", наделенное особыми свойствами». Отметим, что элиминация эфира из физической теории представляет собой отказ от концепции даль недействия и концепций абсолютного пространства и абсолютного времени. При этом в науке утверждается представление о поле как пустой континунлистской среде.
Важный вклад П.Дирака в развитие квантовой теории состоит в том, что он применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Эти привело к рождению представлений о виртуальных частицах, о представлениях о сложности вакуума квантовой теории поля. К слову сказать, что еще один важный вклад Дирака в развитие науки состоит в том, что он составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштейна, бла^ годаря чему был открыт мир античастиц. Таким образом, с тридцатых годов двадцатого века на место континуалистского поля приходит представление о поле квантованном. Кванты различных полей участвуют в передаче взаимодействий.
Важно, что частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, частицы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми—Дирака. Все фер-мноны имеют полуцелое значение спина. А для частиц с полуцелым зна-
На пути построения единой теории попя
61
чением спина справедлив гфинтшп запрета Паули, согласно которому две тождествеїгньїе частицы с полуд era м спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном о том же состоянии могут находится только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же состоянии может находится любое число частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу. В калибровочных теориях до недавнего времени это различие снять не удавалось, и физики констатировали факт разделения материи на два вида — вещество и поле.
В свою очередь частицы вещества 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». Как уже отмечалось, кварки — это частицы, которые кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Лептоны — бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях. Предполагается существование шести кварков и шести лептонов. При этом производится деление их на семейства трех поколений.
Таблица 1
Семейство — поколение Kb арки Лептоны
Семейство — поколение 1 «а Uy1 ис (и-кварк) ve— электронное нейтрино
d& dj, ^с(^-кварк) е — электрон
Семейство — поколение П с& cy. Cg (с-кварк) 1^— мюонное нейтрино
5*. sy, Sc Сг-кварк) —- мюон
Семейство — поколение ГП fa. 'г- /с;<'-кварк) V1^ г-кейтрино
Ья- Ьу, Ьс (6-нварк) г — г-частица
В столбце «Кварки» латинскими буквами обозначены различные ароматы кварков, индексами — цвета кварков. Название ароматов кварков: и — от английского слова up — вверх: d— от английского слова down — вниз; с — от английского слова charm — очарование; 5 — от английского слова strange — странный; / — от английского слова top — верхний; Ь — от английского слова Ьопот — нижний.
62
Глава 2
Вес вещество во Вселенной составлено из четырех частиц I поколения. Частицы второго и третьего поколения рассматриваются как возбужденные состояния частиц первого поколения в соответствии с их расположением н таблице. Все различия э теории для второго и третьего семейства связаны с учетом изменения масс частиц: частицы второго и третьего поколения более массивные. Рождаясь в ускорителях или космических лучах, они являются короткожнвущнми и сразу же распадаются на частицы, принадлежащие первому семейству В настоящее время пока неизвестно, почему существует именно такое количество поколений частиц и не существуют ли и другие пока еще неоткрытые семейства частиц? Одной из важных проблем стан-даргной модели квантовой теории поля является вопрос о смещении кварков различных поколений. Дело в том, что поколения совершенно идентично участвуют в фундаментальных взаимодействиях, однако природа расщепления спектра масс до сих пор не выяснена. Ясно, что природа этого расщепления представляет собой нелинейный процесс, обусловленный смешиванием кварковых поколений. Здесь как бы возрождается широко обсуждаемая в 60-х годах прошлого века идея бутстрапа. Эффект смешивания кварковых поколений, кстати хорошо изученный экспериментально, свидетельствует о взаимообусловленности свойств отдельного кварка свойствами кварков дру-ізіх поколений. Если бы каждое поколение кварков обладало только своими собственными свойствами, то только один кварк этого поколения, причем кварк с меньшей массой, был бы стабильной частицей. Однако стало понятно, что партнерами для распадов кварков являются кварки не только того же самого, но и соседних поколений: каждый из приведешіьіх в таблице кварков есть суперпозиция всех кварков верхнего или нижнего типа. Как отмечаю і авторы: «В этой суперпозиции, конечно, доминирующее место занимает тот кварк, который и фиксирует номер поколения. Два друїтгх кварка являются, образно говоря, некоторыми малыми примесями, роль которых, однако, чрезвычайно велика в формировании свойств вещества... Если бы смешивания не было, то тяжелые частицы (гипероны) входили бы вместо протонов и нейтронов в состав стабильных атомных ядер, образуя так называемые гиперядра. Отличительное свойство таких ядер — они существенно тяжелее обычных ядер при одном и том же числе внутриядерных частиц. В макромире существование стабильных гиперядер привело бы к появлению материальных объектов с почти идентичными химическими свойствами, ho сильно различающихся по массе. Такие объекты могли бы сформировать совершенно новые химические и биохимические структуры. Мир, в котором гиперядра стабильны, сильно отличался бы от наблюдаемого мира. Уже одно это обстоятельство заставляет нас самым серьезным образом отнестись к проблеме смешивания, которая, конечно, является частью общей проблемы происхождения кварк-лептонных поколении» [82. С. 29]. В стандартной модели расщепление спектра масс и смешивание поколений вводится на основании
