Журнал «Вокруг Света» № 1 за 2005 года (2772) - Вокруг Света

Лев Вейсман | Фото автора

Планетарий: Музыка сфер

XX век ознаменовался рождением двух основных физических теорий – общей теории относительности и квантовой механики. Развиваясь независимо, они очень долго не могли найти общего языка для плодотворного сотрудничества, и только к концу века появились скромные надежды на умиротворение этих двух фундаментальных теорий в рамках одного еще более универсального подхода. Запланированное на XXI век создание «единой теории поля» уже идет полным ходом, и, быть может, уже совсем скоро даже школьники будут знать, почему наш мир таков, каким мы его видим.

Обычная квантовая механика описывает движение элементарных частиц с малыми по сравнению со скоростью света скоростями. При приближении скорости к световой энергия любой частицы становится столь значительной, что начинают массово появляться новые частицы и испускаться кванты света. Особенно сильно это заметно при столкновении двух релятивистских частиц, когда рождается множество новых, гораздо более тяжелых, чем сталкивающиеся. Увы, но квантовая механика не рассматривает процессы рождения и уничтожения и применима лишь для систем с неизменным числом частиц. В результате даже переходы атома из одного состояния в другое, сопровождаемые испусканием и поглощением фотонов, корректно описать в рамках квантовой механики невозможно. Она дает лишь приближенное описание, справедливое в той мере, в какой можно пренебречь испусканием и поглощением частиц. Однако круг стоявших проблем не исчерпывался описанием взаимных превращений частиц, задача ученых заключалась в том, чтобы научиться квантовать классические поля, то есть изучить системы с бесконечным числом степеней свободы. Обе эти задачи были успешно решены еще в первой половине ХХ века, без каких-либо кардинальных пересмотров геометрии нашего мира.

Метод квантования систем с переменным числом частиц, называемый методом вторичного квантования, был впервые предложен английским физиком Полем Дираком в 1927 году и развит советским физиком Владимиром Фоком в работе 1932 года. А описание частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, сегодня успешно происходит в рамках релятивистской квантовой механики.

Одним из важнейших объектов квантовой теории поля является вакуум. Физический вакуум – это не совсем пустое место. Для элементарных частиц это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля. Классический пример такого рода процесса – рождение электрон-позитронной пары под воздействием гамма-кванта. Не менее замечателен и обратный процесс – аннигиляция позитрона и электрона, сопровождающаяся рождением гамма-квантов.

Однако существует возможность экспериментально наблюдать и более тонкое влияние физического вакуума на поведение элементарных частиц и макроскопических предметов. Например, поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода, экспериментально открытому в 1947 году У. Лэмбом и Р. Ризерфордом. Теоретический расчет этого сдвига, называемого лэмбовским, был произведен Г. Бете в 1947 году. Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет и их магнитный момент. Первая квантовая поправка такого рода была вычислена Ю. Швингером в 1948 году.

Другое широко известное квантовое явление, обусловленное взаимодействием с вакуумом, – это эффект Казимира, предсказанный нидерландским физиком в 1948 году и экспериментально подтвержденный спустя 10 лет Э. Спаарнеем. Эффект Казимира проявляется в том, что между двумя незаряженными проводящими параллельными пластинами в вакууме возникает небольшая и зависящая от расстояния сила притяжения. Силы, возникающие благодаря эффекту Казимира, уникальны, так как они не зависят ни от масс, ни от зарядов, ни от иных характеристик пластин. Данный эффект является единственным макроскопическим проявлением физики вакуума квантованных полей.

В классической теории тот или иной заряд создает неким образом поле, и уже это поле действует на другие заряды. В квантовой теории взаимодействие частиц выглядит как испускание и поглощение квантов поля. Таким образом, и притяжение, и отталкивание становятся результатом обмена квантами поля.

Физики до недавнего времени раздельно изучали материю в ее двух проявлениях – веществе и поле. Это было оправдано, поскольку частицы вещества и кванты поля обладают разными свойствами, ведут себя различным образом и имеют разные значения спина (от английского spin – вращение, квантовый аналог собственного момента вращения элементарной частицы, измеряется в единицах постоянной Планка (ђ=1,0546 .10–34 Дж.с). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина и называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули, согласно которому две одинаковые (или тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Элементарные частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами. Принцип Паули на них не распространяется, и в одном и том же состоянии может находиться любое число таких частиц.

Согласно современным представлениям вещество состоит из кварков и лептонов (всего их 12 штук – 3 семейства по 4 частицы в каждом), описываемых фермионными квантовыми полями. Известны также четыре фундаментальных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое, – которые описываются бозонными квантовыми полями.

Основы квантовой теории электромагнитного поля (квантовая электродинамика, КЭД) были заложены в конце 1920-х годов Полем Дираком. Свою современную форму квантовая электродинамика приобрела на рубеже 1940—1950-х годов в работах Ю. Швингера, С. Томонаги и Р. Фейнмана, удостоенных в 1965 году Нобелевской премии. Квантовая теория поля представляет собой логически последовательную основу для описания элементарных частиц и их фундаментальных взаимодействий.

В конце 1960-х годов была построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. В работах Ш. Глэшоу, С. Вайнберга и А. Салама, получивших Нобелевскую премию 1979 года, было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Квантами (переносчиками) слабого взаимодействия выступают W+ , W– и Z0 – бозоны, называемые промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, предсказанные теоретиками, были экспериментально открыты на ускорителе в ЦЕРНе только в 1983 году.

Квантовая теория сильного взаимодействия элементарных частиц, называемая квантовой хромодинамикой (КХД), возникла в начале 1970-х годов. Согласно КХД переносчиками сильных взаимодействий являются 8 глюонов. Кварки притягиваются, обмениваясь глюонами, и таким образом образуют адроны. В настоящее время известно несколько сотен адронов. Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелым – барионами. Обычные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Недавно были открыты пентакварки – экзотические адроны, состоящие из пяти кварков.

В современной физике частицы взаимодействуют друг с другом посредством так называемых калибровочных полей, отвечающих симметриям конкретного взаимодействия. Можно сказать даже более определенно – всем известным типам сил соответствует та или иная симметрия. В настоящее время имеются теории всех четырех типов взаимодействия частиц, проверенные в экспериментах на ускорителях, в лабораториях и космическом пространстве. Квантовая теория калибровочных полей, называемая часто «Стандартной Моделью», в настоящее время является общепринятой основой для физики элементарных частиц. Хотя Стандартная Модель и описывает все явления, которые мы можем наблюдать с использованием современных ускорителей, все же многие вопросы пока остаются без ответа.

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 1016 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели при энергиях порядка 1019 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.