К. филос. н.
Горбатюк Т.В.
Национальный
университет биоресурсов и природоиспользования, Украина
ПЕРСПЕКТИВЫ ФОРМИРОВАНИЯ «НОВОЙ ФИЗИКИ» ЗА ПРЕДЕЛАМИ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ:
ФИЛОСОФСКО-МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИЙ АСПЕКТ
В современной науке теорию, описывающую и
наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из
которого сформировалась Вселенная называют Стандартной моделью физики
элементарных частиц. Она описывает, как именно материя образуется из базовых
компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.
Для современной науки, а, в частности,
физики элементарных частиц характерно завершение формирования Стандартной
Модели элементарных частиц. Решение данной проблемы связано с работой Большого
адронного колайдера в ЦЕРНе. От этого зависит дальнейшее развитие теоретической
и, прежде всего, практической науки.
За последние 50-60 лет физика элементарных
частиц осуществила значительный прорыв в объяснении законов природы на самом
фундаментальном уровне. Научная мысль прошла путь от формулировки и
консолидации количественной теории квантовой электродинамики, элементарных
частиц до развития структуры, способной описывать все многообразие наблюдаемых
частиц и их взаимодействий. Эта структура, основанная на формализме
релятивистской квантовой теории поля и калибровочной симметрии, как
динамический принцип, известный под названием Стандартная Модель. Данная теория
была предложена в 70-х годах ХХ века С. Вайнбергом и А. Саламом и получила
всеобщее признание – ученые получили Нобелевскую премию в 1979 году [1].
Благодаря ряду экспериментальных подтверждений, Стандартная Модель превратилась
в полное и точное описание микроскопических явлений, которые составляют основу
макроскопического мира.
Динамические свойства фундаментальных
взаимодействий, предусмотренные Стандартной Моделью, были подтверждены с
высокой точностью. Эти успехи обязаны последовательности экспериментальных
программ, начиная с выявления кварка, его свойств и нейтральных токов в 1970-х
годах, и заканчивая одновременным открытием топ-кварка и косвенным проявлением
его свойств из точных электрослабых измерений.
Открытие бозона Хиггса является
завершающим этапом в развитии Стандартной модели, как главной теории физики
элементарных частиц, которое может повлиять на представление о характеристиках
нашей Вселенной. "Стандартная модель заканчивается, двери закрываются.
Открытие бозона Хиггса создает большие проблемы для теоретиков. Все закончено,
можно идти домой", – сказал нобелевский лауреат М.Велтман, выступая на
традиционной встрече нобелевских лауреатов с молодыми учеными в юго-немецком
городе Линдау [2].
Стандартная модель в физике элементарных
частиц – это теоретическая конструкция, описывающая электромагнитное, слабое и
сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Однако она не позволяет
объяснить такое явление как гравитация, и по каким принципам она существует.
Эта модель не включает, гипотетическую частицу гравитон, что является
ответственным за гравитационное взаимодействие некоторых частиц.
Открытие элементарной частицы Хиггса имеет
важные последствия для космологии – для наших представлений о строении
Вселенной, считает М.Велтман. В частности, это важно для констант, определяющих
кривизну Вселенной. То есть, если окажется, что масса бозона Хиггса
действительно равна 125-126 гигаэлектронвольт, то энергия поля Хиггса, которая
пронизывает всю Вселенную, окажется, ниже энергии вакуума. «Поэтому Вселенная
должна оказаться размером с футбольный мяч, и нам (теоретикам) понадобится
что-то, что развернет ее назад», – сказал М.Велтман [2].
Кроме этого Стандартная модель не включает
гравитацию, а также большое количество проблем связанных со строением
Вселенной. Физика, которая находится за пределами Стандартной модели (Новая
физика) относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, для того
чтобы объяснить недостатки Стандартной модели, такие как происхождение массы,
сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии,
происхождения темной материи и темной энергии [3]. Другая проблема, которую
рассматривает «Новая физика» заключается в математических основах самой
Стандартной модели. Стандартная модель физики элементарных частиц не
согласуется с общей теорией относительности в том смысле, что одна или даже обе
теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях
(например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как
Большой взрыв и горизонты событий черных дыр).
Теории, которые лежат за пределами
Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели
через суперсимметрии, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная
модель, или же совсем новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и
другие теории. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с
текущими наблюдениями явлений или не доведены до состояния конкретных
разработок, вопрос о том, какая теория является правильной (или хотя «лучшим
шагом» к Теории всего), может быть решен только с помощью экспериментов.
Поэтому, несмотря на то, что Стандартная
модель в настоящее время является наиболее успешной теорией физики элементарных
частиц, она все же несовершенна [4]. Есть целый ряд экспериментальных
наблюдений за природой, для которых Стандартная модель не дает адекватного
объяснения. Среди них: гравитация, темная материя и темная энергия, массы
нейтрино, асимметрия материи и антиматерии.
А также существуют и некоторые
теоретические проблемы. Они не являются проблемой по существу (то есть теория
хорошо работает с этими специальными особенностями), но они предполагают
недостаток понимания. Эти специальные особенности побудили теоретиков искать
более фундаментальные теории с меньшим количеством параметров. Некоторыми
такими специальными особенностями являются: проблема иерархии фермионных масс,
сильная CP-проблема, количество параметров.
Среди приведенного списка нерешенных
проблем современной физики [5] некоторые носят теоретический характер, а это
позволяет говорить, что существующие теории оказываются неспособными объяснить
некоторые явления, наблюдаемые или экспериментальные результаты. Другие
проблемы являются экспериментальными, а это значит, что есть трудности в
создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или более подробного
исследования какого-либо явления. А некоторые проблемы есть или
фундаментальными теоретическими проблемами, или теоретическими идеями, для
которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно
взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут
решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации
способна ответить на большую часть из перечисленных вопросов.
Современная наука в рамках стандартной
модели объединила три из четырех типов фундаментальных взаимодействий, которые
в дальнейшем уже не разделимы, и считаются тремя различными проявлениями силы
единой природы. Теория Великого объединения, GUT – в физике элементарных частиц
– это группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое
и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких
энергиях (выше 1014 ГэВ) эти взаимодействия объединяются. Впрочем,
многие физики-теоретики считают, что объединять эти взаимодействия без
гравитации не имеет смысла, и путь к «Великому объединению» лежит через
создание «теории всего», скорее всего, на основе одной из теорий квантовой
гравитации.
Программу построения единой теории
высказывал еще А. Эйнштейн, и после создания общей теории относительности
посвятил весь остаток своей жизни попытке построить такую теорию. Многие физики
столь же безуспешно пытались построить единую теорию. Поэтому, оптимистичные
лозунги «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого
объединения», «окончательная теория» сегодня используются в отношении любой
теории, которая пытается объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их
как различные проявления какой-то единой и великой силы. Если бы это удалось,
картина строения вселенной упростилась бы до максимума. Вся материя состояла бы
лишь из кварков и лептонов, и между всеми этими частицами действовали бы силы
единой природы.
Все теории объединения исходят из того, что
при достаточно высоких энергиях взаимодействия частиц, грань между различными
видами взаимодействий стирается, и все силы начинают действовать одинаково. При
этом теории предсказывают, что происходит это не одновременно для всех четырех
сил, а поэтапно, по мере увеличения энергии взаимодействия.
Самый нижний энергетический порог, при
котором может состояться первый слияния сил различных типов, является крайне
высоким, однако находится уже в пределах досягаемости самых современных
ускорителей. Энергии частиц на ранней стадии Большого взрыва были крайне
высоки. В первые 10-10 секунды они обеспечивали объединение слабых
ядерных и электромагнитных сил в електрослабом взаимодействия. Только начиная с
этого момента, окончательно отделились все четыре известных нам силы. До этого
момента существовали всего три фундаментальные силы: сильного, электрослабого и
гравитационного взаимодействия.
Последующее объединение происходит при
энергиях далеко за пределами достижимых в условиях земных лабораторий – они
существовали во Вселенной в первые 10-35 секунды ее существования.
Начиная с этих энергий электрослабое взаимодействия объединяется с сильным.
Теории, описывающие процесс такого объединения, называются теориями великого
объединения. Проверить их на экспериментальных установках невозможно, но с
помощью них можно прогнозировать целый ряд процессов, протекающих при более
низких энергиях, и это служит косвенным подтверждением их истинности. Однако на
уровне теории великого объединения наши возможности в плане проверки универсальных
теорий исчерпываются. Дальше начинается область теорий суперобьединения или
общих теорий – и при одном упоминании о них в глазах физиков-теоретиков
загорается блеск. Непротиворечивая теория суперобьединения позволила бы
объединить гравитацию с единственной сильным-электрослабым взаимодействием, и
строение Вселенной получило бы наиболее простое из возможных объяснений.
По словам нобелевского лауреата,
американского физика-теоретика С.Вайнберга «это была бы глубинная теория, от
которой в разные стороны стрелами расходилась интерференционная картина
устройства мироздания, и более глубоких теоретических основ в дальнейшем не
потребовалось». Хотя, такой теории еще не существует. Поэтому остается только
определить примерные контуры процесса, который может привести к разработке
столь всеобъемлющей теории.
Современная наука и стандартная модель
физики элементарных частиц требует дальнейшего обобщения для описания процессов
взаимодействия частиц с квантованным гравитационным полем. Попытки такого
обобщения сталкиваются с фундаментальной проблемой построения перенормативной квантовой теории
гравитации, основанной на представлении об элементарных
частицах как точковоподобных объектах. Поэтому возникает интерес к разработке
других вариантов квантовой теории, предположения о точковоподобном характере
частиц заменяется более общим представлением о частице как протяженном объекте.
Одной из таких альтернатив квантовой
теории поля, в рамках которой намечается решения проблем разногласий и
унификации всех известных фундаментальных взаимодействий, является теория
струн, основными составляющими которой выступают протяженные релятивистские
объекты – струны. В теории струн моды ее присущих колебаний рассматриваются,
как кванты, которые соответствуют элементарным частицам.
Объединение концепции струн с идеей
суперсимметрии привело к теории суперструн, в рамках которой удается единым
образом описывать бозоны и фермионы, что подтверждает принципиальную
возможность объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках теории
суперструн. В результате развития этой теории были построены пять различных
моделей суперструн свободных от аномалий в размерности пространства-времени. В
середине 90-х годов ХХ столетия, было показано, что эти пять моделей суперструн
могут быть объединены в рамках единой так называемой М-теории.
На сегодняшний день остается актуальным
вопрос об исследовании механизмов спонтанного нарушения суперсимметрии и
связанной с ним проблемы поиска локальных и глобальных симметрий М-теории и ее
вакуума. Так что браны вместе со струнами являются составными М-теории,
построение новых моделей бран и исследование их симметрий может предоставить
информацию относительно обобщенной геометрии пространства-времени, которая
лежит в основе объединения Стандартной Модели с гравитацией.
Открытие объединенной теории, описывающей
природу в условиях любых энергий, позволит нам ответить на самые глубокие
вопросы космологии: имеет область галактик, которую мы называем Большим
Взрывом, начало во времени? Есть ли Большой Взрыв только одним эпизодом истории
вселенной, в которой большие и маленькие взрывы происходят вечно? Меняются
физические константы или даже законы природы от одного взрыва к другому?
Или это не будет концом физики. Или это,
вероятно, даже не поможет нам в решении некоторых еще не решенных проблем
сегодняшней физики – понимания турбулентности и высокотемпературной
сверхпроводимости. Но это будет конец физики определенного типа, а именно
поиска объединенной теории, которая влечет за собой все остальные факты
физической науки.
Литература:
1. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. В 2-х
тт. Том 1. - М.: Прогресс, 1992. - 775с.
2. Открытие бозона Хиггса "закроет двери"
стандартной модели / / http://
ria.ru/science/20120703/690837127.html#13572978927222&message=resize&relto=register&action=addClass&value=registration
3. J. Womersley.
«Beyond the Standard Model».//http://www.symmetry
magazine.org/sites/default/files/legacy/pdfs/200502/beyond the standard
model.pdf
4. Lykken, Beyond
the Standard Model, arxiv.org: 1005.1676.
5. Гинзбург И. Ф. «нерешенные проблемы фундаментальной
физики» УФН 179 525-529 (2009)