На пути к Теории Великого Объединения

По мнению Шелдона Глэшоу, построение Теории Великого Объединения в ближайшее время сомнительно, Стандартная Модель будет еще долго оставаться окончательной в практическим смысле, если физика не сможет прорваться «за нее» с помощью более мощных ускорителей. Однако, говоря о перспективе развития физики, мы не можем отрицать того, что такая теория может быть построена или, по крайней мере, предложена. Даже если мы не сможем доказать, что теория является окончательной (как, например, доказывают теоремы в математике), но при этом она даст удовлетворительное объяснение всем экспериментальным данным, на наш взгляд, она будет принята.

Один из наиболее ярких примеров такого объединения представлений (унификации) имел место в XIX в. Долгое время считалось, что электричество и магнетизм - не связанные друг с другом физические явления. Сначала было открыто электричество. Известные эксперименты Кавен- диша были проведены в период с 1771 по 1773 г. В это же время независимо от Кавендиша свои исследования проводил Кулон, они были закончены к 1785 г. Все эти работы явились основой теории статического электричества или электростатики. Последующие исследования магнитных явлений обнаружили связь между электричеством и магнетизмом. В 1819 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток, текущий по проводу, может каким-то образом воздействовать и отклонять стрелку компаса, помещенного в непосредственной близости к нему. Вскоре после этого Био-Савар (1820) и Ампер (1820-1825), проведя всесторонние исследования магнитных явлений, выяснили закономерности, которым подчиняются магнитные явления (собственно магнитное поле), возникавшие в проводнике с электрическим током. Решающий шаг был сделан Майклом Фарадеем (1831), который показал, что изменения магнитного поля приводят к возникновению электрического тока. Отметим, что уравнения, которые описывали все эти явления по отдельности, к тому времени уже были известны, однако система, составленная из них (а такие попытки проводились), оставалась незамкнутой относительно входящих величин (несовместной).

В 1865 г. Джеймс Клерк Максвелл решил данную задачу и построил непротиворечивую замкнутую систему уравнений, добавив в одно из уравнений новую величину.

Другой пример объединения двух типов «независимых» фундаментальных взаимодействий - это объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в конце 1960-х гг., спустя почти сто лет после работ Максвелла. Это объединение Глэшоу - Вайнберга - Салама (Нобелевская премия по физике в 1979 г.) показало глубокую взаимосвязь между электромагнитными силами и силами, ответственными за слабые взаимодей- ствия внутри атома; возникло представление о едином «электрослабом» взаимодействии. Однако для того, чтобы оценить значение и результаты этого объединения, на наш взгляд, сначала необходимо проанализировать главное событие, произошедшее в физике со времен Максвелла, - революцию, которую совершил Эйнштейн.

Пожалуй, наиболее важные изменения произошли в физике после создания специальной теории относительности Альберта Эйнштейна (1905), которая объединила пространство и время в единый пространственно- временной континуум. Пространственно-временной континуум, в отличие от объединения взаимодействий Максвелла, представляет собой новое понимание пространства событий, в котором разворачиваются физические явления. Отметим, что механика Ньютона, безраздельно царствовавшая до этого в течение 300 лет, уступила место релятивистской механике Эйнштейна, старые идеи об абсолютности пространства и времени были отброшены и уступили место новым интерпретациям характера абсолютности свойств пространства и времени (см.

Другой существенный шаг к новой физике, возможно даже более драматический, был сделан после открытия квантовой механики (в 2005 г. отмечалось 100-летие специальной теории относительности и гипотезы световых квантов). В настоящее время квантовая теория, у истоков которой стояли Эрвин Шредингер, Вернер Гейзинберг, Поль Дирак и др., ни у кого не вызывает сомнений, считается, что она наилучшим способом описывает и объясняет реальность на уровне микромира (примерно до 10-18 см). В рамках квантовой механики изменилось классическое представление о наблюдаемости: любой акт наблюдения оказывается в первую очередь взаимодействием между явлением и исследователем, чем более глубинную область мы стремимся исследовать, тем больше затрачиваемая энергия на то, чтобы провзаимодействовать с ней, рост энергии взаимодействия практически препятствует «глубине проникновения» в микромир. В то же время современная квантовая теория - это больше чем собственно теория, скорее это общий подход к анализу микроскопических явлений, предоставляющий правила и принципы, которым должна следовать теория, для того чтобы предлагать «жизнеспособные предсказания» физических явлений.

Итак, можно утверждать, что теоретическим ядром современной физической научной картины мира, возникшей на рубеже XIX-XX вв. и окончательно закрепившейся к середине ХХ в., являются квантовая механика и теория относительности. В настоящее время физике известно о четырех фундаментальных взаимодействиях. Остановимся кратко на каждом из них.

1. Гравитация. Понятие о силе притяжения появляется еще в античности (Аристотель), однако первое корректное математическое представле- ние гравитационного взаимодействия дал только Исаак Ньютон в начале XVIII

в. Ньютоновское представление о гравитации подверглось существенному пересмотру после создания общей теории относительности - теории гравитации Эйнштейна. Согласно этой теории пространственно- временной континуум СТО «живет собственной жизнью», сила гравитации «отождествляется» с кривизной пространства-времени, причем эта кривизна является следствием распределения в пространстве гравити- рующих масс и может динамически изменяться в зависимости от изменения энергетических характеристик движущегося тела.

Электромагнитное взаимодействие. Как отмечено выше, электромагнитное взаимодействие описано Максвеллом еще в 1865 г. В настоящее время электромагнетизм, теория Максвелла, формулируется как классическая теория электромагнитного поля. Однако в отличие от классической механики Ньютона, которая в свое время была ограничена СТО (см. дополнение А), теория Максвелла является полностью совместимой с СТО, т. е., как было показано позднее, в основе теории Максвелла «лежит» кинематика СТО, другими словами, именно кинематика СТО является основанием для объединения самой СТО и теории Максвелла, что и приводит к теории электромагнетизма. 3.

Слабое взаимодействие. Впервые слабое взаимодействие было обнаружено в реакции бета-распада, когда нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. В общем случае все физические процессы, включающие превращения нейтрино, связаны со слабым взаимодействием. Несмотря на то что бета-распад был известен еще в конце XIX

в. (испускание бета-лучей, т. е. свободных электронов, обнаружил Анри Беккерель в 1898 г.), осознание того, что здесь «замешано» новое фундаментальное взаимодействие, пришло не сразу, фактически это произошло только в середине ХХ в. В 1933 г. Энрико Ферми создал теорию бета-распада ядер и ввел в физику понятие о новом типе взаимодействия - слабом. Отметим, что слабое взаимодействие является намного менее «слабым», чем электромагнитное. 4.

Сильное взаимодействие (или, как иногда говорят, цветовое или ядерное). Это взаимодействие ответственно за стабильность ядра атома и в конечном счете за стабильность самих протонов, нейтронов и других субатомных частиц, частицы-составляющие которых - кварки - связаны сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие - самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий, мы даже не можем говорить о существовании «свободных» кварков (гипотеза конфайнмента).

Вернемся к анализу попыток объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в конце 1960-х гг. Модель Вайнберга - Салама предусматривает наличие электрослабого взаимодействия, которое является представлением электромагнитного и слабого взаимодействий в едином «объединяющем» ключе. Отметим, что это единое «унифицированное» представление не было продиктовано или обосновано только соображениями простоты или элегантности представления. Оно было продиктовано, в первую очередь, необходимостью построения предсказательно успешной и согласованной теории слабого взаимодействия.

Изначально теория объединенного электрослабого взаимодействия (модель Глэшоу) говорила о существовании четырех безмассовых частиц - переносчиков взаимодействий: фотона (переносчика электромагнитного взаимодействия) и W+-, W- и .^-бозонов (переносчиков слабого взаимодействия). В квантовой механике радиус взаимодействия обратно пропорционален массе частицы-переносчика, поэтому нулевая масса соответствует бесконечному радиусу взаимодействия. Таким образом, вопреки всем экспериментальным данным модель Глэшоу предполагала неограниченный радиус взаимодействия не только для электромагнетизма, но и для слабого взаимодействия. Предложенная Глэшоу калибровочная симметрия привела к еще одному нетрадиционному выводу: когда две частицы обмениваются электромагнитным взаимодействием, их электрические заряды не изменяются, так как фотон (переносчик электромагнитного излучения) не является носителем электрического заряда. Однако во всех известных в то время слабых взаимодействиях осуществлялся перенос единичного электрического заряда, например, распадающийся нейтрон (с зарядом 0) мог порождать протон (с зарядом +1) и электрон (с зарядом -1). Явления такого рода можно было бы объяснить обменом частицами W+ и W с зарядами, равными соответственно +1 и -1. Но введение электрически нейтральной частицы Z0 означает, что некоторые слабые взаимодействия должны происходить без обмена зарядом, как при электромагнитном взаимодействии. Предсказание явлений, названных впоследствии «слабыми нейтральными токами», стало решающей экспериментальной проверкой объединенной теории электрослабого взаимодействия, они были экспериментально обнаружены в 1973 г. в ЦЕРНе.

В 1967 и 1968 гг., работая независимо друг от друга, Вайнберг и Салам создали объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодей- ствий на основе калибровочной симметрии, которой пользовался Глэшоу. Модель Вайнберга - Салама также утверждала существование четырех частиц-переносчиков, но предлагала новый механизм, наделяющий массами W+-, и л-частицы и оставляющий безмассовыми фотоны - «спонтанное нарушение симметрии». Салам предположил, что калибровочная симметрия, связывающая электромагнитное и слабое взаимодействия, спонтанно нарушается, когда уровень энергии значительно изменяется. При очень высоких энергиях эти два взаимодействия неразличимы, но при низких энергиях W- и Z-частицы (а следовательно, слабые взаимодействия) встречаются редко. Так как в земных условиях физика ограничена сравнительно низкими энергиями, то исследователи ранее обращали внимание только на различия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Отметим, что массы W+-, и л-частиц не вводятся искусственно, а возникают естественно из механизма спонтанного нарушения симметрии, оценки масс этих частиц были получены из самой теории. В 1983 г. частицы W и Z были обнаружены экспериментально Карло Руббиа среди продуктов реакций, возникающих при столкновениях частиц, разогнанных до высоких энергий на ускорителе в ЦЕРНе.

Развивая идеи, приведшие к построению электрослабого взаимодействия, Шелдон Глэшоу внес важный вклад и в изучение сильного взаимодействия. В 1940-1950-х гг. в экспериментах на ускорителях высоких энергий было открыто много короткоживущих частиц, связанных с протоном и нейтроном, к 1969 г. было известно более 100 частиц, которые считались одинаково элементарными. Многих физиков такая ситуация не удовлетворяла. В 1963 г. Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили способ, позволяющий уменьшить число фундаментальных частиц, необходимых для теории материи. Они высказали гипотезу о том, что протон, нейтрон и все известные их «родственники» могут быть сложными частицами, состоящими из нескольких более фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. Между собой кварки должны быть связаны сильным взаимодействием.

В первоначальном варианте теории Гелл-Манна было три типа кварков: и-кварки (от англ. up - верхние), d-кварки (от англ. down - нижние) и s-кварки (от англ. strange - странные). Через год, когда кварковая модель все еще оставалась чисто умозрительной, Глэшоу совместно с Джеймсом Бьоркеном предложил ввести четвертый кварк с. Глэшоу назвал его очарованным кварком (charm), поскольку тот действовал подобно волшебным чарам, позволяя устранить некоторые явления, предсказываемые трехкварковой теорией, но в действительности ненаблюдаемые. Частицы, содержащие этот кварк, были открыты в 1974 г., и предвидение Глэшоу получило экспериментальное подтверждение. Вместе с тем возникли необходимые предпосылки для формирования представления о возможно- сти построения еще более унифицированного взаимодействия, о возможности объединить электрослабое и сильное взаимодействия.

Вернемся к уравнениям Максвелла. Как указано выше, это уравнения классические, в том смысле, что в них не рассматриваются квантовые эффекты. В основе современной физики лежит представление о квантовании. В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу, что энергия излучения Е излучается порциями - квантами, которые определяются формулой E = hv, а в 1905 г. Эйнштейн, опираясь на эту гипотезу, объяснил явление фотоэффекта, т. е. фактически предложил квантовую теорию света (теорию фотонов - частиц-переносчиков электромагнитного излучения). Квантование - это способ перейти от классической теории к неклассической (квантовой), для чего достаточно допустить, например, что энергия квантуется, передается порциями, квантами. Классическая электродинамика описывает, например, то, как течет ток в проводнике, или то, как работает телевизионная антенна, но она не может предложить корректного описания явлений на микроуровне, для этого служит квантовая электродинамика, неклассический аналог классической электродинамики Максвелла. В квантовой электродинамике, например, фотон является квантом электромагнитного поля. Теория слабого взаимодействия также является квантованной теорией, соответственно квантованной является и теория электрослабого взаимодействия.

Теория сильного взаимодействия, конечно, тоже является квантованной, это квантовая хромодинамика. Здесь частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются восемь безмассовых частиц - глюо- нов, которые, так же как и кварки, нельзя наблюдать в «свободном» состоянии. Кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь глюонами, причем взаимодействуя с глюоном, кварк меняет свой цвет. По аналогии с квантовой электродинамикой, где электромагнитная сила между электрически заряженными частицами возникает в результате обмена фотонами (квантами света), в квантовой хромодинамике взаимодействие (сильное) обусловлено свойством особого рода, которое называется цвет. Условно говоря, цвет может иметь три значения: красный, желтый и синий. (В любом случае фраза «кварк имеет красный цвет» имеет не больше и не меньше смысла, чем фраза «электрон имеет отрицательный заряд».)

Однако в отличие от фотонов в квантовой электродинмаике, которые электрическим зарядом не обладают (хотя и выступают в роли носителей электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами), глюоны имеют собственный цветовой заряд и могут изменять цвет кварков, с которыми взаимодействуют. Отметим, что цвет присущ только кваркам, но не барионам и мезонам, в состав которых они входят. Барио- ны (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков: красного, желтого и синего, цвета которых взаимно гасятся, а мезоны — из пары «кварк + антикварк», поэтому они также бесцветны. В целом в квантовой хромодинамике действует принцип, согласно которому кварки в природе могут образовывать только такие комбинации, суммарный цвет которых оказывается нейтральным. Например, если при поглощении глюона синий кварк превращается в красный, значит, глюон нес на себе единичный положительный заряд красного цвета и единичный отрицательный заряд синего, поскольку совокупный цветовой заряд кварка при этом не меняется.

Теория электрослабого взаимодействия вместе с квантовой хромоди- намикой образуют Стандартную Модель физики элементарных частиц. В раках Стандартной Модели наблюдается «пересечение» множеств частиц, участвующих в электрослабом или сильном взаимодействии, имеются частицы, участвующие в обоих взаимодействиях, например сами кварки. Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии, но изменение природы кварка, сопровождающееся испусканием переносчика слабого взаимодействия, отличается от того, что происходит с кварком при испускании глюона. В то время как глюоны изменяют цвет кварка, слабое взаимодействие изменяет его аромат. Однако, несмотря на то что достигнуто такое понимание роли кварков в Стандартной Модели, до сих пор отсутствует достаточно четкое представление о возможности объединения сильного и слабого взаимодействий. Стандартная Модель полностью исчерпывает наши современные представления о «структуре» вещества, суммирует все наши знания в области элементарных частиц, однако не дает «однозначных» оснований рассуждать о возможных путях дальнейшей унификации наших представлений.

Рассмотрим саму Стандартную Модель - физическую теорию, которая отражает наши современные представления о том, «из чего состоит мир». Стандартная Модель состоит из двенадцати частиц-переносчиков: восьми глюонов, W~- и л-частиц и фотона. Все они являются бозонами. Существует еще одно важное деление элементарных частиц на бозоны и фермионы. Фермионы - частицы, которые в одном квантовом состоянии могут находиться лишь в единственном числе, они не могут «налагаться» друг на друга (наложение происходит или не происходит в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу), а бозоны могут. Например, если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии, т. е. Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем, была бы невозможна.

Фермионы - это кварки и лептоны. Лептоны - общее название класса элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, т. е. участвующих лишь в электромагнитном, слабом и гравитационном взаи- модействиях. В частности, к лептонам относят электрон e , мюон jl и тау-лептон t , а также соответствующие им нейтрино Ve,V ,Vt (их тоже

двенадцать с учетом античастиц). Кварки имеют цвет, электрический заряд и участвуют в слабом взаимодействии. Отметим, что частицы, которые состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии, называют адронами. Всего существует шесть кварков или ароматов кварков, учитывая их участие в слабом взаимодействии (имеются достаточно серьезные основания считать, что их не должно быть больше), в 1977 г. открыт b-кварк (от англ. bottom - основание, низ), а в 1995 г. - t-кварк (от англ. top - вершина). Например, и- и d-кварки обладают различным электрическим зарядом и соответственно взаимодействуют слабо по-разному. Каждый из шести кварков может быть трех цветов, что дает восемнадцать различных частиц, с учетом античастиц - тридцать шесть. Таким образом, получается сорок восемь фермионов, которые и образуют все вещество во Вселенной.

Мы не случайно привели здесь такую подробную классификацию элементарных частиц. Согласно Полчинскому, почти все из них получают удовлетворительное объяснение, свое «место» в рамках теории струн [Polchinski, 1998]. Несмотря на то что классификацию элементарных частиц в рамках Стандартной Модели нельзя назвать «простой», она выглядит достаточно элегантной и уже не раз обнаруживала свой эвристический потенциал. Однако как «завершенная» теория для физики в целом она обладает двумя существенными недостатками: во-первых, она не включает описание гравитационного взаимодействия; во-вторых, она содержит порядка двадцати свободных параметров, т. е. параметров, которые нельзя вычислить, обращаясь к самой Стандартной Модели (фактически это параметры, ответственные за «связь» теории и эксперимента). Наиболее яркий пример свободного параметра - отношение массы мюона к массе электрона. Это отношение, полученное экспериментально, порядка 207 и должно вноситься в Стандартную Модель заранее «вручную».

Большинство физиков верят в то, что Стандартная Модель является лишь основанием, первым шагом к построению «полной» физической теории. Некоторые из них полагают, что возможна унификация слабого и сильного взаимодействий (внутри Стандартной Модели) в рамках единой Теории Великого Объединения (Grand Unified Theory). Однако, на наш взгляд, в настоящий момент говорить об этом преждевременно.

Другой достаточно многообещающий вариант - это предположение, что «завершенная» версия Стандартной Модели будет включать представление о суперсимметрии. Суперсимметрия - это симметрия, которая свяжет бозоны и фермионы. Поскольку все, условно говоря, материальные частицы - это фермионы, а все частицы-переносчики - это бозоны, то предполагаемая суперсимметрия объединит «материю» и «поле». В теории с суперсимметрией бозоны и фермионы будут образовывать пары частиц одинаковой массы. Те частицы, о которых говорит Стандартная Модель, не обладают этим свойством, таким образом, суперсимметрия, если, конечно, она существует, должна быть нарушена спонтанно. Несмотря на это, идея суперсимметрии является чрезвычайно интересной, многие верят в то, что однажды она будет открыта.

Кроме указанных вариантов построения «расширенной» Стандартной Модели (что может произойти, а может и не произойти), достаточно очевидным является тот факт, что «внесение» гравитации в Стандартную Модель не простой шаг. Гравитация обязана быть включенной, независимо от успешности попыток унификации физических взаимодействий, поскольку мы претендуем на построение единой «завершенной» теории. В частности, важность внесения гравитации в единую модель физических взаимодействий подчеркивается тем, что гравитационные эффекты, например, играют решающую роль в космологических моделях ранней Вселенной, хотя в настоящий момент все еще достаточно сложно оценить вклад сил гравитации на уровне микромира.

Построение теории квантовой гравитации - одна из основных проблем, сдерживающих развитие современной физики. Стандартная Модель - это квантованная теория, однако общая теория относительности Эйнштейна - теория гравитационного взаимодействия - является классической. В настоящее время построение теории, которая сочетала бы классические и квантовые свойства, представляется очень сложным, если не невозможным. Все попытки квантования гравитации, известные в настоящий момент, наталкиваются на ряд существенных трудностей: теория квантовой гравитации пока не предсказала ни одного эффекта, регистрация которого помогла бы сделать выбор в ее пользу, не преодолела проблему сингулярности. Ни в том, ни в другом случае мы не можем утверждать, что «уже приблизились» к пониманию природы гравитации. В частности, мы даже можем попытаться свыкнуться с мыслью о двойственном характере описания природы, что фактически и происходит сейчас (на макроуровне - ОТО, на микроуровне - Стандартная Модель). Однако теория квантовой гравитации просто необходима для описания, например, ранней «горячей» Вселенной или ряда эффектов, предсказанных в рамках теории черных дыр. Говорить о Теории Великого Объединения можно будет только после того, как будет построена квантовая теория гравитации и будет достигнут необходимый уровень «унификации» представлений о всех известных фундаментальных физических взаимодействиях.