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):
На пути построения единой теории поля
65
ми калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением ірави-тона, спин которого предполагается равным 2. Физический вакуум пашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен 0. Именно физический вакуум !является прародителем всех частиц вешества и квантов полей, резервуа-j)om, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и функционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изме-ь свое состояние и привела к многообразию «форм физического мира. Сопоставление представлений о структуре материн на разных этапах эволюции науки представлено ниже:
Классическая физика Неклассическая физика
Частицы Поле Ферми-частицы Бозе-частицы
вещества (Частицы-вещества) (Кванты полей)
Постиеклассическая физика
скалярные хиггеовые бозе-частицы (спин = 0)
1
физический вакуум
§ 2.3. Современные представления о физическом вакууме. Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума
Новый и важный этап теоретическою исследования физическою вакуума связан с развитием физики кварков, где возникают новые представления о структуре физического вакуума. Это обстоятельство требует специального рассмотрения.
Как отмечалось, в теории калибровочных полей старому понятию поля придается геометрический смысл. Поле рассматривается как расслоенное пространство, а калибровочные потенциалы как координаты форм зности на расслоениях. Роль топологии в современной теоретической ике была оценена именно в связи с обнаружением нетривиальной то-
Фермичастицы Калибровочные
векторные бозе-частицы (спин = 1;2)
кварки лептоны
66
Глава 2
пологий глюонных полей [191; 192]. Уже на классическом уровне вакуумное состояние неабелевых калибровочных полей оказывается бесконечно вырожденным. Расслоение пространства идентично рассмотрению вакуума с вырождением. На калибровочные потенциалы необходимо накладывать определенные граничные условия — требование конечности действия. Конечному действию в пространстве Евклида (здесь время заменяется четвертой координатой) отвечают решения, характеризующиеся топологической величиной, — числом инстантонов. Включение квантовых эффектов приводит к эффекту туннелирования, и инстантоны рассматриваются как туннельные переходы между различными вырожденными вакуумами. Ряд физиков считает, что именно сложные вакуумные флуктуации типа «расплавленных инстантонов» приводят к эффекту конфайнмента. Главное же здесь то, что происходит перестройка глюон-ного вакуума таким образом, что его энергия становится конечной и в эксперименте выступает как часть энергии адрона. Область перестроенного вакуума с ненулевой энергией получила название вакуумного конденсата. Важность открытия инстантонов как раз и состоит в том, что они являются первым примером флуктуации глюонного поля, не ухватываемого теорией возмущения [24. С. 554]. Как стало понятно, в вакууме квантовой хромодинамики нарушаются симметрии исходного лагранжиана, что и означает возникновение вакуумных конденсатов с ненулевой плотностью энергии. Так нарушение масштабной инвариантности приводит к ненулевой энергии глюонного конденсата; нарушение ки~ ральной симметрии (а киральная симметрия как раз и нарушается на больших инфракрасных масштабах) приводит к заселению вакуума кварк-антикварковымн парами, также дающими отрицательный вклад в плотность энергии. Вакуумные средние значения кварковых и глюонных полей оказываются нелинейными по этим полям, иными словами, хвар-ковые и глюонные конденсаты имеют непертурбативную структуру, т е. не описываются теорией возмущения. С математической точки зрения это представляет большие трудности и требует для построения «истинно непертурбативного вакуума» новых подходов. И здесь синергетические методы были бы весьма кстати.
Таким образом, в кварковой физике объектом исследований становятся вакуумные конденсаты, имеющие непертурбативную структуру. В теории рассматриваются процессы взаимопревращения вакуумных конденсатов в кванты полей, т. е. речь идет о перекачке энергии из вакуумного конденсата в вещество. Непертурбативность вакуума и геометрическое происхождение его дают необходимый штрих для постановки вопроса о рассмотрении вакуума в качестве исходной абстракции в физике.
Следует отметить, что стандартная модель квантовой теории, примененная в теории электрослабого взаимодействия и в квантовой хромоди-
па пути построения единой теории поля
67
намике, утвердившая тем самым новые идеи в физике, а именно: идею о спонтанном нарушении симметрии и идею о кварково-глюонном структурном уровне строения материи, тем не менее, оставила ряд открытых вопросов, требующих своего разрешения. Это, прежде всего, проблема хиггсова механизма и хиггсовых вакуумных конденсатов.
В квантовой теории поля под вакуумом, как уже отмечалось, понимается наинизшее энергетическое состояние квантованного поля — основное состояние поля, а возбуждения этого поля интерпретируются как частицы поля. При этом подразумевалось, что наинизшему энергетическому состоянию соответствует состояние, в котором среднее значение всех физических полей равно нулю. Так что вакуум в общепринятом смысле понимвится хотя и как «нечто», но в среднем все-таки как «ничто». Новый этап развития физической теории ознаменовывается существенно иным подходом, а именно 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 среднем. В теории предположили существование двух различных типов вакуумных конденсатов: векторного вакуумного конденсата калибровочных нолей и скалярного конденсата хютсовых полей, т. е. предполагается существование некоторого, называемою хяггсовым, поля с квантами, имеющими спины, равными O1 заполняющим всю Вселенную. Калибровочные фермионы и бозоны могут взаимодействовать с хиггсовым полем, благодаря чему они и приобретают массу. Состояние Вселенной с наличием в ней хштсовых полей приводит к появлению в SU(2) X ГД1)-теории квантовых чисел вакуума, не равных нулю, т е. к представлению о спонтанном нарушении симметрии SU(2) х U(I).
