Сучасні проблеми об’єднання різних видів взаємодії
ФІЗИКА
Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
18.12. Сучасні проблеми об’єднання різних видів взаємодії
Незважаючи на відмінність властивостей чотирьох основних сил природи, доцільно шукати більш глибоку теорію, в якій всі вони мали б спільне походження. А. Ейнштейн присвятив багато років свого життя пошукам єдиної польової теорії – теорії гравітації й електромагнетизму.
У попередніх підрозділах розглянуто основні принципи об’єднання слабкої і електромагнітної,
Новий підхід до єдиної теорії випливає з ідеї супергравітації. Супер – гравітація є узагальненням загальної теорії відносності і передбачає ті самі класичні явища, що і теорія Ейнштейна: наприклад, прецесію планетних орбіт, відхилення променя світла зірки під час проходження її поблизу Сонця, червоне зміщення зіркових спектральних ліній та запізнення радіолокаційних сигналів, що проходять в полі тяжіння Сонця. Проте на квантовому мікроскопічному рівні супергравітація відрізняється
При створенні нової фізичної теорії керуються принципами симетрії, які дають змогу описувати одним законом об’єкти або поняття, які здаються незв’язаними. Симетрія фізичної теорії може існувати як в глобальній, так і в локальній формі. Виявилось, що теорії з локальною симетрією, які називають також калібрувальними, є більш потужними. Загальна теорія відносності і теорія електромагнетизму Максвелла грунтуються на локальних симетріях. Новітня єдина теорія слабкої і електромагнітної взаємодій також є калібрувальною. Це наводить на думку, що будь-яка теорія, яка б об’єднувала всі чотири сили, також повинна мати локальну симетрію.
Супергравітація заснована на новій симетрії, справедливій навіть на глобальному рівні, тому вона дістала назву суперсиметрії. Суперсиметрія зв’язала два великих класи, на які поділяються всі елементарні частинки: ферміони (частинки з півцілими спінами) і бозони (частинки з цілими спінами). Властивості ферміонів і бозонів істотно відмінні, тому наявність фундаментального зв’язку між ними була деякою несподіванкою. В супергравітації суперсиметрія продовжується з глобального рівня на локальний. Важливо, що це продовження саме по собі приводить до теорій, які передбачають гравітаційну взаємодію, тому вказують на можливість побудови єдиної теорії.
Супергравітацію не перевірено дослідом, але досягнуті в ній успіхи вселяють надію. Ввібравши в себе ряд найважливіших принципів сучасної фізики, супергравітація розв’язала багато фізичних проблем. Сучасне розуміння основних законів природи виникло з трьох принципів: спеціальної теорії відносності, загальної теорії відносності й квантової механіки. Кожний із них зумовлено розв’язанням якої-небудь суперечності у фізиці і кожний привів до передбачення нових явищ, перевірених потім на досліді.
Створюючи сучасну теоретичну фізику на основі спеціальної теорії відносності й квантової механіки, потрібно було об’єднати обидві теорії. Перше важливе досягнення належить П. Діраку, який сформулював (1928 р.) релятивістське хвильове рівняння для електрона. Об’єднання спеціальної теорії відносності і квантової механіки почалося роботами П. Дірака, В. Гейзенберга, В. Паулі наприкінці 20-х років XX ст. Квантова теорія поля – загальний підхід, який можна застосувати до чотирьох видів взаємодії. Проте практично при розрахунках деяких квантових ефектів в імовірностях виникають нескінченності, що призводять до труднощів. Уперше ці труднощі було подолано в квантовій електродинаміці – квантовій теорії поля, яка описує взаємодію електронів, позитронів і фотонів. Успіх прийшов наприкінці 40-х років XX ст., коли Р. Фейнман, Дж. Швингер і С. Томонага відшукали строгі методи розрахунків, що узгоджуються з внутрішньою симетрією теорій. Виявилось, що нескінченності можна послідовно усунути за допомогою методу, який називають перенормуванням. Одержані остаточні передбачення порівнювали з дослідом.
Перенормування успішно застосовується в квантовій електродинаміці і в прийнятих тепер польових теоріях сильної взаємодії. На початку 70-х років XX ст. Г. Хоофт, М. Вельтман, Т. Лі й Ж. Зінн-Жюстен показали, що єдина теорія слабкої і електромагнітної взаємодії може бути перенормована. Квантові теорії гравітаційної взаємодії ще містять нескінченності. Можна надіятись, що ці труднощі в фізиці розв’яже супергравітація.
Супергравітація – це значне теоретичне досягнення, яке сприятиме розв’язанню важливих фізичних проблем: об’єднанню фундаментальних сил і усуненню нескінченностей із квантової гравітації. Відносно об’єднання ферміонів і бозонів, а також одержання всіх взаємодій з єдиної вимоги локальної симетрії, теорія дає задовільні результати. Схему об’єднання різних типів взаємодій зображено на рис. 18.7.
Рис. 18.7
В історії фізичних теорій проявляється тенденція до уніфікації їх. Першим це зробив І. Ньютон, відкривши закон всесвітнього тяжіння. Дж. Максвелл створив теорію, яка охоплює електричні й магнітні явища. У XX ст. на зміну теорії Ньютона прийшла загальна теорія відносності Ейнштейна, теорії Максвелла – квантова теорія поля, названа квантовою електродинамікою. Тепер електромагнетизм об’єднали із слабкою взаємодією. Сильна взаємодія також описується квантовою теорією поля.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...